CN112731407B - 一种基于超声波检测的列车定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波检测的列车定位方法，其包括在列车的设定数量的设定位置分别安装高度计；高度计以设定时间间隔监测列车运行过程中枕轨的缺陷特征，获取各自的缺陷特征数据；通过波形比对算法，根据设定的精确度，分别用缺陷特征数据与预先测量得到的数据库中数据对比，得到各高度计对应的位置数据；对比各位置数据，当存在位置数据相同次数最多的值时，该值为列车的实际位置；当不存在位置数据相同次数最多的值时，重复前一步，直到得到位置数据相同次数最多的值。本发明能够解决现有技术中列车绝对定位的精度不高、存在误差的问题，效率高、准确性强、省时省力。

Description

一种基于超声波检测的列车定位方法
技术领域
本发明涉及轨道列车定位技术领域，具体涉及一种基于超声波检测的列车定位方法。
背景技术
随着城市的不断发展以及人口的日益增多，城市交通问题日益突出。地铁、轻轨具备客运量大、速度快、污染少等特点，成为了解决大中城市交通问题的首选方案。由于轨道交通列车运行密度高、车站间距近的特点，为了可以更好地保证安全、发挥效率、为乘客提供最佳服务，实时、精确地确定列车在线路中的位置就显得尤为重要。列车定位的准度和精度也直接关系到列车自动防护系统的安全性，这在CBTC(基于通信的列车控制)信号系统中表现得尤为突出。
列车的绝对定位是指通过车载查询设备读取地面定位设备得到列车当前的位置，目前常见的绝对定位方法有轨道电路、信标定位、全球定位系统(GPS)等。
但轨道电路定位方式缺点是定位精度取决于轨道电路的长度，定位精度不高，基础建设投入大。
采用信标定位技术的信息传递是间断的，即当列车从一个信息点获得地面信息后，要到下一个信息点才能更新信息，若其间地面情况发生变化，就无法立即将变化的信息实时传递给列车，不同路况，情况复杂。因此，信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段，且基础建设投入大。
卫星定位作为主要方法具有适用性，但是受环境影响较大，出现如列车在隧道内行驶则无法进行定位，信息传递不及时且有误差，定位精度不高等问题。
除此之外，还有ETCS系统和LAIS系统，这两种系统是在全世界范围内适用的铁路监控系统，但由于其基础原理仍是全球定位包括信标定位的技术，也存在无法弥补的缺陷。
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列车绝对定位的精度不高、存在误差的问题的基于超声波检测的列车定位方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
提供了一种基于超声波检测的列车定位方法，其包括如下步骤：
S1、在列车的设定数量的设定位置分别安装高度计；
S2、高度计以设定时间间隔监测列车运行过程中枕轨的缺陷特征，获取各自的缺陷特征数据；
S3、通过波形比对算法，根据设定的精确度，分别用缺陷特征数据与预先测量得到的数据库中数据对比，得到各高度计对应的位置数据；
S4、对比各位置数据，当存在位置数据相同次数最多的值时，该值为列车的实际位置；当不存在位置数据相同次数最多的值时，重复步骤S3，直到得到位置数据相同次数最多的值。
本发明提供的上述基于超声波检测的列车定位方法的主要有益效果在于：
本发明通过选择轨道上现有的具有缺陷特征的轨枕作为定位点，不需要额外设置枕轨以外的标定装置，可以显著节约成本。
由于定位的精度是由两个定位点间距离决定，所以想要提高定位精度，只需要选择两个距离更近的轨枕并稍加改造即可，技术简单、操作灵活、应用方便、施工难度不大。
利用高度计释放的超声波识别技术来实现特定轨枕的识别是一种非接触式的检测手段，相对于接触式测量，可靠性高。
附图说明
图1为本发明基于超声波检测的列车定位方法的流程图。
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，其为本发明基于超声波检测的列车定位方法的流程图。
本发明的基于超声波检测的列车定位方法包括如下步骤：
S1、在列车的设定数量的设定位置分别安装高度计。
进一步地，高度计位于列车底部正对枕轨的位置处。
高度计至少有三个且间距相同。通过设置多个高度计，以尽可能获取较多的监测数据，保证定位的准确性和可靠性。
S2、高度计以设定时间间隔监测列车运行过程中枕轨的缺陷特征，获取各自的缺陷特征数据。
进一步地，缺陷特征数据为包含若干缺陷特征对应波形的数组，其表示为：
X＝{X1,X2,X3,……,Xm-1,Xm}，
其中，m为缺陷特征波形数，Xm为第m个波形的幅度值，X为波形的数组对应的向量，即波形向量。
一般地，对特定不存在缺陷的枕轨，其幅度值为0，不作为定位点使用，以避免出现误差。
S3、通过波形比对算法，根据设定的精确度，分别用缺陷特征数据与预先测量得到的数据库中数据对比，得到各高度计对应的位置数据。
进一步地，预先测量得到的数据库为通过单个高度计测量得到的枕轨缺陷波形数组与枕轨所在位置的一一对应数据库。位置可采用GPS定位得到的经纬度值表示。
其中，波形比对算法包括：
S3-1、计算每个波形数组的标准差，表示为：
其中，n为波形采样点个数，xi为具体采样点采样值。
S3-2、根据标准差，对每个测量到的波形数组作归一化处理，计算波形向量Xj与数据库中对应模板Yj的绝对距离Dj，其计算方法为：
Dj＝∑(Xj-Yj)，
j＝1,2,3,……,m；
其中，Xj为单个高度计在j时刻检测到的波形向量。
进一步地，数据库中对应模板Yj的检索方法为根据波形向量Xj中的各幅度值排序后按设定精确度对比得到。
其中，精确度为波形对比个数。精确度最小值为3，最大值为m。通过设置精确度，以减少计算量，提高对比效率。
S3-3、引入修正参数k，使得下述关系成立：
Dj<Dj-1，Dj-Dj-1/Dj-1<rth，其中j＝k，k-1，…1，
其中，
rth为绝对距离的阈值。通过设置阈值，以减少不必要的计算量。
S3-4、计算波形向量Xj与数据库中对应模板Yj的相似系数ρxy，其计算方法为：
其中，Cov(X,Y)为协方差，|ρxy|<1表示两者不相关，|ρxy|＝1表示两个信号完全形同。
S4、对比各位置数据，当存在位置数据相同次数最多的值时，该值为列车的实际位置；当不存在位置数据相同次数最多的值时，重复步骤S3，直到得到位置数据相同次数最多的值。
位置数据即包含波形向量Xj所在位置与绝对距离Dj的数组。
通过比对两者之间的绝对距离，可实现输入波形信号与模板之间的拟合程度识别，从而达到自动定位的目的。计算简单精确，响应速度快，方便快速对比定位，且成本低廉，适用范围广。
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 (6)

1.一种基于超声波检测的列车定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在列车的设定数量的设定位置分别安装高度计；
S2、高度计以设定时间间隔监测列车运行过程中枕轨的缺陷特征，获取各自的缺陷特征数据；
S3、通过波形比对算法，根据设定的精确度，分别用缺陷特征数据与预先测量得到的数据库中数据对比，得到各高度计对应的位置数据；
所述精确度为波形对比个数；
所述缺陷特征数据为包含若干缺陷特征对应波形的数组，其表示为：
X＝{X1,X2,X3,……,Xm-1,Xm}，
其中，m为缺陷特征波形数，Xm为第m个波形的幅度值，X为波形的数组对应的向量，即波形向量；
所述预先测量得到的数据库为通过单个高度计测量得到的枕轨缺陷波形数组与枕轨所在位置的一一对应数据库；
所述波形比对算法包括：
S3-1、计算每个波形数组的标准差，表示为：
其中，n为波形采样点个数，xi为具体采样点采样值；
S3-2、根据标准差，对每个测量到的波形数组作归一化处理，计算波形向量Xj与数据库中对应模板Yj的绝对距离Dj，其计算方法为：
Dj＝∑(Xj-Yj)，
j＝1,2,3,……,m；
其中，Xj为单个高度计在j时刻检测到的波形向量；
S3-3、引入修正参数k，使得下述关系成立：
Dj<Dj-1，Dj-Dj-1/Dj-1<rth，其中j＝k，k-1，…1，
其中，
rth为绝对距离的阈值；
S3-4、计算波形向量Xj与数据库中对应模板Yj的相似系数ρxy，其计算方法为：
其中，Cov(X,Y)为协方差，|ρxy|<1表示两者不相关，|ρxy|＝1表示两个信号完全形同；
S4、对比各位置数据，当存在位置数据相同次数最多的值时，该值为列车的实际位置；当不存在位置数据相同次数最多的值时，重复步骤S3，直到得到位置数据相同次数最多的值。
2.根据权利要求1所述的基于超声波检测的列车定位方法，其特征在于，所述高度计位于列车底部正对枕轨的位置处。
3.根据权利要求2所述的基于超声波检测的列车定位方法，其特征在于，所述高度计至少有三个且间距相同。
4.根据权利要求3所述的基于超声波检测的列车定位方法，其特征在于，所述数据库中对应模板Yj的检索方法为根据波形向量Xj中的各幅度值排序后按设定精确度对比得到。
5.根据权利要求4所述的基于超声波检测的列车定位方法，其特征在于，所述精确度最小值为3，最大值为m。
6.根据权利要求5所述的基于超声波检测的列车定位方法，其特征在于，所述位置数据即包含波形向量Xj所在位置与绝对距离Dj的数组。
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