CN103743920B - 基于单传感器的地铁列车测速方法及装置 - Google Patents
基于单传感器的地铁列车测速方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于单传感器的地铁列车测速方法及装置，涉及轨道交通技术领域，本发明根据列车性能参数，判断速度传感器的实际测速值是否超出正常范围，以确认是否发生了车轮空滑或瞬时测速故障，若认定测速值不正常，则估算出可信测速值，提高了测速的准确性和有效性，避免了在速传车轮空滑或速度传感器瞬时故障的情况下，测速系统测速无效，通过对速度传感器自身测速结果的检测和处理，保证了系统的安全性，也大大提高了系统的可用性。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种基于单传感器的地铁列车测速方法及装置。
背景技术
随着城市轨道交通的迅速发展，准时、低运行间隔成为发展目标，因此要求信号系统具有高度的自动化及智能化。通过信号系统核心设备即车载自动防护系统(ATP)来保证轨道交通的安全运行。车载ATP设备通过采集当前的列车速度，根据地面控制设备传送的速度等控制信息，来防止列车超速以及闯信号等危险事件。而车载ATP设备所有的防护功能基准是采集的速度必须可靠，真实反映出当前的速度。因此一般采用通过速度传感器来精确测试速度。轮轴脉冲速度传感器(下面简称速度传感器)的原理基于检测车轮的转动次数来精确计算出速度。而车轮在牵引或制动过程中容易出现空转或者打滑(下面简称空滑)，且在低速时有不小的机率车轮抱死。
但目前的一种廉价且简单易行的测速方案为基于单个速度传感器的模型。当速度传感器发生空滑时，这时已经没有任何辅助速度传感器检测速度传感器是否发生空滑，此时速度传感器的测量速度将非常不可信。
通常情况下，速度传感器测速稳定性都较好。但是在使用过程中发现，如果速度传感器安装在动力轮上，在大功率动力输出阶段，动力轮很容易发生空转；如果速度传感器安装在从动轮上，在较大制动力输出阶段，从动轮很容易发生滑行，在暴雨、大雪等恶劣天气(尤其是路轨积水、结冰)，车轮空滑的情况将会更为严重，由于轮轴脉冲速度传感器测速原理的天然缺陷，速度传感器会受到很大的影响，给出错误的测速结果，而速度传感器本身的软硬件系统也总是会有一定故障几率，在某些时刻会给出具有较大偏差的测速结果，当速度传感器受到车轮空滑的不良影响，测速系统将无法正确提供测速，这时可以通过测速值的阶跃性变化来判断是否发生了空滑，从而判断测速是否有效。但速度传感器如果发生了瞬时测速误差偏大，这时也无法正常判断速度传感器是否发生空滑，会出现误判的测速无效，降低了系统的可用性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提高测速的准确性和有效性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于单传感器的地铁列车测速方法，所述方法包括以下步骤：
S1：获取当前采样周期的实际测速值，并判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围，若是，则执行步骤S2，若否，则直接将所述当前采样周期的实际测速值作为可信测速值；
S2：对前N个采样周期的可信测速值计算频域功率谱密度，计算所述频域功率谱密度中大于预设频率的部分的能量总和，并将所述能量总和与能量阈值进行比较，若所述能量总和大于所述能量阈值，则执行步骤S3，否则直接执行步骤S4；
S3：对所述前N个采样周期的可信测速值进行滤波，以滤除大于滤波截止频率的高频部分；
S4：将所述前N个采样周期的可信测速值进行曲线拟合，并根据拟合结果和当前采样周期的时间点进行数据外推，以获得当前采样周期的估算速度值，并将所述估算速度值作为可信测速值。
其中，步骤S1中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
S101：计算所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值之差的第一绝对值，并将所述第一绝对值与速度阈值进行比较，若所述第一绝对值大于所述速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
其中，步骤S1中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
S102：根据所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值计算加速度的第二绝对值，并将所述第二绝对值与加速度阈值进行比较，若所述第二绝对值大于所述加速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
其中，步骤S4中的曲线拟合为线性拟合、多项式曲线拟合、二次曲线拟合或曲线板拟合。
其中，步骤S3中，对所述前N个采样周期的可信测速值通过有限冲击响应滤波器、无限冲击响应滤波器或卡尔曼滤波器进行滤波。
本发明还公开了一种基于单传感器的地铁列车测速装置，所述装置包括：
获取判断模块，用于获取当前采样周期的实际测速值，并判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围，若否，则直接将所述当前采样周期的实际测速值作为可信测速值；
能量比较模块，用于对前N个采样周期的可信测速值计算频域功率谱密度，计算所述频域功率谱密度中大于预设频率的部分的能量总和，并将所述能量总和与能量阈值进行比较；
滤波模块，用于对所述前N个采样周期的可信测速值进行滤波，以滤除大于滤波截止频率的高频部分；
拟合外推模块，用于将所述前N个采样周期的可信测速值进行曲线拟合，并根据拟合结果和当前采样周期的时间点进行数据外推，以获得当前采样周期的估算速度值，并将所述估算速度值作为可信测速值。
其中，所述获取判断模块中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
计算所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值之差的第一绝对值，并将所述第一绝对值与速度阈值进行比较，若所述第一绝对值大于所述速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
其中，所述获取判断模块中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
根据所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值计算加速度的第二绝对值，并将所述第二绝对值与加速度阈值进行比较，若所述第二绝对值大于所述加速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
其中，所述拟合外推模块中的曲线拟合为线性拟合、多项式曲线拟合、二次曲线拟合或曲线板拟合。
其中，所述滤波模块中对所述前N个采样周期的可信测速值通过有限冲击响应滤波器、无限冲击响应滤波器或卡尔曼滤波器进行滤波。
(三)有益效果
本发明根据列车性能参数，对速度传感器的实际测速值，先检测其变化率，进一步确认是否发生了车轮空滑或瞬时测速故障，若认定测速值不正常，则估算出可信测速值，提高了测速的准确性和有效性，避免了在速传车轮空滑或速度传感器瞬时故障的情况下，测速系统测速无效，通过对速度传感器自身测速结果的检测和处理，保证了系统的安全性，也大大提高了系统的可用性。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的基于单传感器的地铁列车测速方法的流程框图；
图2是实际测速值的示意图；
图3是前N个采样周期的可信测速值对应的频域功率谱密度示意图；
图4是对前N个采样周期的可信测速值进行低通滤波的示意图；
图5是曲线拟合、数据外推获得当前周期的可信测速值的示意图；
图6是本发明一种实施方式的基于单传感器的地铁列车测速装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明一种实施方式的基于单传感器的地铁列车测速方法的流程框图；参照图1，所述方法包括以下步骤：
S1：获取当前采样周期的实际测速值，参照图2，并判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围，若是，则执行步骤S2，若否，则直接将所述当前采样周期的实际测速值作为可信测速值；
S2：对前N个采样周期的可信测速值计算频域功率谱密度(所述前N个采样周期为离散的，本实施方式中通过取离散傅里叶变换幅度平方值来计算离散速度值频域功率谱密度)，参照图3，计算所述频域功率谱密度中大于预设频率f0的部分的能量总和，并将所述能量总和与能量阈值进行比较，若所述能量总和大于所述能量阈值，则执行步骤S3，否则直接执行步骤S4；
本步骤中，通过比较结果，可以判断出之前若干个周期的可信测速值连续性变化是否理想，如果不理想，则认为该速度传感器发生了传感器车轮空滑或者是测速瞬时误差偏大，需要对前N个采样周期的可信测速值进行低通滤波，以削减频域的高频部分，反之，则无需进行滤波。
S3：参照图4，对所述之前N个周期的可信测速值进行滤波(此处可采用低通滤波、带通滤波等方式来实现滤波，本实施方式中采用低通滤波来实现)，以滤除大于滤波截止频率的高频部分(滤波截止频率可适当大于预设频率f0)；
S4：参照图5，将所述前N个采样周期的可信测速值(此处的前N个采样周期的可信测速值，若流程是执行过步骤S3的，则为进行低通滤波后的前N个采样周期的可信测速值)进行曲线拟合，并根据拟合结果和当前采样周期的时间点进行数据外推，以获得当前采样周期的估算速度值，并将所述估算速度值作为可信测速值。
由于高、中、低速下正常的速度变化率应该是从大到小各不相同的，在本实施方式中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围可通过两种方式，第一种为：
S101：计算所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值之差的第一绝对值，并将所述第一绝对值与速度阈值进行比较，若所述第一绝对值大于所述速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
第二种为：
S102：根据所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值计算加速度的第二绝对值，并将所述第二绝对值与加速度阈值进行比较，若所述第二绝对值大于所述加速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
优选地，步骤S4中的曲线拟合为线性拟合、多项式曲线拟合、二次曲线拟合或曲线板拟合。
优选地，步骤S3中，对所述前N个采样周期的可信测速值通过有限冲击响应滤波器、无限冲击响应滤波器或卡尔曼滤波器进行滤波。
本发明还公开了一种基于单传感器的地铁列车测速装置，参照图6，所述装置包括：
获取判断模块，用于获取当前采样周期的实际测速值，并判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围，若否，则直接将所述当前采样周期的实际测速值作为可信测速值；
能量比较模块，用于对前N个采样周期的可信测速值计算频域功率谱密度，计算所述频域功率谱密度中大于预设频率的部分的能量总和，并将所述能量总和与能量阈值进行比较；
滤波模块，用于对所述前N个采样周期的可信测速值进行滤波，以滤除大于滤波截止频率的高频部分；
拟合外推模块，用于将所述前N个采样周期的可信测速值(此处的前N个采样周期的可信测速值，若是滤波模块传输来的，则为进行低通滤波后的前N个采样周期的可信测速值)进行曲线拟合，并根据拟合结果和当前采样周期的时间点进行数据外推，以获得当前采样周期的估算速度值，并将所述估算速度值作为可信测速值。
优选地，所述获取判断模块中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
计算所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值之差的第一绝对值，并将所述第一绝对值与速度阈值进行比较，若所述第一绝对值大于所述速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
优选地，所述获取判断模块中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
根据所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值计算加速度的第二绝对值，并将所述第二绝对值与加速度阈值进行比较，若所述第二绝对值大于所述加速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
优选地，所述拟合外推模块中的曲线拟合为线性拟合、多项式曲线拟合、二次曲线拟合或曲线板拟合。
优选地，所述滤波模块中对所述前N个采样周期的可信测速值通过有限冲击响应滤波器、无限冲击响应滤波器或卡尔曼滤波器进行滤波。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种基于单传感器的地铁列车测速方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：获取当前采样周期的实际测速值，并判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围，若是，则执行步骤S2，若否，则直接将所述当前采样周期的实际测速值作为可信测速值；
S2：对前N个采样周期的可信测速值计算频域功率谱密度，计算所述频域功率谱密度中大于预设频率的部分的能量总和，并将所述能量总和与能量阈值进行比较，若所述能量总和大于所述能量阈值，则执行步骤S3，否则直接执行步骤S4；
S3：对所述前N个采样周期的可信测速值进行滤波，以滤除大于滤波截止频率的高频部分；
S4：将所述前N个采样周期的可信测速值进行曲线拟合，并根据拟合结果和当前采样周期的时间点进行数据外推，以获得当前采样周期的估算速度值，并将所述估算速度值作为可信测速值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
计算所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值之差的第一绝对值，并将所述第一绝对值与速度阈值进行比较，若所述第一绝对值大于所述速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
根据所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值计算加速度的第二绝对值，并将所述第二绝对值与加速度阈值进行比较，若所述第二绝对值大于所述加速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤S4中的曲线拟合为线性拟合、多项式曲线拟合、二次曲线拟合或曲线板拟合。
5.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤S3中，对所述前N个采样周期的可信测速值通过有限冲击响应滤波器、无限冲击响应滤波器或卡尔曼滤波器进行滤波。
6.一种基于单传感器的地铁列车测速装置，其特征在于，所述装置包括：
获取判断模块，用于获取当前采样周期的实际测速值，并判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围，若是，则由能量比较模块执行，若否，则直接将所述当前采样周期的实际测速值作为可信测速值；
能量比较模块，用于对前N个采样周期的可信测速值计算频域功率谱密度，计算所述频域功率谱密度中大于预设频率的部分的能量总和，并将所述能量总和与能量阈值进行比较；若所述能量总和大于所述能量阈值，则由滤波模块执行，若否则由拟合外推模块执行；
滤波模块，用于对所述前N个采样周期的可信测速值进行滤波，以滤除大于滤波截止频率的高频部分；
拟合外推模块，用于将所述前N个采样周期的可信测速值进行曲线拟合，并根据拟合结果和当前采样周期的时间点进行数据外推，以获得当前采样周期的估算速度值，并将所述估算速度值作为可信测速值。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取判断模块中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
计算所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值之差的第一绝对值，并将所述第一绝对值与速度阈值进行比较，若所述第一绝对值大于所述速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取判断模块中，判断所述当前采样周期的实际测速值是否超出正常范围包括：
根据所述当前采样周期的实际测速值与前1个采样周期的可信测速值计算加速度的第二绝对值，并将所述第二绝对值与加速度阈值进行比较，若所述第二绝对值大于所述加速度阈值，则判定为所述当前采样周期的实际测速值超出了正常范围，否则判定为所述当前采样周期的实际测速值未超出正常范围。
9.如权利要求6～8中任一项所述的装置，其特征在于，所述拟合外推模块中的曲线拟合为线性拟合、多项式曲线拟合、二次曲线拟合或曲线板拟合。
10.如权利要求6～8中任一项所述的装置，其特征在于，所述滤波模块中对所述前N个采样周期的可信测速值通过有限冲击响应滤波器、无限冲击响应滤波器或卡尔曼滤波器进行滤波。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Seahawks 6 School Road, No. 2, No. 3 international headquarters building Applicant after: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Applicant before: Beijing Traffic Control Technology Co., Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191206 Address after: Room 302-5, building C02, North Fuyuan Road, Wuqing Development Zone, Wuqing District, Tianjin (centralized office area) Patentee after: Tianjin jiaokong Haohai Technology Co., Ltd Address before: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Seahawks Hospital No. 6 2, No. 3 (Park) Patentee before: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Address after: Room 302-5, zhongdubu302, business headquarters base C02, North Fuyuan Road, Wuqing Development Zone, Wuqing District, Tianjin (centralized office area) Patentee after: Traffic control technology equipment Co.,Ltd. Address before: Room 302-5, building C02, North Fuyuan Road, Wuqing Development Zone, Wuqing District, Tianjin (centralized office area) Patentee before: Tianjin jiaokong Haohai Technology Co.,Ltd. |