CN114518141B - 一种高精度列车测速测距方法及车载测速测距单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度列车测速测距方法及车载测速测距单元，方法包括：获取多个列车传感器经过地面定位设备时的传感信号，根据传感信号确定列车运行距离；所述多个列车传感器沿列车直线运行方向以第二间距等距离安装在该列车上，数量大于3；所述地面定位设备在铁路线路上以第一间距等间距布设。本发明的高精度列车测速测距方法及车载测速测距单元，可实现高精度测速测距要求，且测速测距精度可根据系统设计要求进行调整。本发明可适用于轮轨列车和磁浮列车，具有测距精度高的特点。

Description

一种高精度列车测速测距方法及车载测速测距单元

技术领域

本发明属于轨道交通领域，特别涉及一种高精度列车测速测距方法及车载测速测距单元。

背景技术

随着轨道交通技术的发展，精确的测速测距(定位)显得尤为重要。现有的列车测速测距技术主要有以下几种：

1.使用安装在轮轨列车车轮上的轮轴转速传感器实现列车测速测距。通过在车轮安装测速齿轮和传感器，假如测速齿轮的齿数为n，车轮半径为r，则车轮周长为2πr，当安装在齿轮上的传感器在时间t期间采集到一个测速齿轮的脉冲时，列车运行的距离为d＝2πr/n，列车运行的速度为v＝d/t。本测速方法只能应用在轮轨列车上，且测速精度受限于测速齿轮的齿数限制。

2.使用多普勒雷达测速传感器实现列车测速测距。在低速情况下，本测速方法测速精度较差，且容易受到雨雪天气的影响。

3.使用加速度计传感器实现列车测速测距。在低速情况下，本测速方法测速精度较差。

4.磁浮列车的基于长定子齿槽计数的测速方法。本测速方法只能应用在磁浮列车上。

5.基于地面轨枕计数的测速方法。本测速精度受限于地面轨枕间距的限制，测速精度较差。

测速测距系统主要任务是向列车控制系统提供实时的速度和/或位移信息，为提高测速测距精度和可用性，常见的测速测距系统主要采用多传感器(如，轮轴转速传感器、多普勒雷达传感器、加速度计传感器、卫星定位传感器等)融合的方式，即冗余方案。

现有的测速测距首尾冗余方案有以下3种：

(1)宁云转设计了一种多源传感器融合定位方法，充分利用了各传感器自身的优势，将加速度计传感器、轮轴转速传感器、卫星传感器测量的数据进行融合，并根据数据采集周期，进行数据融合前时间统一，融合后数据修正，不仅提高了列车控制系统定位的可用性，并有效的避免了各传感器的缺陷，很大程度上保证了列车速度、位移信息的精准度。详见宁云转的《一种多源传感器融合定位方法》。

(2)朱炳强设计了一种列车测速方法和装置，通过采集多个接近式传感器经过同一个轨枕时所发出的传感信号数据，得到一组依据传感器编号次序排列的传感信号数据，根据接近式传感器的间距，除以对应的相邻接近式传感器编号所对应的接近式传感器发出的同一传感信号的时间间隔，计算得到列车的速度。该发明可适用于无车轮列车的行驶速度测量，具有较强的适用性。详见朱炳强的《一种列车测速方法和装置》。

(3)孟凡江设计了一种基于头尾冗余的测速测距系统硬件架构，在不增加传感器数量的前提下，通过将列车两端传感器共享，实现了双端车载测速传感器的安全冗余，详见孟凡江的《一种基于多传感器融合的冗余测速测距系统设计》。

现有技术中缺少便于根据系统设计要求调整的高精度列车测速测距方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高精度列车测速测距方法，该方法可应用于轮轨列车和磁浮列车，该方法可实现高精度测速测距要求，且测速测距精度可根据系统设计要求进行调整。

本发明提供一种高精度列车测速测距方法，包括：

获取多个列车传感器经过地面定位设备时的传感信号，根据传感信号确定列车运行距离；

所述多个列车传感器沿列车直线运行方向以第二间距等距离安装在该列车上，数量大于3；

所述地面定位设备在铁路线路上以第一间距等间距布设。

进一步地，第二间距为第一间距与测距精度的差值。

进一步地，

多个列车传感器的数量为第一数量N＝d/p；

其中，d为所述第一间距，p为所述测距精度。

进一步地，根据传感信号确定列车运行距离包括:

根据列车经过的地面定位设备计数和传感信号对应的列车传感器的编号确定列车运行距离。

进一步地，根据传感信号确定列车运行距离包括:

确定多个列车传感器中的一个列车传感器为基准传感器，将该基准传感器的传感信号作为基准传感信号；

根据采集的基准传感信号的数量确定列车经过的地面定位设备计数；

根据地面定位设备计数和所述第一间距确定列车运行的第一距离。

进一步地，根据传感信号确定列车运行距离包括:

基准传感器每经过一个地面定位设备，则产生一个基准传感信号,后去从列车经过第一个地面定位设备之后的m个基准传感信号，则列车行驶的距离为第一距离s1＝d*m。

进一步地，根据传感信号确定列车运行距离包括:

所述基准传感器为按照列车运行方向的后方第1个传感器，

列车经过第一距离后，根据从基准传感器按照列车运行方向的后方第n个列车传感器的传感信号和测距精度，确定列车运行到达第二距离。

进一步地，所述第二距离根据以下计算式确定：

第二距离为s2＝s1+p*(N-n+1),其中，s1为所述第一距离，p为所述测距精度，N为所述第一数量。

进一步地，根据传感信号确定列车运行距离包括:

所述基准传感器为按照列车运行方向的后方第1个传感器，

列车经过第一距离后，根据从基准传感器按照列车运行方向的后方第n个列车传感器的传感信号和测距精度，确定列车当前运行的第二距离为s2,

s2≥s1+p*(N-n+1)，且s2≤s1+p*(N-n+2)；

其中，s1为所述第一距离，p为所述测距精度，N为所述第一数量，n表示。

进一步地，根据传感信号确定列车运行距离包括:

根据所述第二距离和修正增量确定列车当前运行距离；

所述修正增量为在时间差值内按照列车速度运行的距离；

所述时间差值为当前时间与最近接收到的传感信号的采集时间的时间差值。

进一步地，

列车当前运行距离s＝s1+p*(N-n+1)+v*Δt，其中，当计算得到s≥s1+p*(N-n+2)时，取s＝d*m+p*(N-n+2)；

其中，s1为所述第一距离，p为所述测距精度，N为所述第一数量，n为最新时刻传感数据对应的列车传感器的编号，该列车传感器为从基准传感器按照列车运行方向的后方第n个列车传感器，Δt为当前时间与最近接收到的传感信号的采集时间的时间差值，v为列车速度。

进一步地，根据传感信号确定列车运行距离包括:

将列车运行方向上第N个传感器作为基准传感器，则采集m个基准传感信号后，列车运行到达第一距离s1＝d*m；

此后，当列车采集到第n个传感器的传感信号时，表明列车运行到达第二距离s2＝d*m+p*(N-n)，其中，p为所述测距精度，N为所述第一数量。

进一步地，根据传感信号确定列车运行距离包括:

将根据列车经过的地面定位设备计数和传感信号对应的列车传感器的编号确定的列车运行距离作为初步确定的列车运行距离；

根据列车速度对初步确定的列车运行距离进行修正。

进一步地，还包括根据传感信号确定列车速度:

根据传感信号对应的地面定位设备的距离除以采集时间间隔，计算每个传感信号对应的列车的实时速度；

将多个列车实时速度对应时间进行拟合，得到速度随时间变化的速度拟合函数；

通过速度拟合函数获得列车速度。

本发明还提供一种高精度车载测速测距单元，所述高精度车载测速测距单元用于执行上述的高精度列车测速测距方法。

本发明的高精度列车测速测距方法及车载测速测距单元，可实现高精度测速测距要求，且测速测距精度可根据系统设计要求进行调整。本发明可适用于轮轨列车和磁浮列车，具有测距精度高的特点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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示出了根据本发明实施例的高精度列车测速测距方法的传感器布设结构示意图。

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、完整地说明，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做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。

本发明实施例提供一种高精度列车测速测距方法及车载测速测距单元，可实现高精度测速测距要求，且测速测距精度可根据系统设计要求进行调整。

本发明实施例通过获取多个列车传感器经过地面定位设备时的传感信号，根据传感信号确定列车运行距离(或位置)。更进一步地，通过地面定位设备计数与修正增量相结合的方式，精确确定列车位置。其中，地面定位设备是沿轨道布设的定位设备，能够在列车经过时发送和/或接收信号，从而列车传感器能够产生传感信号，以确定列车经过该地面定位设备。具体地，地面定位设备可以采用光栅、环线或者轨枕，相应地，列车上安装的传感器可以是光栅传感器、环线天线和接近传感器。在列车上面安装的多个传感器(光栅传感器/环线天线/接近传感器)，采集传感器经过的固定间距安装的光栅/环线/轨枕时的传感信号，得到多组依据列车传感器顺序编号对应的传感信号，依据采集到的传感信号确定列车的运行方向、运行距离(列车位置)和运行速度中至少之一。进一步地，通过光栅/环线/轨枕计数+修正增量的方法确定运行距离和列车速度。其中，修正增量是指根据列车速度计算列车实际位移偏差，根据该实际位移偏差修正初步确定的列车运行距离。

本发明实施例的测速测距方法通过以下备实现。

(1)地面定位设备：安装在地面的光栅或环线或轨枕；本发明实施例以金属轨枕为例进行说明。

(2)列车传感器：安装在列车上的传感器(光栅传感器或环线天线或接近传感器)，用于采集列车经过地面定位设备时的传感信号；本发明实施例以接近传感器为例进行说明。

(3)车载测速测距单元：安装在列车上，用于采集列车传感器的传感信号，本发明实施例中，传感信号可以是脉冲信号。车载测速测距单元对传感信号进行处理融合，计算列车运行方向、列车位置和列车速度。

如图1所示，地面定位设备在铁路线路上以第一间距等间距布设。第一间距为d,单位可以精确到cm。且地面定位设备在全线进行安装。

多个列车传感器沿列车直线运行方向以第二间距等距离安装，数量大于3。示例性地，10个列车传感器直线排列等间隔安装在列车上。第二间距根据系统设计的测距精度确定。不失一般性地，第二间距为第一间距与测距精度的差值。设第一数量为第一间距与测距精度的比值。示例性地，系统设计的测距精度为p，单位：cm，则列车传感器的安装间距，即第二间距为d-p，不失一般性地，列车传感器的安装数量为第一数量N＝d/p。不失一般性地，将列车上的传感器按照列车运行方向从前到后依次编号为1、2、3……N。

根据多个列车传感器的传感信号，计算列车运行方向、列车位置和列车速度。

(1)列车运行方向判定

列车传感器的传感信号数据无变化时，车载测速测距单元判定列车处于静止状态。

当列车传感器的传感信号发生一定量的变化时，判定列车开始运动。当列车由静止状态开始运动时，列车测速测距单元采集列车上传感器的传感信号数据并记录采集时间。当列车向前运动时，每个轨枕上采集到的传感信号依据采集时间进行排序为按照编号1、2、3……N的正向排序，则测速测距单元判定列车正向运动。反之，当列车向后运动时，每个轨枕上采集到的传感信号数据依据采集时间进行排序为N……3、2、1的反向排序，则测速测距单元判定列车反向运动。因此，当针对一个指定地面定位设备采集的传感信号数据的先后顺序与列车传感器编号正向排序一致时，则判定列车正向运行。当针对一个指定地面定位设备采集的传感信号数据的先后顺序与列车传感器编号反向排序一致时，则判定列车方向运行。其中，列车传感器编号正向排序是指传感器从车头向车尾的排列编号顺序，传感器编号反向排序与此相反，是传感器从车尾向车头排列的编号顺序。

当列车由运动状态变为静止状态时，列车测速测距单元采集列车上的传感器的传感信号无变化，测速测距单元判定列车处于静止状态，无运动方向。

(2)计算列车位置

当列车由静止状态开始运动时，列车测速测距单元采集列车上传感器的传感信号并记录采集时间。根据传感信号对应的地面定位设备计数和传感信号对应的列车传感器的编号确定列车运行距离。

确定多个列车传感器中的一个列车传感器为基准传感器，将该基准传感器的传感信号作为基准传感信号；根据采集的基准传感信号的数量确定列车经过的地面定位设备计数，确定列车运行的第一距离。

当采集到m个基准传感信号时，根据基准传感信号个数与第一间距确定列车运行的第一距离。具体地，编号为1的传感器为基准传感器，基准传感器每经过一个地面定位设备，则产生一个基准传感信号,列车测速测距单元接从列车经过第一个地面定位设备之后收到m个基准传感信号，则列车行驶的距离为第一距离s1＝d*m。其中，m个基准传感信号是指从列车经过一个地面定位设备，触发传感信号采集和计数之后再获取的基准传感信号个数。即，m不包含第一距离起点的传感信号基数。在另外的实施例中，也可以在列车运行过程中，连续采集m个基准传感信号，列车行驶的距离为第一距离s1＝d*(m-1)，即m个基准传感信号包含第一距离的首端基准传感信号。

列车行驶第一距离后，根据后续接收的传感信号的传感器编号、第一距离和测距精度确定列车行驶的第二距离。本发明实施例中，第二距离为根据后续接收的传感信号的传感器信号确定的距离，并不限定为一个特定距离，具体如下。

当列车继续向前运行距离p时，此时测速测距单元的编号为N的传感器接收到传感信号，则列车行驶的第二距离s2＝d*m+p；当列车继续向前运行距离p时，此时测速测距单元的编号为N-1的传感器接收到传感信号，则列车行驶的第二距离s2＝d*m+p*2。

因此，当列车接收到m个基准传感信号后，根据从基准传感器(第1个列车传感器)按照列车运行方向的后方第n个列车传感器的传感信号和测距精度，确定列车运行到达第二距离，第二距离为s2＝s1+p*(N-n+1),s2＝d*m+p*(N-n+1)。

按照脉冲采集时间排序，测速测距单元采集到的最新时刻的传感器编号为n(n∈(1……N))时,则列车行驶的当前运行的第二距离s2≥s1+p*(N-n+1)，且s2≤s1+p*(N-n+2)，即s2≥d*m+p*(N-n+1)，且s2≤d*m+p*(N-n+2)。

不失一般性地，也可以选择基准传感器和基准传感器前方的列车传感器进行距离计算，例如将列车运行方向上第N个传感器作为基准传感器，则采集m个基准传感信号后，列车运行第一距离s1＝d*m。此后，列车依次采集到第N-1、N-2个传感器的传感信号。当列车采集到第n个传感器的传感信号时，表明列车运行到达第二距离s2＝d*m+p*(N-n)，其中，s1为所述第一距离，p为所述测距精度，N为所述第一数量。

列车传感器安装个数也可以少于第一数量N或者多于第一数量N，均可以参考上述计算方式根据传感信号对应的传感器编号与基准传感器的关系确定列车的运行的第二距离。

(3)计算列车速度

列车测速测距单元根据采集的传感信号和对应的采集时间，确定列车速度。例如，根据第一距离和第一距离首尾传感信号采集时间确定列车的平均速度。本发明实施例优选地采用速度拟合函数获得列车速度，具体如下。

列车测速测距单元根据传感信号对应的地面定位设备的距离除以采集时间间隔，计算对应的列车的实时速度。将多个列车实时速度对应时间进行拟合，得到速度随时间变化的速度拟合函数。通过速度拟合函数获得列车速度v。

本发明实施例中，传感信号中包含对应的列车传感器的编号和对应的地面定位设备的标识(即激发产生该传感信号的地面定位设备的标识)，从而根据列车传感器的编号和对应的地面定位设备的标识能够确定任意两个传感信号的距离，从而可以获取相邻传感信号对应的地面定位设备的距离。基于本发明的列车传感器和地面定位设备的布设方式，该距离可以达到很小，从而实现获得准确的速度拟合函数，精确确定速度。

根据列车速度和当前时间与最近接收到的传感信号的采集时间的时间差值，确定列车当前运行距离。列车当前运行距离为第二距离加上修正增量，其中修正增量为在时间差值内按照列车速度运行的距离，即实际位移偏差。

当计算得到列车速度v后，再通过列车速度对列车行驶距离进行校正，当列车接收到m个基准传感信号后，按照脉冲采集时间排序，测速测距单元采集到的最新时刻的传感器编号为n(n∈(1……N)),则列车行驶的距离为s2≥d*m+p*(N-n+1)，且s2≤d*m+p*(N-n+2)。测速测距单元当前时间与最近接收到的传感信号的采集时间的时间差值为Δt，则列车行驶的距离s＝d*m+p*(N-n+1)+v*Δt，其中，当s≥d*m+p*(N-n+2)时，s＝d*m+p*(N-n+2)。

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 (12)

1.一种高精度列车测速测距方法，其特征在于，包括：

获取多个列车传感器经过地面定位设备时的传感信号，根据传感信号确定列车运行距离；

所述多个列车传感器沿列车直线运行方向以第二间距等距离安装在该列车上，数量大于3；

所述地面定位设备在铁路线路上以第一间距等间距布设；

第二间距为第一间距与列车传感器的测距精度的差值

；

多个列车传感器的数量为第一数量N=d/p；

其中，d为所述第一间距，p为所述测距精度；

根据传感信号确定列车运行距离包括:

确定多个列车传感器中的一个列车传感器为基准传感器，将该基准传感器的传感信号作为基准传感信号；

根据采集的基准传感信号的数量确定列车经过的地面定位设备计数；

根据地面定位设备计数和所述第一间距确定列车运行的第一距离。

2.根据权利要求1所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，根据传感信号确定列车运行距离包括:

根据列车经过的地面定位设备计数和基准传感信号对应的列车传感器的编号确定列车运行距离。

3.根据权利要求2所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，根据传感信号确定列车运行距离包括:

基准传感器每经过一个地面定位设备，则产生一个基准传感信号,后续采集列车经过第一个地面定位设备之后的m个基准传感信号，则列车行驶的距离为第一距离s1=d*m。

4.根据权利要求2所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，根据传感信号确定列车运行距离包括:

所述基准传感器为按照列车运行方向的后方第1个传感器，

列车经过第一距离后，根据从基准传感器按照列车运行方向的后方第n个列车传感器的传感信号和测距精度，确定列车运行到达第二距离。

5.根据权利要求4所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，所述第二距离根据以下计算式确定：

第二距离为s2=s1 + p*(N-n+1),其中，s1为所述第一距离，p为所述测距精度，N为所述第一数量。

6.根据权利要求2所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，根据传感信号确定列车运行距离包括:

所述基准传感器为按照列车运行方向的后方第1个传感器，

列车经过第一距离后，根据从基准传感器按照列车运行方向的后方第n个列车传感器的传感信号和测距精度，确定列车当前运行的第二距离为s2,

s2≥s1 + p*(N-n+1)，且s2≤s1 + p*(N-n+2)；

其中，s1为所述第一距离，p为所述测距精度，N为所述第一数量。

7.根据权利要求6所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，根据传感信号确定列车运行距离包括:

根据所述第二距离和修正增量确定列车当前运行距离；

所述修正增量为在时间差值内按照列车速度运行的距离；

所述时间差值为当前时间与最近接收到的传感信号的采集时间的时间差值。

8.根据权利要求7所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，

列车当前运行距离s=s1 + p*(N-n+1)+v*Δt，其中，当计算得到s≥s1 + p*(N-n+2)时，取s= d*m + p*(N-n+2)；

其中，s1为所述第一距离，p为所述测距精度，N为所述第一数量，n为最新时刻传感数据对应的列车传感器的编号，该列车传感器为从基准传感器按照列车运行方向的后方第n个列车传感器，Δt为当前时间与最近接收到的传感信号的采集时间的时间差值，v为列车速度。

9.根据权利要求2所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，根据传感信号确定列车运行距离包括:

将列车运行方向上第N个传感器作为基准传感器，则采集m个基准传感信号后，列车运行到达第一距离s1=d*m；

此后，当列车采集到第n个传感器的传感信号时，则确定列车运行到达第二距离s2=d*m+ p*(N-n)，其中，p为所述测距精度，N为所述第一数量。

10.根据权利要求2-9中任一项所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，根据传感信号确定列车运行距离包括:

将根据列车经过的地面定位设备计数和基准传感信号对应的列车传感器的编号确定的列车运行距离作为初步确定的列车运行距离；

根据列车速度对初步确定的列车运行距离进行修正。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的高精度列车测速测距方法，其特征在于，还包括根据传感信号确定列车速度:

根据传感信号对应的地面定位设备的距离除以采集时间间隔，计算每个传感信号对应的列车的实时速度；

将多个列车实时速度对应时间进行拟合，得到速度随时间变化的速度拟合函数；

通过速度拟合函数获得列车速度。

12.一种高精度车载测速测距单元，其特征在于，所述高精度车载测速测距单元用于执行权利要求1-11中任一项所述的高精度列车测速测距方法。

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