CN111098894A - 一种基于轨道曲线特征的列车定位方法及系统 - Google Patents

一种基于轨道曲线特征的列车定位方法及系统 Download PDF

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CN111098894A CN201911285099.3A CN201911285099A CN111098894A CN 111098894 A CN111098894 A CN 111098894A CN 201911285099 A CN201911285099 A CN 201911285099A CN 111098894 A CN111098894 A CN 111098894A
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Abstract

本发明实施例提供一种基于轨道曲线特征的列车定位方法及系统，包括：获取列车在定位时的定位数据；对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹；根据铁路轨道的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定列车的运行线路；基于投影法，根据定位数据在运行线路上的投影点，判断列车位于运行线路上的运行区段；确定列车位于运行线路的直线段，则利用直线投影法在运行线路上确定所述列车的定位，否则利用曲线拟合方法确定所述列车的定位。本发明实施例根据列车定位数据拟合出列车的行驶轨迹，并将该行驶轨迹与电子地图进行匹配，依次分析出待定位列车的运行线路、运行区段以及准确的定位位置，有效的提高了全线路的列车定位精度。

Description

一种基于轨道曲线特征的列车定位方法及系统
技术领域
本发明涉及铁路交通技术领域，尤其涉及一种基于轨道曲线特征的列车定位方法及系统。
背景技术
在列车运行系统中，实时获取精确的列车位置信息对于列车的安全行驶非常重要。列车位置是列车控制、路径诱导、紧急救援、出行信息服务、列车调度等各种应用的关键所在。
目前，常用的列车定位方法有：基于速度编码器的里程累加定位方法、基于测速的定位方法、基于点式应答器的定位方法、基于车载列控里程信息的定位方法、基于卫星系统的定位方法、基于电子射频标签的定位方法等。但基于速度编码器和测速的方法会存在误差累积；基于点式应答器和电子射频标签的方法不能获取连续的列车位置信息；车载列控定位的数据传输距离受限；卫星系统的定位误差较大，尤其在隧道、山区等信号差的地方，甚至不能获取列车位置信息。甚至，现有技术中还采用组合定位的方式，即将上述几种定位方法进行组合，来弥补彼此之间的缺点，但是在隧道、山区等地方都存在定位误差大、定位精度弱的缺陷。
因此，提供一种能够快速、精准的完成列车实时定位的方法，成为当前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于轨道曲线特征的列车定位方法及系统，用以解决现有技术中对于列车精准定位方面定位精度差，或者不能获取连续位置信息的缺陷。
第一方面，本发明实施例提供一种基于轨道曲线特征的列车定位方法，包括：获取列车在定位时的定位数据；对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹；根据铁路轨道的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定所述列车的运行线路；基于投影法，根据定位数据在运行线路上的投影点，判断列车位于所述运行线路上的运行区段；确定列车位于运行线路的直线段，则利用直线投影法在运行线路上确定列车的定位。
进一步地，在本发明实施例提供的基于轨道曲线特征的列车定位方法，还包括，在确定所述列车位于运行线路的非直线段，则利用曲线拟合法在运行线路上确定所述列车的定位。
进一步地，上述对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹，包括：利用三次B样条曲线对所述定位数据进行拟合，具体为：根据定位数据求解三次B样条曲线的控制顶点；利用三次B样条曲线模型拟合列车的行驶轨迹。
进一步地，上述所述根据定位数据求解三次B样条曲线的控制顶点，包括：
Figure BDA0002317754750000021
其中，Pi(i＝0，1，2…n+1)为控制顶点，Qi(i＝1，2，…n)为列车定位数据。
进一步地，在上述利用三次B样条曲线模型拟合列车的行驶轨迹中，三次B样条曲线模型为：
Figure BDA0002317754750000022
Figure BDA0002317754750000031
Figure BDA0002317754750000032
其中，Pi，3(u)为每段3次B样条曲线的控制顶点；Gi，3(u)是3次B样条曲线的基函数(i＝0、1、2、3)；G为3次B样条曲线的基函数矩阵；X、Y分别是每段3次B样条曲线控制顶点的坐标向量，(Xu，Yu)为3次B样条曲线上的点。
进一步地，上述根据铁路轨道的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定列车的运行线路，包括：在铁路线路地图上，按照直线段-缓和曲线段-圆曲线段-缓和曲线段-直线段相循环的形式对铁路线路进行划分；利用三次多项式拟合所有缓和曲线段的坐标点，并利用圆曲线公式拟合所有圆曲线段的坐标点，获取电子地图曲线模型；以列车的行驶轨迹为中心，确定缓冲区域；确定位于缓冲区域内的候选线路，并将候选线路中的匹配度最大的一条候选线路设定为列车的运行线路。
进一步地，上述确定位于缓冲区域内的候选线路，并将候选线路中的匹配度最大的一条候选线路设定为所述列车的运行线路，包括：
确定缓冲区内只有一条候选线路，则将候选线路设为所述列车的运行线路；
确定缓冲区内有多条候选线路，则计算每一条候选线路的匹配度，并将匹配度最大的一条候选线路设定为所述列车的运行线路；
其中，计算每一条候选线路的匹配度的公式为：
Figure BDA0002317754750000033
其中，fj是第j条候选线路的匹配度，σj为第j条候选线路与定位数据的偏离程度，ρj为第j条候选线路的方向变化与定位数据的方向变化之间的相关系数。
进一步地，上述基于投影法，根据定位数据在运行线路上的投影点，判断列车位于所述运行线路上的运行区段，包括：
根据定位数据，确定列车的运行方向以及列车定位坐标；根据运行方向，确定在电子地图上距离列车定位坐标前后方最近的前特征点和后特征点；确定前特征点为直缓点且后特征点为缓直点，则判断列车位于运行线路上的直线段上；否则，判断列车位于运行线路上的非直线段上。
进一步地，上述利用直线投影法在所述运行线路上确定列车的定位，包括：
通过列车定位坐标向前特征点和后特征点之间的连线作垂线，获取交点为定位数据在电子地图上的投影点；
计算投影点的坐标(X2,Y2)：
Figure BDA0002317754750000041
Figure BDA0002317754750000042
其中，(X1，Y1)为列车定位坐标，K1和K2为中间系数，(XZH，YZH)为前特征点的坐标，(XHZ，YHZ)为后特征点的坐标。
进一步地，上述利用曲线拟合法在所述运行线路上确定列车的定位，包括：
计算运行线路上每个点的斜率；确定运行线路上的点A的斜率偏差范围位于[-ξ，ξ]范围内，则将该点A设置为列车的定位点；其中，ξ为列车定位数据中的方向误差的反正切值。
进一步地，上述利用三次多项式拟合所有缓和曲线段的坐标点，包括：
建立缓和曲线段模型：Y＝a0+a1×X+a2×X2+a3×X3；
利用最小二乘法获取缓和曲线段模型中的模型参数a0、a1、a2与a3的取值，包括：根据最小二乘法，获取模型参数a0、a1、a2与a3的均方误差：
Figure BDA0002317754750000051
利用如下法方程：
Figure BDA0002317754750000052
计算模型参数a0，a1，a2，a3，其中(Xm，Ym)为第m个列车定位点的坐标，A为m*4的系数矩阵，AT为矩阵A的转置矩阵。
进一步地，上述利用圆曲线公式拟合所有圆曲线段的坐标点，包括：
建立圆曲线段模型：
(Xi-a)2+(Yi-b)2＝R2,(i＝1,2,...n)，
其中，(a，b)为圆曲线段的圆心坐标，R为圆曲线段的圆半径；结合圆心坐标求解方程：
Figure BDA0002317754750000053
计算圆心坐标(a，b)的值，并根据铁路线路地图获取R的取值，从而确定所述圆曲线段的坐标点。
第二方面，本发明实施例提供一种基于轨道曲线特征的列车定位系统，包括：参数获取单元、数据拟合单元、第一运算单元、第二运算单元和第三运算单元，其中：
参数获取单元，用于获取列车在定位时的定位数据和铁路轨道的电子地图；数据拟合单元，用于对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹；第一运算单元，用于根据列车所在的运行区间的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定列车的运行线路；第二运算单元，用于基于投影法，根据定位数据在运行线路上的投影点，判断列车位于运行线路上的运行区段；第三运算单元，用于确定列车是位于运行线路的直线段，则利用直线投影法在运行线路上确定列车的定位，否则利用曲线拟合法在运行线路上确定列车的定位。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中处理器执行程序时实现如第一方面任一项所述基于轨道曲线特征的列车定位方法的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面任一项所述基于轨道曲线特征的列车定位方法的步骤。
本发明实施例提供的基于轨道曲线特征的列车定位方法及系统，通过将整个铁路线路按照路径形状划分为不同线型的组合，进而可以根据待定位列车在定位之前一段距离的定位数据，以拟合出列车的行驶轨迹，并根据该行驶轨迹，依次分析出待定位列车的运行线路、运行区段以及准确的定位位置，有效的提高了全线路的匹配精度，以及列车定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于轨道曲线特征的列车定位方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于轨道曲线特征的列车定位方法中三次B样条曲线的拟合过程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于轨道曲线特征的列车定位方法中三次B样条曲线的拟合结果示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于轨道曲线特征的列车定位方法中候选线路的缓冲区域构建示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于轨道曲线特征的列车定位方法中运用的投影法的计算示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于轨道曲线特征的列车定位系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种基于轨道曲线特征的列车定位方法的流程示意图；
图8为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于现有技术中对于列车定位的方法，包括基于速度编码器的里程累加定位方法、基于测速的定位方法、基于点式应答器的定位方法、基于车载列控里程信息的定位方法、基于卫星系统的定位方法、基于电子射频标签的定位方法等，都在某一方面存在不足，即使采用将上述几种定位方法进行组合定位的方式，来弥补彼此之间的缺陷，依然存在定位误差。
本发明实施例提供的基于电子地图的列车定位方式，通过将测量的定位数据与电子地图进行匹配来提高列车的定位精度的方法，在匹配时，利用列车轨道的几何信息，通过投影法确定出列车在地址地图上最可能出现的运行线路以及在该运行线路上最可能出现的运行区段；并根据运行区段的轨道特性，采用不同的方式确定出列车的准确定位。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于轨道曲线特征的列车定位方法，包括但不限于以下步骤：
步骤S1：获取列车在定位时的定位数据；
步骤S2：对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹；
步骤S3：根据列车所在的运行区间的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定列车的运行线路；
步骤S4：基于投影法，根据定位数据在运行线路上的投影点，判断列车位于运行线路上的运行区段；
步骤S5：确定列车位于运行线路的直线段，则利用直线投影法在运行线路上确定列车的定位，否则利用曲线拟合法在运行线路上确定列车的定位。
其中，在步骤S1中的列车定位数据，主要包括列车的实时经度(X)、实时纬度(Y)以及列车运行方向(β)。其中，获取列车的实时经度(X)、实时纬度(Y)可以是借助于随车GPS装置等来实现；获取列车的实时运行方向可以通过设置在车头部位的陀螺仪进行实时检测；在本实施例可以通过设置于列车上的速度里程计综合获取列车定位数据，具体包括获取某一检测时刻之前的一段时间内的连续定位数据。
由于铁路线路是由一系列简单的基本元素构成的复合曲线，一般的可以通过将直线、缓和曲线和圆曲线按照不同的组合方式相互连接，可以构成不同线型。《TB10098-2017铁路线路设计规范》(简称线规)中规定直线与圆曲线间采用三次抛物线缓和曲线连接。在本发明实施例的步骤S2中，对获取的连续定位数据进行拟合，可以采用上述方法通过对连续的定位数据进行拟合，从而获取到由直线、缓和曲线以及圆曲线构成的拟合行驶轨迹，还拟合轨迹则反映出在待测时刻前一段距离内的列车实时行车轨迹。
进一步地，步骤S3主要包括：将步骤S2中获取的拟合行驶轨迹与该运行区间内的电子地图进行匹配比对，主要是根据拟合行驶轨迹在地图上确定出与该拟合行驶轨迹最相近(匹配度最高)的运行线路。需要说明的是，在步骤S1中，获取到的列车定位数据越多，那么对于运行线路进行确定的准确度越大。
进一步地，在步骤S4中，还可以根据投影法，获取拟合行驶轨迹向步骤S3中所选取的运行线路进行投影，并根据投影所在的位置，根据运行线路的轨道几何信息，判断出该拟合行驶轨迹的终点(即列车当前位置)所处的区段，以及区段是位于直线段还是非直线段(缓和曲线段或者圆曲线段)。
进一步地，在步骤S51中，若确定列车当前位置位于运行线路的直线段时，则可以利用直线投影法，获取列车当前位置在运行线路上的投影点，以获取到列车的定位。
本发明实施例提供的基于轨道曲线特征的列车定位方法，通过将整个铁路线路按照路径形状划分为不同线型的组合，进而可以根据待定位列车在定位之前一段距离的定位数据，以拟合出列车的行驶轨迹，并根据该行驶轨迹，依次分析出待定位列车的运行线路、运行区段以及准确的定位位置，有效的提高了全线路的匹配精度，以及列车定位精度。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若在步骤S4中，判断出列车位于运行线路的非直线段，则在步骤S52中，利用曲线拟合法在运行线路上确定列车的定位。
具体地，还可以进一步地确定该非直线段是缓和曲线段或者是圆曲线段，并根据曲线拟合法，获取行驶轨迹上每个点的斜率，以及电子地图上运行区段的斜率，并将行驶轨迹上每个点与运行区段的斜率进行比对，获取运行区段上斜率最相近的点，作为列车的定位点。
本发明实施例提供的基于轨道曲线特征的列车定位方法，建立了一种基于曲线拟合的电子地图匹配算法，通过对直线段和非直线段进行不同的曲线拟合以及投影，实现轨道特征点的高精度及高效率匹配，提高全线路的匹配精度。
基于上述内容，作为一种可选实施例，上述对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹，包括：利用三次B样条曲线对所述定位数据进行拟合，具体为：根据定位数据求解三次B样条曲线的控制顶点；利用三次B样条曲线模型拟合列车的行驶轨迹。
具体地，利用三次B样条曲线来拟合列车定位数据，曲线模型如下：
Figure BDA0002317754750000091
其中，Pi，3(u)为每段3次B样条曲线的控制顶点；Gi，3(u)是3次B样条曲线的基函数(i＝0、1、2、3)，如下所示：
Figure BDA0002317754750000101
其矩阵形式为：
Figure BDA0002317754750000102
其中，G为3次B样条曲线的基函数矩阵；X、Y分别是每段3次B样条曲线控制顶点的坐标向量，(Xu，Yu)为3次B样条曲线上的点。
如图2所示，在本实施例中利用三次B样条曲线对离散的定位数据进行拟合获取光滑的行驶轨迹，包括但不限于以下步骤：
首先，利用多组定位数据(每组定位数据包括拟合行驶轨迹上某一点的经纬度以及列车的运行方向)，确定出控制顶点，记为P0、P1、P2…Pn。
在利用三次B样条曲线进行行驶轨迹拟合时，如三次B样条曲线模型所示，第一次利用P0、P1、P2以及P3这四个控制顶点进行拟合，根据u的连续取值，获取与上述4个控制顶点相对应的部分拟合曲线；然后继续利用P1、P2、P3以及P4在上一步骤所获取的部分拟合曲线后继续进行下一段部分曲线的拟合，并依次迭代(即将控制顶点定位诗句获取的先后顺序依次向后移动n-3次)直至获取到与Pn-3、Pn-2、Pn-1以及Pn相对应的部分拟合曲线，最后将所有的部分拟合曲线组合，构成列车的行驶轨迹，左后的结果如图2所示。
进一步地，在本发明实施例中还提供了一种根据定位数据求解三次B样条曲线的控制顶点的方法，包括：
Figure BDA0002317754750000111
其中，Pi(i＝0，1，2…n+1)为控制顶点，Qi(i＝1，2，…n)为列车定位数据。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述根据列车所在的运行区间的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定列车的运行线路，包括但不限于以下步骤：
在铁路线路地图上，按照直线段-缓和曲线段-圆曲线段-缓和曲线段-直线段相循环的形式对铁路线路进行划分；利用三次多项式拟合所有缓和曲线段的坐标点，并利用圆曲线公式拟合所有圆曲线段的坐标点，获取电子地图曲线模型；以列车的行驶轨迹为中心，确定缓冲区域；确定位于缓冲区域内的候选线路，并将候选线路中的匹配度最大的一条候选线路设定为所述列车的运行线路。
其中，对铁路线路按照直线段、缓和曲线段以及圆曲线段进行组合，常见的组合形式有：直线段-缓和曲线段-圆曲线段-缓和曲线段-直线段，并由此循环，顺序组合构成。因此铁路线路所构成的铁路曲线有四个特征点，直缓点(ZH点)：直线段到缓和曲线段的过渡点；缓圆点(HY点)：缓和曲线段到圆曲线段的过渡点；圆缓点(YH点)：圆曲线段到缓和曲线段的过渡点；缓直点(HZ点)：缓和曲线段2到直线段2的过渡点。在铁路曲线的不同曲线段，有不同的几何特征，具体为：
1)在直线段上，线路方向和曲率半径不变；
2)在直线段与缓和曲线段的过渡点(ZH点)，线路方向和曲率半径开始变化，直到HY点时，曲率半径变成圆曲线半径；
3)在缓和曲线段与圆曲线段的过渡点(HY点)，曲率半径不变，直到圆曲线段与缓和曲线段的过渡点(YH点)，曲率半径开始变化；
4)在缓和曲线段与直线段的过渡点(HZ点)，线路方向和曲率半径成为一个固定值，之后一直保持不变，直到列车驶入下一个缓和曲线，线路方向和曲率半径按照上述规则进行变化。
因此，在本发明实施例中通过利用特征点位置的斜率和曲率的变化特征来获取特征点位置，包括：ZH点、HY点、YH点、HZ点。
进一步地，如图4所示，首先通过步骤S2所述，获取到列车的拟合行驶轨迹。并进一步的，以拟合行驶轨迹l1为中心线，确定出缓冲区域的边界，即由边界线l2和边界线l3所组成的区域。其中缓冲区域的设定，可以根据定位的收敛性以及置信度要求，进行测试实验后获取。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中确定位于缓冲区域内的候选线路，并将候选线路中的匹配度最大的一条候选线路设定为列车的运行线路，包括：
若确定缓冲区内只有一条候选线路，则将候选线路设为所述列车的运行线路；若确定缓冲区内有多条候选线路，则计算每一条候选线路的匹配度，并将匹配度最大的一条候选线路设定为列车的运行线路；
其中计算每一条候选线路的匹配度的公式为：
Figure BDA0002317754750000121
fj是第j条候选线路的匹配度，σj为第j条候选线路与定位数据的偏离程度，ρj为第j条候选线路的方向变化与定位数据的方向变化之间的相关系数。
具体地，在判断电子地图上的任意一条曲线是否位于缓冲区内时，首先计算曲线上的点与拟合曲线的垂直距离，如果垂直距离小于或者等于列车定位误差的坐标点个数占比大于或等于设定阈值(例如95％)时，则判断出该曲线可以作为一条候选线路。其中，列车定位误差可以是缓冲区边界值拟合曲线的最大垂直距离。
进一步地，若经过上述计算，对列车所在的运行区间的电子地图上的所有曲线进行判断，将落在缓冲区范围内的线路作为候选线路，如果缓冲区内只有一条候选线路，那么此线路就是列车运行线路。如果缓冲区内没有候选线路，那么列车运行线路匹配失败，将采用原始的定位数据作为列车的位置，也可以在预设时间后再次利用本实施例提供的方法进行列车定位。如果，缓冲区内存在多条候选线路，那么需要计算每条候选线路的匹配度fj，将匹配度最大的作为列车运行线路。
计算每一条候选线路的匹配度的公式为：
Figure BDA0002317754750000131
其中，fj是第j条候选线路的匹配度，σj为第j条候选线路与定位数据的偏离程度，ρj为第j条候选线路的方向变化与定位数据的方向变化之间的相关系数。因为偏离程度σj越小，相关系数ρj越接近1，列车位于此线路上的可能性越大，因此选择匹配度fj最大的候选线路作为匹配线路。
本发明实施例提供的基于轨道曲线特征的列车定位方法，通过建立匹配度的公式，对位于缓冲区内的多条候选线路进行筛选，以保证获取到的运行线路为最接近真实情况下的目标线路，保证了检测的准确性。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述基于投影法，根据定位数据在所述运行线路上的投影点，判断列车位于所述运行线路上的运行区段，包括但不限于以下步骤：
根据定位数据，确定列车的运行方向以及列车定位坐标；根据运行方向，确定在电子地图上距离所述列车定位坐标前后方最近的前特征点和后特征点；确定前特征点为直缓点且后特征点为缓直点，则判断列车位于所述运行线路上的直线段上；否则，判断列车位于所述运行线路上的非直线段上。
具体地，在确认了运行路线后，接下来需要进一步地确认列车当前位置所在的运行区段。可以通过判断列车定位数据在运行线路上的投影点是否位于上一条缓和曲线的HZ点和下一条缓和曲线的ZH点之间，即确认出前特征点为直缓点且后特征点为缓直点，来确定列车是否位于直线段。若判断结果为正，则说明此时列车位置处于直线段，否则，则说明列车的当前位置处于非直线段。
其中，根据列车的运行方向，从电子地图上获取距离列车定位坐标前后方最近的特征点，如果后方特征点是HZ点，且前方特征点是ZH点，且列车定位数据的投影点与HZ点和ZH点的距离均大于定位数据的误差范围(即列车定位系统的最大误差)，那么列车一定在直线段上。
列车定位数据的投影方式如下：如图5所示，假设A1(X1，X2)是列车定位坐标，HZ点和ZH点分别是从地图上获取的距离列车定位数据前后方最近的两个特征点，过列车的定位点A1向HZ点与ZH点之间的直线段做垂线，交点为A2点，则A2点即为列车定位数据的投影点。
投影点A2的坐标公式是：
Figure BDA0002317754750000141
Figure BDA0002317754750000142
其中，(X1，Y1)为列车定位坐标，K1和K2为中间系数，(XZH，YZH)为前特征点HZ的坐标，(XHZ，YHZ)为后特征点ZH的坐标。
进一步地，当确认了列车当前位于直线段时，可以根据上述坐标公式，计算出列车在电子地图上的当前位置即为A2点，以完成列车定位。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述利用三次多项式拟合所有缓和曲线段的坐标点，包括：
建立缓和曲线模型：Y＝a0+a1×X+a2×X2+a3×X3；
利用最小二乘法获取缓和曲线模型中的模型参数a0、a1、a2与a3的取值，包括：根据最小二乘法，获取模型参数a0、a1、a2与a3的均方误差：
Figure BDA0002317754750000143
利用如下法方程：
Figure BDA0002317754750000144
计算所述模型参数a0，a1，a2，a3，其中(Xm，Ym)为第m个列车定位点的坐标，A为m*4的系数矩阵，AT为矩阵A的转置矩阵。
进一步地，上述利用圆曲线公式拟合所有圆曲线段的坐标点，包括：
建立圆曲线模型：
(Xi-a)2+(Yi-b)2＝R2,(i＝1,2,...n)，
其中，(a，b)为圆曲线段的圆心坐标，R为圆曲线段的圆半径；结合圆心坐标求解方程：
Figure BDA0002317754750000151
计算圆心坐标(a，b)的值，并根据所述铁路线路地图获取R的取值，从而确定所述圆曲线段的坐标点。
进一步地，在确定了列车当前位置在非直线段上后，可以利用曲线拟合法在运行线路上确定列车的定位，包括：获取运行线路上每个点的斜率；确定运行线路上的点A的斜率偏差范围位于[-ξ，ξ]范围内，则将点A设置为列车的定位点；其中，ξ为列车定位数据中的方向误差的反正切值。
具体地，利用三次B样条曲线来拟合列车定位数据，得到拟合行驶轨迹，利用三次多项式曲线模型和圆曲线公式分段拟合电子地图上的缓和曲线段和圆曲线段，得到电子地图曲线模型。将该运行区段的拟合行驶轨迹上每个点的斜率与电子地图曲线上所有的点的斜率进行比较，当拟合行驶轨迹上某一点的斜率与电子地图曲线上某一点的斜率偏差范围位于[-ξ，ξ]范围内，则将电子地图上的点位置作为当前时刻的实际位置。
更进一步地，在曲线段匹配时，还可以匹配铁路轨道缓和曲线的四个特征点，包括：ZH点、HY点、YH点、HZ点。
具体的，计算获取拟合行驶轨迹上的斜率和曲率，通过斜率和曲率的变化特征点，将拟合行驶轨迹划分为直线段、缓和曲线段和圆曲线段：如果斜率偏差范围位于[-ξ，ξ]范围内，那么是直线段；如果斜率偏差范围位于[-ξ，ξ]范围以外，且曲率偏差范围位于[-t，t]范围以外，那么是缓和曲线段；如果斜率偏差范围位于[-ξ，ξ]范围以外，但曲率偏差范围位于[-t，t]范围以内，那么是圆曲线段。更进一步地，将直线段与缓和曲线段的连接点作为ZH点；缓和曲线段与圆曲线段的连接点作为HY点；圆曲线段与缓和曲线段的连接点作为YH点；缓和曲线段与直线段的连接点作为HZ点。
本发明实施例提供一种基于轨道曲线特征的列车定位系统，如图6所示，包括但不限于：参数获取单元11，数据拟合单元12、第一运算单元13、第二运算单元14和第三运算单元15，其中：
参数获取单元11用于获取列车在定位时的定位数据和铁路轨道的电子地图；数据拟合单元12用于对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹；第一运算单元13用于根据铁路轨道的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定列车的运行线路；第二运算单元14用于基于投影法，根据定位数据在运行线路上的投影点，判断列车位于运行线路上的运行区段；第三运算单元15用于确定列车是位于运行线路的直线段，则利用直线投影法在运行线路上确定所述列车的定位，否则利用曲线拟合方法在运行线路上确定所述列车的定位。
具体地，结合图7，本发明实施例提供的基于轨道曲线特征的列车定位系统在运行时，主要执行以下步骤：
首先，从整个列车所在区域的电子地图上筛选候选线路，当在列车缓冲区域内不存在适合的候选线路时，则说明此次匹配失败，将重新获取新的定位数据进行再次匹配。当列车缓冲区域内存在多条候选线路时，计算每一条候选线路的匹配度，并将匹配度最高的候选线路确定为列车的运行线路；当列车缓冲区域内仅存在一条候选线路时，则直接将该候选线路确定为列车的运行线路。
进一步地，在进行运行区段的匹配，以确定列车是否在直线段，当列车位于直线段时，则利用直线投影法获取到目标匹配点；若确定列车位于非直线段时，则利用曲线匹配法进行匹配点的获取。在本实施例中使用的直线匹配法以及曲线拟合匹配方法，在上述实施例中均有介绍，本实施例将不作进一步的赘述。
本发明实施例提供的基于轨道曲线特征的列车定位系统，通过将整个铁路线路按照路径形状划分为不同线型的组合，进而可以根据待定位列车在定位之前一段距离的定位数据，以拟合出列车的行驶轨迹，并根据该行驶轨迹，依次分析出待定位列车的运行线路、运行区段以及准确的定位位置，有效的提高了全线路的匹配精度，以及列车定位精度，减小了列车定位误差。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如下方法：获取列车在定位时的定位数据；对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹；根据列车所在的运行区间的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定所述列车的运行线路；基于投影法，根据定位数据在运行线路上的投影点，判断列车位于所述运行线路上的运行区段；确定列车位于运行线路的直线段，则利用直线投影法在运行线路上确定列车的定位，否则利用曲线拟合法在运行线路上确定列车的定位。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，智能存储分析单元，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：获取列车在定位时的定位数据；对定位数据进行拟合，获取列车的拟合行驶轨迹；根据列车所在的运行区间的电子地图，结合拟合行驶轨迹，确定所述列车的运行线路；基于投影法，根据定位数据在运行线路上的投影点，判断列车位于所述运行线路上的运行区段；确定列车位于运行线路的直线段，则利用直线投影法在运行线路上确定列车的定位，否则利用曲线拟合法在运行线路上确定列车的定位。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，智能存储分析单元，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，包括：
获取列车在定位时的定位数据；
对所述定位数据进行拟合，获取所述列车的拟合行驶轨迹；
根据铁路轨道的电子地图，结合所述拟合行驶轨迹，确定所述列车的运行线路；
基于投影法，根据所述定位数据在所述运行线路上的投影点，判断所述列车位于所述运行线路上的运行区段；
确定所述列车位于所述运行线路的直线段，则利用直线投影法在所述运行线路上确定所述列车的定位。
2.根据权利要求1所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，还包括：确定所述列车位于所述运行线路的非直线段，则利用曲线拟合法在所述运行线路上确定所述列车的定位。
3.根据权利要求2所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，所述对所述定位数据进行拟合，获取所述列车的拟合行驶轨迹，包括：利用三次B样条曲线对所述定位数据进行拟合，具体为：
根据所述定位数据求解所述三次B样条曲线的控制顶点；
利用三次B样条曲线模型拟合列车的行驶轨迹。
4.根据权利要求3所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，在所述根据所述定位数据求解所述三次B样条曲线的控制顶点，包括：
Figure FDA0002317754740000011
其中，Pi(i＝0，1，2…n+1)为控制顶点，Qi(i＝1，2，…n)为列车定位数据。
5.根据权利要求4所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，在所述利用三次B样条曲线模型拟合列车的行驶轨迹中，所述三次B样条曲线模型为：
Figure FDA0002317754740000021
Figure FDA0002317754740000022
Figure FDA0002317754740000023
其中，Pi，3(u)为每段3次B样条曲线的控制顶点；Gi，3(u)是3次B样条曲线的基函数(i＝0、1、2、3)；G为3次B样条曲线的基函数矩阵；X、Y分别是每段3次B样条曲线控制顶点的坐标向量，(Xu，Yu)为3次B样条曲线上的点。
6.根据权利要求2所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，所述铁路轨道的电子地图，结合所述拟合行驶轨迹，确定所述列车的运行线路，包括：
在铁路轨道的电子地图上，按照直线段-缓和曲线段-圆曲线段-缓和曲线段-直线段相循环的形式对铁路线路进行划分；利用三次多项式拟合所有缓和曲线段的坐标点，并利用圆曲线公式拟合所有圆曲线段的坐标点，所述电子地图包含与每个铁路线路相对应的电子地图曲线；
以所述列车的行驶轨迹为中心，确定缓冲区域；
确定位于所述缓冲区域内的候选线路，并将所述候选线路中的匹配度最大的一条候选线路设定为所述列车的运行线路。
7.根据权利要求6所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，所述确定位于所述缓冲区域内的候选线路，并将所述候选线路中的匹配度最大的一条候选线路设定为所述列车的运行线路，包括：
确定所述缓冲区内只有一条候选线路，则将所述候选线路设为所述列车的运行线路；
确定所述缓冲区内有多条候选线路，则计算每一条候选线路的匹配度，并将匹配度最大的一条候选线路设定为所述列车的运行线路；
所述计算每一条候选线路的匹配度的公式为：
Figure FDA0002317754740000031
8.根据权利要求6所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，所述基于投影法，根据所述定位数据在所述运行线路上的投影点，判断所述列车位于所述运行线路上的运行区段，包括：
根据所述定位数据，确定列车的运行方向以及列车定位坐标；
根据所述运行方向，确定在所述运行线路的电子地图上距离所述列车定位坐标前后方最近的前特征点和后特征点；
确定所述前特征点为直缓点且所述后特征点为缓直点，则判断所述列车位于所述运行线路上的直线段上；否则，判断所述列车位于所述运行线路上的非直线段上。
9.根据权利要求8所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，所述利用直线投影法在所述运行线路上确定所述列车的定位，包括：
通过所述列车定位坐标向所述前特征点和后特征点之间的连线作垂线，获取交点为所述定位数据在所述电子地图上的投影点；
计算所述投影点的坐标(X2,Y2)：
Figure FDA0002317754740000032
Y2＝Y1+K2X2-K2X1，
Figure FDA0002317754740000033
其中，(X1，Y1)为列车定位坐标，K1和K2为中间系数，(XZH，YZH)为前特征点的坐标，(XHZ，YHZ)为后特征点的坐标。
10.根据权利要求6所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，所述利用三次多项式拟合所有缓和曲线段的坐标点，包括：
建立缓和曲线段模型：Y＝a0+a1×X+a2×X2+a3×X3；
利用最小二乘法获取缓和曲线段模型中的模型参数a0、a1、a2与a3的取值，包括：根据最小二乘法，获取模型参数a0、a1、a2与a3的均方误差：
Figure FDA0002317754740000041
利用如下法方程：
Figure FDA0002317754740000042
计算所述模型参数a0，a1，a2，a3，其中(Xm，Ym)为第m个列车定位点的坐标，A为m*4的系数矩阵，AT为矩阵A的转置矩阵。
11.根据权利要求6所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，所述利用圆曲线公式拟合所有圆曲线段的坐标点，包括：
建立圆曲线段模型：
(Xi-a)2+(Yi-b)2＝R2,(i＝1,2,...n)，
其中，(a，b)为圆曲线段的圆心坐标，R为圆曲线段的圆半径；结合圆心坐标求解方程：
Figure FDA0002317754740000043
计算圆心坐标(a，b)，并根据所述铁路轨道的电子地图获取R的取值，从而确定所述圆曲线段的坐标点。
12.根据权利要求2所述的基于轨道曲线特征的列车定位方法，其特征在于，所述利用曲线拟合法在所述运行线路上确定所述列车的定位，包括：
获取所述拟合行驶轨迹上每个点的斜率；
确定所述运行线路上的点A的斜率偏差范围位于[-ξ，ξ]范围内，则将所述点A设置为所述列车的定位点；
其中，ξ为列车定位数据中的方向误差的反正切值。
13.一种基于轨道曲线特征的列车定位系统，其特征在于，包括：
参数获取单元，用于获取列车在定位时的定位数据及铁路轨道的电子地图；
数据拟合单元，用于对所述定位数据进行拟合，获取所述列车的拟合行驶轨迹；
第一运算单元，用于根据铁路轨道的电子地图，结合所述拟合行驶轨迹，确定所述列车的运行线路；
第二运算单元，用于基于投影法，根据所述定位数据在所述运行线路上的投影点，判断所述列车位于所述运行线路上的运行区段；
第三运算单元，用于确定所述列车是位于所述运行线路的直线段，则利用直线投影法在所述运行线路上确定所述列车的定位，否则利用曲线拟合法在所述运行线路上确定所述列车的定位。
14.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至12任一项所述基于轨道曲线特征的列车定位方法的步骤。
15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至12任一项所述基于轨道曲线特征的列车定位方法的步骤。
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