CN112109774A - 一种基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统，其包括利用毫米波扫描车对目标铁路轨枕进行扫描，并接收回波信号；对回波信号进行预处理，得到处理后的回波信号；将处理后的回波信号代入二维成像算法，得到目标铁路轨枕的毫米波图像；将目标铁路轨枕的毫米波图像代入训练完毕的神经网络中，通过拉东变换得到样本特征值，建立特征曲线；对特征曲线进行判断，当特征曲线存在突变值时，即存在裂纹缺陷。本发明能够解决现有技术中轨道缺陷检测方法覆盖面不足、不确定性强的问题，效率高、准确性强、省时省力。

Description

一种基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统

技术领域

本发明涉及轨道检测技术领域，具体涉及一种基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统。

背景技术

在轨道交通领域，列车的位置确定关乎交通安全，交通运筹，因此列车定位是轨道交通中一项关键技术。为得到列车的精确坐标，当今主流定位方法有轨道电路定位，测速定位，无线扩频定位等。

轨道电路定位的主要具体方法为无绝缘音频轨道电路法，即通过LC并联电路能选取出一定的谐振频率，而识别列车的频率用以列车定位。其缺陷在于精度不高，误差较大，信息传输距离有限。由它所实现的定位是以轨道电路长度作为最小定位单元，无法构成真正意义上的移动闭塞。另外，轨道电路易受环境因素影响，如下雨潮湿、昼夜温差大时会产生红光带故障。电源部分可靠性要求偏高，若电源瞬间断电会造成信息丢失。而且建设和维护投资较大。

另外还有一种查询/响答器定位法，其原理是在地面应答器内存储地理位置信息、机车上的查询器经过它并耦合以后，就可以得到列车的精确位置。其缺陷在于为了达到准确度，需要大量设置地面应答器，成本提高。且该方法中的定位技术(信标定位)的信息传递并不是连续的，当列车在上一个信息点采集到地面情况发生变化时，无法及时传递实时信息给列车，需到下一个信息点时才能反馈更新信息。

测速定位是基于轨道电路定位和查询/响答器定位法，在计算具体位置信息时通常要引人列车的即时速度信息，以提高测量精度。但该方法的缺陷在于里程数据主要通过车轮直径获得，若车轮经过长时间行驶产生磨损会造成车轮直径改变而产生误差。另外，测量方式容易出现累计误差，即随着行驶里程的增加，其绝对误差会越来越大。且不能直接实现列车与地面位置的通信。

无线扩频定位的原理为在地面设置测距基站和中心控制站，在列车两端安装无线扩频通信发射机，发射机向地面测距基站发射定位信息，测距基站收到定位信息后计算出伪距，送至中心控制站进行信息处理，其结果显示在电子地图上，并以无线方式传递到机车上。但这一方法需建设专供使用的扩频基站，因此对地面设备要求很高，导致投资成本较高，维护所需的人力物力资源需求较大。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中轨道定位方法准确性不足、成本较高的问题的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统，其包括相互通信连接的微波高度计和数据服务器，所述微波高度计包括数控单元，所述数控单元通过固态功率放大器与发射器连接，所述数控单元依次与信号接收机和信号接收天线电连接；所述数据服务器包括用于存储预先测定的轨枕缺陷特征基准波形的存储器和用于分析信号接收机接收到的测量波形的处理器，存储器与处理器电连接。

本发明还提供了一种基于上述列车定位系统的定位方法，其包括如下步骤：

S1、预先用列车定位系统对目标轨枕的缺陷特征进行测量，并将轨枕缺陷的波形特征储存于存储器中；

S2、将微波高度计安装在列车的车轮构架上并与目标轨枕对齐；

S3、启动微波高度计，使发射器发射微波，信号接收机接收从枕轨反射的微波信号；

S4、实时对比微波信号的波形与轨枕缺陷的波形特征，并计算拟合度值；

S5、当拟合度值为最高值时，完成对列车的定位。

本发明提供的上述基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统及定位方法的主要有益效果在于：

本发明利用火车轨道下的轨枕缺陷特征作为定位列车位置的基准点，通过高度计对缺陷特征的测量得出信号波形，并与数据库中存储的波形特征实时比较，从而得出列车精确位置。从而解决列车行驶过程中的实时定位问题。

由于在列车运行的过程中，用于支撑铁轨的轨枕在压力作用下产生形变，并逐渐形成特有的缺陷特征，这种特征可用于区分不同的枕轨。因此，可识别若干枕轨作为列车位置的定位点，通过与数据库中的枕轨位置信息对比实现对列车的定位。相对于现有方法，速度更快，准确性更强，且能有效节省成本。

本发明通过在行驶中实时生成数据，列车可在任意时间任意地点获取当前位置信息。靠对轨枕特征缺陷处测距测高，可人为设置轨枕缺陷来控制定位精度，相比传统GPS卫星定位(10m)可具有更高的精度以及灵活性。

此方案位置生成所需设备即缺陷识别装置，测高仪全部安装在列车内，使设备所处环境提高，减少外界对其造成的影响损耗，减少后期维护成本。另外，还具有设备所需成本低，对环境无污染等优点。

附图说明

图1为本发明基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法的流程图。

图2为毫米波扫描车的结构模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为本发明基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法的流程图。

本发明的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统，包括相互通信连接的微波高度计和数据服务器，所述微波高度计包括数控单元，所述数控单元通过固态功率放大器与发射器连接，所述数控单元依次与信号接收机和信号接收天线电连接；微波高度计的测量物理量为高度，测量精度达到毫米。其原理为发射微波并从所测物体接收回波，利用高度计的高精度相位测量技术确立水平面与所测物体之间的几何位置关系，并通过信号放大器产生枕轨缺陷特征波形。

所述数据服务器包括用于存储预先测定的轨枕缺陷特征基准波形的存储器和用于分析信号接收机接收到的测量波形的处理器，存储器与处理器电连接。列车运行时，微波高度计所测信号波形通过发射器传输至数据服务器中。以数学算法比较实时测量波形与用于定位的基准波形，从而确立定位点。

本发明还提供了一种基于上述列车定位系统的定位方法，其包括如下步骤：

S1、预先用列车定位系统对目标轨枕的缺陷特征进行测量，并将轨枕缺陷的波形特征储存于存储器中，作为定位基准。

S2、将微波高度计安装在列车的车轮构架上并与目标轨枕对齐。

S3、启动微波高度计，使发射器发射微波，信号接收机接收从枕轨反射的微波信号。

若轨枕缺陷差异程度较小或不存在缺陷(理论可能性极小)而不具有比较价值，甚至可人为轻微制造缺陷。

S4、实时对比微波信号的波形与轨枕缺陷的波形特征，并计算拟合度值。

进一步地，计算拟合度值的方法包括：

S4-1、对微波信号的波形进行向量化处理，得到波形特征信息的向量。

其中，波形特征信息的向量为：

X＝{X₁,X₂,X₃,…,X_m-1,X_m}，

其中，X_i表示波形某时段内的幅度，因此对于不同时段内的信号具有单一的特征向量，可将其作为信号比对的匹配点。

S4-2、对波形特征信息的向量进行归一化处理，得到处理后的向量。

具体的，归一化处理的方法为：

计算各波形特征信息的向量的标准方差，其计算公式为：

其中，n为波形采样点个数，x_i为具体采样点采样值。

S4-3、计算处理后的向量与波形模版的相似系数。

具体的，计算处理后的向量与波形模版的相似系数包括：

计算输入波形向量X_i和波形模板Y_i之间绝对距离为D_i：

其中，绝对距离为D_i的约束条件为：

计算基于绝对距离的处理后的向量与波形模版的频率分量的相似系数，其计算公式为：

其中，C_ov(X,Y)为协方差，X,Y为两个信号序列。

S5、当拟合度值为最高值时，完成对列车的定位。

拟合度值的取值为：

其中，当|ρ_xy|＝1时，表示两个信号完全形同。即微波信号检测到的特定枕轨形状与波形模版中的对应形状完全相同，由对应波形在预先测量的目标轨枕中的位置，即可快速得出微波高度计所在的目标枕轨的位置，进而得到列车所在精准位置。

该方法只需确定匹配模板，并快速处理输入信号波形。在识别比对过程中，需保证波形的起始点与结束点始终一致，以避免出现偏差。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统，其特征在于，包括相互通信连接的微波高度计和数据服务器，所述微波高度计包括数控单元，所述数控单元通过固态功率放大器与发射器连接，所述数控单元依次与信号接收机和信号接收天线电连接；所述数据服务器包括用于存储预先测定的轨枕缺陷特征基准波形的存储器和用于分析信号接收机接收到的测量波形的处理器，存储器与处理器电连接。

2.一种根据权利要求1所述的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、预先用列车定位系统对目标轨枕的缺陷特征进行测量，并将轨枕缺陷的波形特征储存于存储器中；

S2、将微波高度计安装在列车的车轮构架上并与目标轨枕对齐；

S3、启动微波高度计，使发射器发射微波，信号接收机接收从枕轨反射的微波信号；

S4、实时对比微波信号的波形与轨枕缺陷的波形特征，并计算拟合度值；

S5、当拟合度值为最高值时，完成对列车的定位。

3.根据权利要求2所述的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法，其特征在于，所述计算拟合度值的方法包括：

S4-1、对微波信号的波形进行向量化处理，得到波形特征信息的向量；

S4-2、对波形特征信息的向量进行归一化处理，得到处理后的向量；

S4-3、计算处理后的向量与波形模版的相似系数。

4.根据权利要求3所述的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法，其特征在于，所述波形特征信息的向量为：

X＝{X₁,X₂,X₃,…,X_m-1,X_m}，

其中，X_i表示波形某时段内的幅度。

5.根据权利要求4所述的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法，其特征在于，所述归一化处理的方法为：

计算各波形特征信息的向量的标准方差，其计算公式为：

其中，n为波形采样点个数，x_i为具体采样点采样值。

6.根据权利要求5所述的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法，其特征在于，所述计算处理后的向量与波形模版的相似系数包括：

计算输入波形向量X_i和波形模板Y_i之间绝对距离为D_i：

计算基于绝对距离的处理后的向量与波形模版的频率分量的相似系数，其计算公式为：

其中，C_ov(X,Y)为协方差，X,Y为两个信号序列。

7.根据权利要求6所述的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法，其特征在于，所述绝对距离为D_i的约束条件为：

8.根据权利要求7所述的基于轨枕缺陷特征检测的列车定位系统的定位方法，其特征在于，所述拟合度值的取值为：

其中，当|ρ_xy|＝1时，表示两个信号完全形同。

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