CN112622989B - 一种基于振动信号的列车定位装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动信号的列车定位装置，其包括在车站站点轨道处设置的多个第一振动传感器、通信模块、PC数据处理机和在列车上设置的多个第二振动传感器；PC数据处理机用于接收通信模块发出的振动信号并将多个第一振动传感器采集的信号分为轨道振动信号组，将多个第二振动传感器采集的信号分为列车振动信号组。本发明中振动传感器对列车和轨道的振动进行实时检测，并将检测结果及时通过通信装置反馈给PC数据处理器，PC数据处理器根据反馈的振动信号分析计算，根据计算结果判定列车是否进站，相比较现有技术中基于测速的列车定位方法，本方案中的定位装置定位精度高，不存在累计误差。

Description

一种基于振动信号的列车定位装置以及方法

技术领域

本发明涉及城市轨道列车行驶定位技术领域，特别是涉及一种基于振动信号的列车定位装置以及方法。

背景技术

我国已进入高铁时代，是否能对列车精确定位影响到我们对列车行车间隔的把控，从而保证列车的行车安全、列车调度的效率以及能够实时掌握列车的行驶信息。

现有技术中，对于列车定位方法有很多，比如说使用基于测速的列车定位方法或者查询/应答器对行驶中的列车进行定位；基于测速的列车定位方法原理较为简单，根据列车当前行驶的速度和与站台之间的距离，预测列车到站时间，但误差却较大，实时速度的准确性会影响定位的精度，而且还存在着误差累积，随着运行路程增大，其误差会越来越大，导致定位准确性降低；查询/应答器法通过轨道上设置的应答器而对轨道上方行驶的列车进行感应，若有列车驶过则将预设信息循环发送，它的缺点在于其精度与应答器的设置数量有关，但应答器价格较为昂贵，限制了其精度，除此之外应答器还容易受到外界电磁干扰从而影响到精度。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于振动信号的列车定位装置，解决了现有技术中基于测速的列车定位方法中定位误差较大，精确度低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于振动信号的列车定位装置，其包括在车站站点的轨道段上设置有多个第一振动传感器、通信模块、PC数据处理器以及在列车上设置的多个第二振动传感器；多个第一振动传感器用于检测车站站点轨道的振动信号，多个第二传感器用于实时检测列车运行时的振动信号，多个第一振动传感器和第二振动传感器与通信模块电性连接，多个第一振动传感器和第二振动传感器获取的振动信号通过通信模块传递给位于车站站点的PC数据处理器，PC数据处理器将多个第一振动传感器采集的信号分为轨道振动信号组，将多个第二振动传感器采集的信号分为列车振动信号组，PC数据处理器分别计算轨道振动信号组和列车振动信号组的平均值和两者平均值之间的差值，PC数据处理器内有预设差值，判断轨道振动信号组和列车振动信号组的平均值之间的差值是否在预设差值范围内，若是，表示列车进站，否则表示列车未进站。本方案采用的是使用振动传感器对列车和轨道的振动进行实时检测，并将检测结果及时通过通信装置反馈给PC数据处理器，PC数据处理器根据反馈的振动信号分析计算，根据计算结果判定列车是否进站，相比较现有技术中基于测速的列车定位方法，本方案中的定位装置不存在累计误差，定位精度高。

进一步地，通信模块为无线网络通讯模块。

进一步地，多个第二振动传感器等间隔设置在列车上，可以综合测出列车运行时的振动信号，测出的列车振动信号更为准确。

进一步地，列车定位装置还包括沿车站站点轨道设置的光线定位装置，光线定位装置包括多个光发射器和光接收器；多个光发射器设置于轨道的一侧，多个光发射器形成光发射器阵列；多个光接收器设置于轨道的另一侧，多个光接收器形成光接收器阵列；光接收器阵列用于接受光发射器阵列发射的光线并生成电平感应信号，光接收器阵列通过通信模块与PC数据处理机电性连接。PC数据处理机根据光接收器阵列生成的电平感应信号判断列车是否进入车站站点，当列车没有经过光线定位装置时，光接收器阵列接收光发射器阵列发出的全部光线，此时PC数据处理机接收到的电平感应信号处于高电平状态；当列车经过光线定位装置时，列车会部分阻挡光发射器阵列发出的光线，此时PC数据处理机接收到的电平感应信号处于低电平状态。

本发明还提供一种基于振动信号的列车定位的定位方法，其包括以下步骤：

步骤1：PC数据处理机接收到多个第一振动传感器和第二振动传感器传递的信号，将多个第一振动传感器采集的振动信号分为轨道振动信号组，将多个第二振动传感器采集的振动信号分为列车振动信号组；

步骤2：计算轨道振动信号组的平均值；

步骤3：计算列车振动信号组的平均值；

步骤4：PC数据处理机实时计算出轨道振动信号平均值与列车振动信号平均值之间的差值，将差值与预设差值比较，若差值在预设差值范围内，则进入步骤5；否则，返回步骤1；

步骤5：根据发射器阵列的电平感应信号，判断光线定位装置的电平感应信号是否处于低电平状态，若是，则列车进入车站站点，否则返回步骤1。

进一步地，其中，步骤2和步骤3中得到列车振动信号平均值和轨道振动信号组的平均值的方法包括：

步骤A：将列车振动信号组分为M组振动信号，每组振动信号包括I个振动信号，将轨道振动信号分为N组振动信号，每组振动信号包括J个振动信号，

分别对列车振动信号和轨道振动信号添加一对幅值相同、相位相反的高斯白噪声，得到I和J个加入白噪声后的序列振动信号，计算公式为：

P_mi＝x_mi(t)+n_mi(t)，N_mi＝x_mi(t)-n_mi(t)，

P_nj＝x_nj(t)+n_nj(t)，N_nj＝x_nj(t)-n_nj(t)

其中，x_mi(t)为随时间测得的第m组列车振动信号中的第i个列车振动信号，1≤i≤I，I为每组列车振动信号的个数，1≤m≤M，M为列车振动信号组的组数；x_nj(t)为随时间测得的第n组轨道振动信号中的第j个轨道振动信号，1≤j≤J，J为每组轨道振动信号的个数，1≤n≤N，N为轨道振动信号组的组数；n_mi(t)和n_nj(t)分别为x_mi(t)和x_nj(t)添加的高斯白噪声序列，P_mi和N_mi为x_mi(t)加入高斯白噪声后的列车振动序列的最大值和最小值；P_nj和N_nj为x_nj(t)加入高斯白噪声的轨道振动序列的最大值和最小值；

步骤B：求出列车振动信号组和轨道振动信号组的平均值，计算公式为：

其中，C_列车为列车振动信号组平均值，C_轨道为轨道振动信号组平均值。

进一步地，每个x_mi(t)和x_nj(t)添加的一对高斯白噪声均不相同。根据列车振动信号和轨道振动信号的强度和频率的不同，每次对列车振动信号和轨道振动信号添加的白躁声也不相同，提高降噪效果，提高得到列车振动信号和轨道振动信号的准确性。

进一步地，在步骤1和步骤2之间还包括判断轨道振动信号组和列车振动信号组中的每个振动信号是否在轨道振动信号和列车振动信号的参考强度阈值范围内，若是，则对应振动信号为轨道振动信号或者列车振动信号，否则，去除对应振动信号。

进一步地，步骤5中还包括判断经过光线定位装置的物体是否为列车的方法：

计算列车经过光线定位装置的理论时间t：

t＝L/v

其中，L为列车的整体长度，v为列车运行当前速度；

获取物体经过光线定位装置的同一组光发射器和光接收器的时间为t₁，并判断时间t₁是否满足0.9t≤t₁≤1.1t，若是，则当前物体为列车，否则当前物体不是列车。

本发明的有益效果为：本发明中振动传感器对列车和轨道的振动进行实时检测，并将检测结果及时通过通信装置反馈给PC数据处理器，PC数据处理器根据反馈的振动信号分析计算，根据计算结果判定列车是否进站，相比较现有技术中基于测速的列车定位方法，本方案中的定位装置定位精度高，不存在累计误差。

附图说明

图1为基于振动信号的列车定位装置的结构示意图。

图2为基于振动信号的列车定位方法的流程示意图。

具体实施方式

下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。

如图1～2所示，本发明提供了一种基于振动信号的列车定位装置，其包括在车站站点的轨道段上设置有多个第一振动传感器、通信模块、PC数据处理器以及在列车上设置的多个第二振动传感器；多个第一振动传感器和第二振动传感器的型号相同，多个第一振动传感器用于检测车站站点轨道的振动信号，多个第二传感器用于实时检测列车运行时的振动信号，多个第一振动传感器和第二振动传感器与通信模块电性连接，多个第一振动传感器和第二振动传感器获取的振动信号通过通信模块传递给位于车站站点的PC数据处理器，PC数据处理器将多个第一振动传感器采集的信号分为轨道振动信号组，将多个第二振动传感器采集的信号分为列车振动信号组，PC数据处理器分别计算轨道振动信号组和列车振动信号组的平均值和两者平均值之间的差值，PC数据处理器内有预设差值，判断轨道振动信号组和列车振动信号组的平均值之间的差值是否在预设差值范围内，若是，表示列车进站，否则表示列车未进站。本方案采用的是使用振动传感器对列车和轨道的振动进行实时检测，并将检测结果及时通过通信装置反馈给PC数据处理器，PC数据处理器根据反馈的振动信号分析计算，根据计算结果判定列车是否进站，相比较现有技术中基于测速的列车定位方法，本方案中的定位装置不存在累计误差，定位精度高。

具体地，通信模块为无线网络通讯模块，其型号可以为AB433A485信号无线通信模块；多个第二振动传感器间隔均匀设置在列车上，可以综合测出列车运行时的振动信号，测出的列车振动信号更为准确；

PC数据处理器内预先设置有轨道振动信号和列车振动信号参考强度阈值，可以去除不在振动信号参考强度阈值范围内的干扰的振动信号，提高振动信号的准确性，提升列车的定位精度。

列车定位装置还包括沿车站站点轨道设置的光线定位装置，光线定位装置包括多个光发射器和光接收器；多个光发射器设置于轨道的一侧，多个光发射器形成光发射器阵列；多个光接收器设置于轨道的另一侧，多个光接收器形成光接收器阵列；光接收器阵列用于接受光发射器阵列发射的光线并生成电平感应信号，光接收器阵列通过通信模块与PC数据处理机电性连接。

PC数据处理机根据光接收器阵列生成的电平感应信号判断列车是否进入车站站点，当列车没有经过光线定位装置时，光接收器阵列接收光发射器阵列发出的全部光线，此时PC数据处理机接收到的电平感应信号处于高电平状态；当列车经过光线定位装置时，列车会部分阻挡光发射器阵列发出的光线，此时PC数据处理机接收到的电平感应信号处于低电平状态。基于振动信号和光线定位装置来综合判断列车是否进入车站站点，定位精度高，判断误差小。

本发明还提供一种基于振动信号的列车定位的定位方法，其包括以下步骤：

步骤1：PC数据处理机接收到多个第一振动传感器和第二振动传感器传递的信号，将多个第一振动传感器采集的振动信号分为轨道振动信号组，将多个第二振动传感器采集的振动信号分为列车振动信号组；

步骤2：计算轨道振动信号组的平均值；

步骤3：计算列车振动信号组的平均值；

步骤4：PC数据处理机实时计算出轨道振动信号平均值与列车振动信号平均值之间的差值，将差值与预设差值比较，若差值在预设差值范围内，则进入步骤5；否则，返回步骤1；

步骤5：根据发射器阵列的电平感应信号，判断光线定位装置的电平感应信号是否处于低电平状态，若是，则列车进入车站站点，否则返回步骤1。

步骤5中还包括判断经过光线定位装置的物体是否为列车的方法：

计算列车经过光线定位装置的理论时间t：

t＝L/v

其中，L为列车的整体长度，v为列车运行当前速度；

获取物体经过光线定位装置的同一组光发射器和光接收器的时间为t_1，并判断时间t_1是否满足0.9t≤t_1≤1.1t，若是，则当前物体为列车，否则当前物体不是列车。

进一步地，其中，步骤2和步骤3中得到列车振动信号平均值和轨道振动信号组的平均值的方法包括以下步骤：

其中，步骤2和步骤3中得到列车振动信号平均值和轨道振动信号组的平均值的方法包括：

步骤A：将列车振动信号组分为M组振动信号，每组振动信号包括I个振动信号，将轨道振动信号分为N组振动信号，每组振动信号包括J个振动信号，

分别对列车振动信号和轨道振动信号添加一对幅值相同、相位相反的高斯白噪声，得到I和J个加入白噪声后的序列振动信号，计算公式为：

P_mi＝x_mi(t)+n_mi(t)，N_mi＝x_mi(t)-n_mi(t)，

P_nj＝x_nj(t)+n_nj(t)，N_nj＝x_nj(t)-n_nj(t)

其中，x_mi(t)为随时间测得的第m组列车振动信号中的第i个列车振动信号，1≤i≤I，I为每组列车振动信号的个数，1≤m≤M，M为列车振动信号组的组数；x_nj(t)为随时间测得的第n组轨道振动信号中的第j个轨道振动信号，1≤j≤J，J为每组轨道振动信号的个数，1≤n≤N，N为轨道振动信号组的组数；n_mi(t)和n_nj(t)分别为x_mi(t)和x_nj(t)添加的高斯白噪声序列，P_mi和N_mi为x_mi(t)加入高斯白噪声后的列车振动序列的最大值和最小值；P_nj和N_nj为x_nj(t)加入高斯白噪声的轨道振动序列的最大值和最小值；

步骤B：求出列车振动信号组和轨道振动信号组的平均值，计算公式为：

其中，C_列车为列车振动信号组平均值，C_轨道为轨道振动信号组平均值。

进一步地，每个x_mi(t)和x_nj(t)添加的一对高斯白噪声均不相同。根据列车振动信号和轨道振动信号的强度和频率的不同，每次对列车振动信号和轨道振动信号添加的白躁声也不相同，提高降噪效果，提高得到列车振动信号和轨道振动信号的准确性。

进一步地，在步骤1和步骤2之间还包括判断轨道振动信号组和列车振动信号组中的每个振动信号是否在轨道振动信号和列车振动信号的参考强度阈值范围内，若是，则对应振动信号为轨道振动信号或者列车振动信号，否则，去除对应振动信号。

本方案的原理是在列车上和车站站点轨道上分别设置有多个振动传感器，振动传感器实时监测列车运行时和轨道的振动强度，并将采集到的振动强度信号转变为电信号，通过通信装置传递给PC数据处理机，PC数据处理机通过分析计算出列车的振动信号和轨道的振动信号以及两者之间的差值，判断振动信号是否属于列车的振动信号和轨道的振动信号，和将两者的差值与PC数据处理机内的预设差值进行比较分析，判断出列车是否进入车站站台；再结合沿车站站点轨道设置的光线定位装置生成的电平感应信号，综合判断列车是否进入车站站点。

本发明中振动传感器对列车和轨道的振动进行实时检测，并将检测结果及时通过通信装置反馈给PC数据处理器，PC数据处理器根据反馈的振动信号分析计算，根据计算结果判定列车是否进站，相比较现有技术中基于测速的列车定位方法，本方案中的定位装置定位精度高，不存在累计误差。

Claims (9)

1.一种基于振动信号的列车定位装置，其特征在于，包括在车站站点轨道处设置的多个第一振动传感器、通信模块、PC数据处理机和在列车上设置的多个第二振动传感器；

多个所述第一振动传感器用于检测车站站点轨道的振动信号；

多个所述第二振动 传感器用于实时检测列车运行时的振动信号；

多个第一振动传感器和多个第二传感器均与所述通信模块电性连接，通信模块与所述PC数据处理机电性连接；

PC数据处理机用于接收通信模块上传的多个第一振动传感器采集的轨道振动信号组和多个第二振动传感器采集的列车振动信号组；之后分别计算轨道振动信号组和列车振动信号组的平均值及两个平均值之间的差值，并判断两个平均值之间的差值是否在预设差值范围内，若是，则为列车进站，否则为列车未进站。

2.根据权利要求1所述的基于振动信号的列车定位装置，其特征在于，所述通信模块为无线网络通讯模块。

3.根据权利要求2所述的基于振动信号的列车定位装置，其特征在于，多个所述第二振动传感器等间隔设置在列车上。

4.根据权利要求1所述的基于振动信号的列车定位装置，其特征在于，还包括沿车站站点轨道设置的光线定位装置，所述光线定位装置包括多个光发射器和光接收器；多个所述光发射器设置于轨道的一侧，多个光发射器形成光发射器阵列；多个所述光接收器设置于轨道的另一侧，多个光接收器形成光接收器阵列；所述光接收器阵列用于接受光发射器阵列发射的光线并生成电平感应信号，光接收器阵列通过所述通信模块与所述PC数据处理机电性连接。

5.一种根据权利要求1～4任一所述的基于振动信号的列车定位装置的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：PC数据处理机接收到多个第一振动传感器和第二振动传感器传递的信号，将多个第一振动传感器采集的振动信号分为轨道振动信号组，将多个第二振动传感器采集的振动信号分为列车振动信号组；

步骤2：计算轨道振动信号组的平均值；

步骤3：计算列车振动信号组的平均值；

步骤4：PC数据处理机实时计算出轨道振动信号组平均值与列车振动信号组平均值之间的差值，将差值与预设差值比较，若差值在预设差值范围内，则进入步骤5；否则，返回步骤1；

步骤5：根据光接收器生成 的电平感应信号，判断光线定位装置的电平感应信号是否处于低电平状态，若是，则列车进入车站站点，否则返回步骤1。

6.根据权利要求5所述的基于振动信号的列车定位装置的定位方法，其特征在于，步骤2和步骤3中得到列车振动信号组平均值和轨道振动信号组的平均值的方法包括：

步骤A：将列车振动信号组分为M组振动信号，每组振动信号包括I个振动信号，将轨道振动信号分为N组振动信号，每组振动信号包括J个振动信号，

分别对列车振动信号和轨道振动信号添加一对幅值相同、相位相反的高斯白噪声，得到I和J个加入白噪声后的序列振动信号，计算公式为：

P_mi＝x_mi(t)+n_mi(t)，N_mi＝x_mi(t)-n_mi(t)，

P_nj＝x_nj(t)+n_nj(t)，N_nj＝x_nj(t)-n_nj(t)

其中，x_mi(t)为随时间测得的第m组列车振动信号中的第i个列车振动信号，1≤i≤I，I为每组列车振动信号的个数，1≤m≤M，M为列车振动信号组的组数；x_nj(t)为随时间测得的第n组轨道振动信号中的第j个轨道振动信号，1≤j ≤J，J为每组轨道振动信号的个数，1≤n≤N，N为轨道振动信号组的组数；

n_mi(t)和n_nj(t)分别为x_mi(t)和x_nj(t)添加的高斯白噪声序列，P_mi和N_mi为x_mi(t)加入高斯白噪声后的列车振动序列的最大值和最小值；P_nj和N_nj为x_nj(t)加入高斯白噪声的轨道振动序列的最大值和最小值；

步骤B：求出列车振动信号组和轨道振动信号组的平均值，计算公式为：

其中，C_列车为列车振动信号组平均值，C_轨道为轨道振动信号组平均值。

7.根据权利要求6所述的基于振动信号的列车定位装置的定位方法，其特征在于，每个xmi(t)和xnj(t)添加的一对高斯白噪声均不相同。

8.根据权利要求7所述的基于振动信号的列车定位装置的定位方法，其特征在于，在步骤1和步骤2之间还包括判断轨道振动信号组和列车振动信号组中的每个振动信号是否在轨道振动信号和列车振动信号的参考强度阈值范围内，若是，则对应振动信号为轨道振动信号或者列车振动信号，否则，去除对应振动信号。

9.根据权利要求5所述的基于振动信号的列车定位装置的定位方法，其特征在于，步骤5中还包括判断经过光线定位装置的物体是否为列车的方法：

计算列车经过光线定位装置的理论时间t：

t＝L/v

其中，L为列车的整体长度，v为列车运行当前速度；

获取物体经过光线定位装置的同一组光发射器和光接收器的时间为t₁，并判断时间t₁是否满足0.9t≤t₁≤1.1t，若是，则当前物体为列车，否则当前物体不是列车。

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