铁路运输具有运量大、能耗少,排量低等优势,是我国综合运输体系的骨干和主要运输方式之一,在经济社会发展中的地位和作用至关重要。为确保行车安全、提高铁路运输效率,列车定位系统需为列车运行控制体统提供列车位置、速度等运动信息及轨道占用状态。基于车载设备的列车自主定位是下一代列车运行控制系统的发展方向。目前常见的基于列车自主定位信息的轨道占用识别主要基于GNSS定位信息实现,其误差水平在某些铁路运行环境下可能导致轨道占用的错误识别。道岔是列车轨道占用识别的主要场景,激光雷达能够实现对道岔的自主检测,为列车轨道占用识别提供额外的轨道拓扑信息,从而提高列车在平行轨道区段和道岔区段的轨道占用识别能力。本文立足于列车自主定位中的轨道占用识别问题,对将基于激光雷达的轨道与道岔检测应用于轨道占用识别存在的问题进行了分析。首先基于铁路轨道的几何拓扑结构提出对激光雷达传感器的性能需求,提出列车运行环境噪声干扰下的轨道与道岔检测方法;构建基于贝叶斯建模的列车位置状态感知框架,利用数字轨道地图的辅助实现GNSS与速度测量的融合从而完成列车一维位置求解;建立轨道及道岔检测模型并引入列车位置状态感知框架,形成基于轨道事件概率模型的轨道占用状态识别方法;基于通过现场实验数据处理获得的统计结果对提出方法的性能进行了集成验证。论文主要包括以下研究内容:(1)分析了铁路轨道与道岔检测对激光雷达传感器的性能需求,考虑不同列车运行线路条件下轨道的空间分布特点及其在激光雷达点云数据中的分布特征,基于列车运行速度等约束条件及轨道检测的具体需求,提出对应的激光雷达传感器的性能参数指标,并结合特定安装条件提出适用于轨道检测的激光雷达标定方法。总结分析铁路场景特点及轨道结构特征,参考公路环境下的目标检测方法,给出采用激光雷达进行轨道检测的基本方案。(2)提出了基于时空特征的铁路轨道拓扑检测方法。根据单次扫描中的钢轨特征,基于模型匹配思想完成钢轨关键点提取,以钢轨的纵向连续性与轨道的横向关联特征为判别准则实现轨道检测。针对道岔结构的时空分布特点,提出基于轨道拓扑事件的分支方向预检测方法,减小了列车经过道岔后完成分支方向检测所需的距离损耗。(3)提出了基于贝叶斯建模的列车位置状态感知方法。基于GNSS测量信息计算获得GNSS定位位置的垂足曲线,提出考虑GNSS方向相关定位误差的地图匹配算法,在数字轨道地图辅助下与速度测量融合实现列车一维位置解算。基于贝叶斯概率模型构建列车位置状态感知框架,把位置变量引入不同轨道假设的概率计算过程,解决在道岔区段的列车位置模糊判决问题,提高了轨道占用识别效率,将列车位置决策与轨道占用状态识别有效结合起来。(4)提出了基于轨道事件概率模型的轨道占用状态识别方法。基于数字轨道地图建立道岔距离检测、道岔通过方向检测及轨道拓扑检测模型,对隐分支假设进行扩展构建了更适用于列车轨道占用识别场景的基于路线的位置假设。对各类检测的准确性进行统计分析,将各轨道事件引入既有贝叶斯定位框架,解决了轨道与道岔信息与既有列车位置状态感知框架的融合问题,显著提高了轨道占用识别的效率与准确性。论文构建了基于GNSS、速度传感器、激光雷达等多源传感器的列车轨道占用识别软件验证系统,基于现场实验数据及通过翻转获得的虚拟数据中的大量轨道占用识别场景,验证了本文提出的轨道占用识别方法具有更高的效率与准确性,其成果可以为下一代列车运行控制系统中的列车轨道占用识别系统与方案的研发与设计及其他相关关键技术与规范的研究提供较高的理论参考价值。