高精度轨道电子地图生成系统设计与应用

孙 哲，王 嵩，赵 佳

（1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055；2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

高精度轨道电子地图主要用于描述轨道交通线路结构和轨旁信号设备的地理信息，是基于卫星定位的列控系统的基础性数据文件[1]。其主要有两方面作用：一是通过将轨道车辆实时卫星定位数据与高精度轨道电子地图匹配，获取车辆实时地理位置以及车辆在线路上的精确里程[2]，可以避免车轮空转打滑造成的定位误差；二是高精度轨道电子地图能更加直观、准确地反映轨道线路、车辆和轨旁设备的真实地理空间位置，可用于人机交互界面的GIS 图形化显示[3]。在定位的准确性和界面显示效果方面，高精度电子地图优于采用公里标里程体系和站场平面图显示方式的常规电子地图。

对于以单轨为代表的中低运量交通系统，其线路主要以高架形式铺设在城市主干路上方[4]，具有地面交通资源占用少、造价低、景观效果好等特点[5]。车辆具备良好的卫星观测条件，适合采用卫星定位的方式作为辅助测速定位手段，但该方面的研究尚处于系统架构的研究阶段[6]。现阶段，国内大量学者以青藏铁路为研究对象，对基于卫星的轨道电子地图数据模型和处理方法技术进行了研究[7-9]，算法准确率和在国铁领域的适用性较高，但部分站内数据采集依赖于人工且数据编制量大，对于已开通的高架线路，夜晚人工上线采集数据尤为不便，无法直接适用于中低运量轨道交通领域。

为此，本文提出一种适用于单轨等中低运量交通的高精度轨道电子地图生成系统，数据采集和处理均自动完成，无需人工定点采集，用于解决单轨线路轨道电子地图数据人工采集危险性大、数据处理困难、人工编制准确率不高的问题。

2 高精度轨道电子地图源数据

2.1 源数据类型及描述方式

高精度轨道电子地图生成系统的最终目标是生成各种源数据。涉及到的源数据类型包括无岔轨道、道岔、信号机、信标和站台，其数据结构满足一定层次关系，如图1 所示。每种设备记录其地理空间位置和对应公里标，同时以车站为单位对其归属进行划分，提升车辆和设备位置的匹配计算效率。

图1 高精度轨道电子地图源数据层次结构Fig.1 High-precision track electronic map source data hierarchy

其中，信号机、信标为轨旁定点设备，其地理空间位置信息可采用单个兴趣点（Point of Interesting，POI）的经纬度值描述；无岔轨道的线路区域满足曲线结构，地理空间信息可采用线路起止点及线路中各插值POI 的经纬度描述；道岔可近似为一条岔前曲线、若干条岔后曲线汇聚至岔心的树形分叉结构（但岔后最多为4 个分叉），岔前、岔后曲线同样可以采用起止点及线路中各插值POI 的经纬度描述；站台由4 个边界点POI 构成的矩形来描述。

2.2 源数据结构

电子地图源数据存储于数据库或专用数据格式文件中，描述各源数据信息的表结构如下。

1）车站：由车站基本信息表描述，用于记录车站信息的表字段包括：车站ID（station_id）、车站名称（station_name）、车站代码（station_code）以及该车站所属设备ID 集合（station_device_ids）。

2）无岔轨道：按类型分为站内股道、站内无岔轨道、区间无岔轨道3 种。无岔轨道的ID、名称、归属车站等信息记录于无岔轨道基本信息表，无岔轨道线路中各POI 的地理信息记录于无岔轨道地理信息表。两表通过归属无岔轨道ID（track_id）进行关联映射，字段定义如表1、2 所示。

表1 无岔轨道基本信息Tab.1 Basic information of switchless track

表2 无岔轨道地理信息Tab.2 Geographic information of switchless track

3）道岔：道岔由岔前线路和各岔后分支线路构成。道岔的ID、名称、归属车站、岔前岔后长度、分支个数等信息记录于道岔基本信息表，道岔岔前和各岔后分支线路上的POI 地理信息记录于道岔地理信息表，两表通过归属道岔ID 和分岔类型进行关联映射，字段定义如表3、4 所示。

表3 道岔基本信息结构Tab.3 Switch basic information structure

表4 道岔地理信息结构Tab.4 Switch geographic information structure

4）信号机：由信号机信息表来描述，用于记录信号机信息的字段包括信号机ID（signal_id）、归属车站ID（station_id）、名称（signal_name）、类型（signal_type）、朝向（signal_orient）、经度（signal_longitude）、纬度（signal_latitude）以及里程值（signal_kilometer）。

5）站台：由站台信息表来描述，用于记录站台信息的字段包括站台ID（platform_id）、归属 车 站ID（station_id）、 名 称（platform _name）、 中 心 里 程 值（platform_kilometer）以及用于表示站台位置的矩形各顶点的经纬度（point1_longitude、point1_latitude、point2_longitude、point2_latitude……）。

6）信标：仅用于定位修正，不用于可视化显示，由信标信息表来描述，用于记录信标信息的字段包括信标ID（tag_id）、归属车站（station_id）、名称（tag_name）、该位置对应无岔轨道或道岔名称（tag_device_name）、经度（tag_longitude）、纬度（tag_latitude）以及里程值（tag_kilometer）。

3 高精度轨道电子地图生成系统设计

按数据的采集处理过程，高精度轨道电子地图生成系统由数据采集层、数据处理层、数据校验层、数据存储层4 部分构成，系统总体架构如图2 所示。

图2 高精度轨道电子地图生成系统总体架构Fig.2 Overall architecture of high-precision track electronic map generation system

3.1 数据采集层

数据采集层包括仿真数据采集和实际数据采集。

1）仿真数据采集

当不具备现场采集数据条件时，可通过在无偏高清影像地图软件中人工标注的方式获得仿真标注数据，从而生成用于仿真测试的轨道电子地图数据。

为便于人工标记，可将清除掉无关信息后的线路平面CAD 图导入地图软件作为标注参照。通过设置该条线路实际的“投影分带”“中央经线”以及“平移x”“平移y”“平移z”“旋转α”“旋转β”“旋转γ”“尺度K”7 个参数[10]，可将处理后的线路平面CAD 图精确导入至地图软件中的实际位置处；之后，按照设计里程位置将车站、无岔轨道、道岔、信号机、站台、信标的POI 在地图软件中依次标出；最后，按照源数据类型将标记的POI 分类导出，即可获得仿真标记POI 数据。

2）实际数据采集

实际数据采集由安装于车辆的车载卫星接收机、车载定位数据记录装置、信标读取器，以及地面差分基站协同完成，通过地面差分基站对卫星数据的实时动态差分 (Real-Time Kinematic，RTK)解算，可以实现亚米级的定位精度。

车辆在移动过程中，车载卫星接收机实时接收卫星信号，经完好度检测、滤波、RTK 解算后，车载定位数据记录装置记录车辆的实时轨迹数据，该轨迹数据即轨道线路的地理位置数据，从而实现线路实际数据的自动化采集；同时，本系统与车辆信标读取器相连，当车辆经过信标时，车载定位数据记录装置同时记录信标的ID 和当前的卫星数据，从而实现信标实际数据的自动化采集。

3.2 数据处理层

数据处理层只针对实际采集数据，包括数据约简、基于信标的POI 数据提取、初始源数据构建3个过程。对于仿真标记POI 数据，由于从地图软件导出时已按源数据类型进行分类，因此可直接将其构建为初始源数据。

1）数据约简

实际数据在采集过程中，由于采样间隔过小，当车辆运行速度较慢时，在直线和曲线平缓的轨道区域会采集大量冗余数据[11]，因此，需要在满足一定条件的前提下将冗余采样点剔除。剔除条件为：被剔除采样点距前后最近两个POI 点所在直线的垂直距离不超过一定阈值。

2）基于信标的POI 数据提取

在测量线路实际轨迹数据时，同步记录信标的ID 和实际经、纬度数据。因此，信标采样点为起始点，结合信标复测里程，从而推算出该条实测轨迹数据中其余采样点的里程；再结合无岔轨道的首、尾端点，道岔岔前、岔心、岔后以及信号机的复测里程，将各源数据的POI 经、纬度提取出来。

3.3 数据校验层

为保证最终生成的高精度轨道电子地图准确无误，数据处理层输出的初始源数据需通过数据校验才可存入轨道电子地图数据库中。系统从“设备从属唯一性”“线路数据完整性”“线路首尾衔接性”以及“轨旁设备位置一致性”4 个方面对初始源数据进行校验。

1）设备从属唯一性

设备从属唯一性是检测单个设备在本线路以及本车站从属范围内是否唯一，同时检验设备地理坐标是否均在车站范围内。

2）线路数据完整性

线路数据完整性的检测对象为无岔轨道和道岔。首先，系统判断地理信息表中数据条数与基础信息表中POI 个数是否一致；其次，系统按公里标和地理坐标分别计算无岔轨道或道岔各分岔方向上所有POI 的相距总长度，若公里标长度与地理坐标长度相差较大，则认为数据异常。

3）线路首尾衔接性

线路首尾衔接性检测无岔轨道或道岔线路首尾之间的位置衔接关系。系统首先根据各设备端点之间的地理坐标接近程度，判断设备间的衔接关系。根据线路中无岔轨道、道岔首尾一一衔接的特点，若某端点非线路末端且存在无衔接关系的端点，则判别为断点异常；若某端点存在两个及以上的衔接设备，则判别为多交点异常；若衔接端点的公里标数值不一致，则判别为公里标接续异常。

4）轨旁设备位置一致性

轨旁设备位置一致性主要体现在检测信号机与两侧设备、信标与关联设备的位置一致性。一方面，系统根据轨旁设备的公里标推算出地理坐标，通过与实际地理坐标比较，校验轨旁设备的位置一致性；另一方面，根据轨旁设备及周围POI 点的地理坐标，判断信号机与两侧设备的位置衔接关系以及信标与关联设备的关联关系是否一致。

4 系统测试应用

依托芜湖轨道交通1、2 号线既有工程车辆和相关设备，搭建移动式实际定位数据采集平台，用于测试本系统生成电子地图数据的有效性和准确性。

该平台主要由车载定位天线、车载卫星接收机、定位数据记录装置、车载信标读取器、地面卫星差分基准站构成，车载设备安装于工程车，地面卫星差分基准站安装于控制中心楼顶，可提供周围60 km 范围内的差分地位服务，车地间的通信由既有LTE 通信系统提供，部分设备实物如图3 所示。

图3 移动式定位数据采集平台部分实物Fig.3 Part of the mobile positioning data acquisition platform

测试共采集芜湖轨道交通1、2 号线上、下行线路近百公里，生成了全线的高精度轨道电子地图数据。经现场测试应用，本系统生成的高精度轨道电子地图数据可以满足车辆位置匹配和图形界面可视化服务，生成的部分区域电子地图界面如图4 所示。

图4 生成的高精度轨道电子地图区域界面Fig.4 Generated high-precision track electronic map area interface

5 结论

本文设计并实现了适用于单轨等中小运量轨道交通的高精度轨道电子地图自动化生成系统，并在芜湖轨道交通1、2 号线取得了良好的现场应用效果。系统以生成电子地图源数据文件为主要目标，可分别对仿真标记数据和现场采集数据进行处理，数据处理和验证过程均自动完成，极大提高了电子地图制作的准确性和效率。