CN112356881A - 一种列车定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种列车定位方法。该方法包括：在列车的运行线路上的各牵引供电所的馈线柜设置电压传感器、电流传感器和采集装置；在列车的运行过程中，各牵引供电所中的电压传感器和电流传感器同步测量其所在的牵引供电所馈线处输出的电压信号和电流信号，并通过采集装置将电压信号和电流信号上传到上位机；上位机选取距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B的电压电流值，通过滑窗方式将其代入矩阵方程计算出列车的位置信息。本发明仅需测量牵引供电线路两侧牵引变电所的电压电流值，无需增加复杂的信号数据传输设备，结构简单，不会引起信号系统故障且不增加危险行车的因素。

Description

一种列车定位方法
技术领域
本发明涉及列车定位技术领域，尤其涉及一种列车定位方法。
背景技术
为了缓解交通压力，我国城市轨道交通发展迅速，已逐步成为我国部分城市的骨干客运方式。在城市轨道交通系统中，列车定位技术关系到列车的安全运行以及在轨道交通中的运输效率，其在列车运行及状态监控中具有重要的地位。
目前，我国城市轨道交通的列车定位方式有很多，主要有利用轨道电路定位、电子计轴定位、信标定位、RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)定位等技术，然而这些定位技术主要依靠信号系统进行数据传输，在传输过程中这些定位技术有失效的可能。当其出现问题时，需要切除列车自动防护运行模式，此时，列车的运行仅仅依靠人工进行操作和管理，容易引发风险事故同时降低线路运输效率。
发明内容
本发明的实施例提供了一种列车定位方法，以克服现有技术的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种列车定位方法，包括：
在列车的运行线路上的各牵引供电所的馈线柜设置电压传感器、电流传感器和采集装置；
在列车的运行过程中，各牵引供电所中的电压传感器和电流传感器同步测量其所在的牵引供电所馈线处输出的电压信号和电流信号，并通过采集装置将测量的电压信号和电流信号上传到上位机；
所述上位机选取距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B上传的电压信号和电流信号；根据所述牵引供电所A和所述牵引供电所B上传的电压信号和电流信号通过矩阵方程计算出列车的位置信息。
优选地，所述的在列车的运行线路上的所有牵引供电所的馈线柜设置电压传感器、电流传感器和采集装置，包括：
在列车的运行线路上的所有牵引供电所的每个馈线柜都设置电压传感器、电流传感器及采集装置，电压传感器和电流传感器都电路连接采集装置，采集装置经光纤路由器连接到光纤骨干网上，再通过光纤骨干网连接至上位机；所述采集装置通过数据采集卡实现。
优选地，所述的在列车的运行过程中，各牵引供电所中的电压传感器和电流传感器同步测量其所在的牵引供电所馈线处输出的电压信号和电流信号，并通过采集装置将测量的电压信号和电流信号上传到上位机，包括：
在列车的运行过程中，列车的运行线路上的各牵引供电所进行时间同步后，各牵引供电所中的电压传感器按照设定的采样频率测量其所在的牵引供电所馈线处输出的模拟电压信号，并将模拟电压信号传输给采集装置，电流传感器按照设定的时间间隔测量其所在的牵引供电所馈线处输出的模拟电流信号，并将模拟电流信号传输给采集装置，采集装置将接收到的模拟电压信号和电流信号转换为数字信号后，通过光纤骨干网传输到上位机。
优选地，所述的上位机选取距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B上传的电压信号和电流信号，包括：
上位机通过滑窗的方式获取列车的运行线路上的各牵引供电所上传的电压信号和电流信号，当相邻的两个牵引供电所上传的电压信号和电流信号都大于一定的数值阈值，则判断该相邻的两个牵引供电所为距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B；
所述的上位机选取距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B上传的电压信号和电流信号来进行列车的定位计算。
优选地，所述的根据所述牵引供电所A和所述牵引供电所B获取的电压信号和电流信号通过矩阵方程计算出列车的位置信息，包括：
通过基尔霍夫电压、电流定律，分别构建牵引变电所A馈线柜的输出电压时域微分方程U1(t)和牵引变电所B馈线柜的输出电压时域微分方程U2(t)：
Figure BDA0002704404950000031
Figure BDA0002704404950000032
其中，x为列车的位置，U1(t)为牵引变电所A的输出电压；
U2(t)为牵引变电所B的输出电压；
i1(t)为牵引变电所A上行接触网的输出电流；
i2(t)为牵引变电所B上行接触网的输出电流；
i3(t)为牵引变电所A下行接触网的输出电流；
Rr、Lr为牵引变电所A、B之间上行接触网的电阻值、电感值；
Rd、Ld为牵引变电所A、B之间钢轨的电阻值、电感值；
U为列车运行时，其所在位置对应的接触网电压；
将上述式(1)和式(2)两式相减消掉U，再将得到的等式转化为式(3)所示的差分方程：
Figure BDA0002704404950000041
根据所述差分方程得到关于列车位置的矩阵方程AX＝Y，
Figure BDA0002704404950000042
X为表示列车的位置的矩阵；
Figure BDA0002704404950000043
在上位机中所述矩阵方程进行求解，得出列车在某一时刻t的位置。
优选地，所述的对所述矩阵方程进行求解，得出列车在某一时刻t的位置，包括：
采用最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，对矩阵方程AX＝Y进行求解，得到列车在某一时刻t的位置的最小二乘解为x＝(ATA)-1ATY。
优选地，所述的方法还包括：
在列车运行线路中的两两牵引变电所之间实施所述列车定位方法，从而得到列车在整条线路中运行的位置。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过利用传感器采集列车两端的牵引变电所电压电流，结合供电系统数学模型计算出列车的位置。该方法仅需测量牵引供电线路两侧牵引变电所的电压电流值，无需增加复杂的信号数据传输设备，结构简单，易于实现，不会引起信号系统故障且不增加危险行车的因素。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为为本发明实施例提供的一种列车定位方法的实现原理图；
图2为本发明实施例提供的一种列车的牵引供电等效模型示意图；
图3为本发明实施例提供的一种列车位置求解流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明实施例提供的一种列车定位方法的实现原理图，定位过程由电压传感器、电流传感器、采集装置、光纤路由器和上位机来实施。在列车的运行线路上的所有牵引供电所的每个馈线柜都设置电压传感器(U)、电流传感器(I)及采集装置，列车在两个设置了电压传感器、电流传感器及采集装置的牵引供电所之间运行。
在列车的运行线路上的所有牵引供电所的每个馈线柜都设置电压传感器、电流传感器及采集装置，电压传感器和电流传感器都电路连接采集装置，采集装置经光纤路由器连接到光纤骨干网上，再通过光纤骨干网连接至上位机；所述采集装置通过数据采集卡实现。
在列车的运行过程中，列车的运行线路上的各牵引供电所进行时间同步后，各牵引供电所中的电压传感器按照设定的采样频率测量其所在的牵引供电所馈线处输出的模拟的电压信号，并将模拟的电压信号传输给采集装置，电流传感器按照设定的时间间隔测量其所在的牵引供电所馈线处输出的模拟的电流信号，并将模拟的电流信号传输给采集装置。采集装置通过数据采集卡实现，主要作用是进行数模转换，将接收到的电压电流传感器测量的模拟的电压信号和电流信号转换为数字信号后，通过光纤骨干网传输到上位机。
在本发明中，是选择距离列车的车头和车尾最近的两个牵引供电所(牵引供电所A和牵引供电所B)的电压电流数据来进行列车的定位计算，并且，只考虑有一辆列车在这两个牵引供电所之间运行。由于没有列车通过的相邻的牵引供电所之间的电压信号和电流信号的波动较小，因此，上位机接收到各牵引供电所上传的电压信号和电流信号后，进行如下的处理：
列车运行到牵引变电所A和牵引变电所B之间时，两变电所的电压电流值会出现波动，尤其是电流值，会随着列车运行明显增大，上位机通过检测电压电流值的变化确定对应的相邻的牵引供电所为距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B。
上位机通过滑窗的方式获取列车的运行线路上的各牵引供电所上传的电压信号和电流信号，当相邻的两个牵引供电所上传的电压信号和电流信号都大于一定的数值阈值，则判断该相邻的两个牵引供电所为距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B。
所述的上位机选取距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B上传的电压信号和电流信号来进行列车的定位计算。
在图1中，包括牵引供电所A和牵引供电所B，列车在牵引供电所A和牵引供电所B之间运行。电压传感器和电流传感器都电路连接采集装置，采集装置经光纤路由器连接到光纤骨干网上，随后连接至上位机。
图2为本发明实施例提供的一种列车的牵引供电等效模型示意图，根据上下行接触网和钢轨的电阻率、截面积和长度等信息得到其电阻电感值，列车等效为恒功率源，当列车在行驶时，只有列车的位置x是未知量，根据已知信息求得的未知量x即为某一时刻列车的位置。
基于图1所示的列车定位系统，本发明实施例提供的一种列车定位方法的处理流程如图3所示，包括如下的处理过程：
通过基尔霍夫电压、电流定律，分别构建关于牵引变电所A和B馈线柜的输出电压时域微分方程：
Figure BDA0002704404950000081
Figure BDA0002704404950000082
其中，U2(t)为牵引变电所B的输出电压；
i1(t)为牵引变电所A上行接触网的输出电流；
i2(t)为牵引变电所B上行接触网的输出电流；
i3(t)为牵引变电所A下行接触网的输出电流；
Rr、Lr为牵引变电所A、B之间上行接触网的电阻值、电感值；
Rd、Ld为牵引变电所A、B之间钢轨的电阻值、电感值；
U为列车运行时，其所在位置对应的接触网电压。
以上两式中，列车运行处的电压是随着列车的运行变化的，将两式相减，可以消除列车电压的影响，并且可以构建一个只关于未知量x的等式。因为监测装置监测的电压电流值是采样值，无法代入得出的关于变量时间的等式，所以需要将得到的等式转换为差分方程，再将监测的电压电流值代入，差分方程如下：
Figure BDA0002704404950000083
式(3)中的k代表采样的电压、电流值的个数。
将上述式(1)和式(2)两式相减消掉U，再将得到的等式转化为式(3)所示的差分方程。根据此差分方程和电压电流的采样值，即可列出关于列车位置的矩阵方程AX＝Y，
Figure BDA0002704404950000091
X为表示列车的位置的矩阵；
Figure BDA0002704404950000092
对上述矩阵方程进行求解，可以得出列车在某一时刻的位置。其中未知量x的求解方法有很多，一般采用最小二乘法、L-M算法等。最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，对于矩阵方程AX＝Y，其最小二乘解为x＝(ATA)-1ATY。L-M算法是非线性回归中回归参数最小二乘估计的一种估计方法，用于解决非线性的最小二乘问题。除此之外还可应用其他合适的算法，这里就不再赘述。
以上原理和方法只求得列车在某一时刻的位置，如需实时显示列车运行时的位置，需要进一步扩展：当列车在两牵引供电所间运行时，设定采样频率为10kHz，通过滑窗的方式获取采集到的两牵引变电所馈线柜输出的电压电流值，将其代入矩阵方程，获取列车实时的位置并在上位机显示。同样的方法在列车的运行线路中的两两牵引变电所之间实施，这样就能测量列车在整条线路中运行的位置。
综上所述，本发明实施例通过利用传感器采集列车两端的牵引变电所电压电流，结合供电系统数学模型计算出列车的位置。该方法仅需测量牵引供电线路两侧牵引变电所的电压电流值，无需增加复杂的信号数据传输设备，结构简单，易于实现，不会引起信号系统故障且不增加危险行车的因素，可以在信号系统出现故障的时候为指挥调度人员提供列车的定位参考，降低人工操作的事故风险，具有广阔的应用前景。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。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，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统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劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种列车定位方法，其特征在于，包括：
在列车的运行线路上的各牵引供电所的馈线柜设置电压传感器、电流传感器和采集装置；
在列车的运行过程中，各牵引供电所中的电压传感器和电流传感器同步测量其所在的牵引供电所馈线处输出的电压信号和电流信号，并通过采集装置将测量的电压信号和电流信号上传到上位机；
所述上位机选取距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B上传的电压信号和电流信号；根据所述牵引供电所A和所述牵引供电所B上传的电压信号和电流信号通过矩阵方程计算出列车的位置信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的在列车的运行线路上的所有牵引供电所的馈线柜设置电压传感器、电流传感器和采集装置，包括：
在列车的运行线路上的所有牵引供电所的每个馈线柜都设置电压传感器、电流传感器及采集装置，电压传感器和电流传感器都电路连接采集装置，采集装置经光纤路由器连接到光纤骨干网上，再通过光纤骨干网连接至上位机；所述采集装置通过数据采集卡实现。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的在列车的运行过程中，各牵引供电所中的电压传感器和电流传感器同步测量其所在的牵引供电所馈线处输出的电压信号和电流信号，并通过采集装置将测量的电压信号和电流信号上传到上位机，包括：
在列车的运行过程中，列车的运行线路上的各牵引供电所进行时间同步后，各牵引供电所中的电压传感器按照设定的采样频率测量其所在的牵引供电所馈线处输出的模拟电压信号，并将模拟电压信号传输给采集装置，电流传感器按照设定的时间间隔测量其所在的牵引供电所馈线处输出的模拟电流信号，并将模拟电流信号传输给采集装置，采集装置将接收到的模拟电压信号和电流信号转换为数字信号后，通过光纤骨干网传输到上位机。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的上位机选取距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B上传的电压信号和电流信号，包括：
上位机通过滑窗的方式获取列车的运行线路上的各牵引供电所上传的电压信号和电流信号，当相邻的两个牵引供电所上传的电压信号和电流信号都大于一定的数值阈值，则判断该相邻的两个牵引供电所为距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B；
所述的上位机选取距离列车的车头最近的牵引供电所A和距离列车的车尾最近的牵引供电所B上传的电压信号和电流信号来进行列车的定位计算。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的根据所述牵引供电所A和所述牵引供电所B获取的电压信号和电流信号通过矩阵方程计算出列车的位置信息，包括：
通过基尔霍夫电压、电流定律，分别构建牵引变电所A馈线柜的输出电压时域微分方程U1(t)和牵引变电所B馈线柜的输出电压时域微分方程U2(t)：
Figure FDA0002704404940000021
其中，x为列车的位置，U1(t)为牵引变电所A的输出电压；
U2(t)为牵引变电所B的输出电压；
i1(t)为牵引变电所A上行接触网的输出电流；
i2(t)为牵引变电所B上行接触网的输出电流；
i3(t)为牵引变电所A下行接触网的输出电流；
Rr、Lr为牵引变电所A、B之间上行接触网的电阻值、电感值；
Rd、Ld为牵引变电所A、B之间钢轨的电阻值、电感值；
U为列车运行时，其所在位置对应的接触网电压；
将上述式(1)和式(2)两式相减消掉U，再将得到的等式转化为式(3)所示的差分方程：
Figure FDA0002704404940000031
根据所述差分方程得到关于列车位置的矩阵方程AX＝Y，
Figure FDA0002704404940000032
X为表示列车的位置的矩阵；
Figure FDA0002704404940000033
在上位机中所述矩阵方程进行求解，得出列车在某一时刻t的位置。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的对所述矩阵方程进行求解，得出列车在某一时刻t的位置，包括：
采用最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，对矩阵方程AX＝Y进行求解，得到列车在某一时刻t的位置的最小二乘解为x＝(ATA)-1ATY。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：
在列车运行线路中的两两牵引变电所之间实施所述列车定位方法，从而得到列车在整条线路中运行的位置。
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