TWI652494B - 列車狀態檢測裝置及列車狀態檢測方法 - Google Patents

列車狀態檢測裝置及列車狀態檢測方法 Download PDF

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TWI652494B TW104124858A TW104124858A TWI652494B TW I652494 B TWI652494 B TW I652494B TW 104124858 A TW104124858 A TW 104124858A TW 104124858 A TW104124858 A TW 104124858A TW I652494 B TWI652494 B TW I652494B
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Akira Asano
浅野晃
Hikaru Tsubota
坪田光
Takayuki Inaba
稲葉敬之
Manabu Akita
秋田
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Kyosan Electric Mfg. Co., Ltd.
日商京三製作所股份有限公司
The University Of Electro-Communications
國立大學法人電氣通信大學
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Abstract

提供一種技術，利用都卜勒雷達型感測器，便可以 良好的精度檢測出列車速度及感測器的設置高度。
列車1具有：車輛控制部40、都卜勒雷達型感 測器20、以及感測器檢測部10。在列車1之底面2，以對道床90呈指定的傾斜角θ而設有都卜勒雷達型感測器20。搜尋部30之搜尋執行部31為依據以都卜勒雷達型感測器20檢測的速度資訊V與距離分量RH，計算出列車1的列車速度RV及都卜勒雷達型感測器20的設置高度h。

Description

列車狀態檢測裝置及列車狀態檢測方法
本發明為有關於列車速度檢測裝置及列車速度檢測方法，特別是有關於利用都卜勒雷達型感測器而檢測列車速度或由道床至感測器為止之高度的列車狀態檢測裝置及列車狀態檢測方法。
作為列車的速度檢測方法，已知有檢測車輪迴轉而加以計算的方法。在過去的手法中，為由速度與經過時間求出列車的移動距離，再以累積計算方式確定列車位置。但是，會因車輪的空轉、滑走的發生而造成在計測速度上產生誤差。此外，由於列車行駛而造成車輪有磨耗的情形，因而使得車輪直徑產生變化，故而在計測速度上產生誤差。近年來，要求由搭載於列車的車上裝置辨識自車位置、與所賦予的列車控制訊號進行比較的作業，從而確定自車之停止目標位置等的技術。在此情況下，利用車上裝置來正確地辨識自車位置便顯得相當的重要。因此，提出有搭載於列車上之新的速率計測裝置之需求。
作為此種技術，例如提案有檢測利用都卜勒雷達型感測器檢測列車速度的列車速度檢測裝置(例如，參照非專利文獻1)。具體而言，將包括毫米波之傳送/接收天線的裝置 設置在車輛底部的狀態下，朝軌道照射毫米波、取得反射波。利用都卜勒效應的原理來計算出車輛的速度。以該列車速度檢測裝置為基準而求出自車位置。
【先行技術文獻】 【非專利文獻】
〔非專利文獻1〕笠井貴之等著「使用毫米波的非接觸式速率計之開發」，2012年11月，鐵路自動控制研討會論文集通號49。
不過，在過去使用相對於感測器之地面的傾斜角調整自感測器所得之斜向速度分量的方法中，當感測器與地面(反射位置)的位置關係為恒定偏移時，或是感測器的檢測區域為擴大時(當並非為如雷射般之光束的情況下)，將會有檢測速度誤差變大的問題。
雖然形成反射位置之道床只要設定成相對於感測器為呈均一高度時便能減少問題，但實際上，道床面的高度卻會隨著場所的不同而有所變化，此外，由於會有因為積雪等而造成道床面的高度產生變化、進而有所影響，因此必須要有對策，針對即使因為感測器與地面的距離變化，仍不會發生列車速度之誤差。此外，亦有需求是需要掌握因為如上所述之積雪等而使得道床狀態產生變化的狀態。
本發明為有鑑於以上所述狀況，提供解決上述課 題的技術。
本發明之列車狀態檢測裝置包括：都卜勒雷達型感測器，將對道床呈指定的傾斜角作為送出波的照射方向，設置於列車底部；計測值取得部，取得以前述感測器所算出之直到反射位置為止的斜向距離、以及前述照射方向的斜向速度；搜尋部，依據前述斜向距離與前述斜向速度，基於指定之數學方法，求出由前述道床至前述感測器為止的高度、以及前述列車水平方向的速度。
另外，本發明之搜尋部為以下式的〔數式1〕，來求出由前述道床至前述感測器為止的最小高度、以及前述列車水平方向的速度：〔數式1〕f(RV、h)=((V/RV)2+(h/RH)2-1)2〔式中，V：以都卜勒雷達型感測器所檢測出的斜向速度，RH：以都卜勒雷達型感測器所檢測出的斜向距離，h：道床至感測器為止的高度，RV：列車水平方向的速度〕。
另外，有關由前述道床至前述感測器為止的高度、以及前述列車水平方向的速度的搜尋範圍，為設定成與列車位置產生關連性。
另外，包括有當搜尋結果產生特異值時，通知至外部指令部的通訊處理部。
另外，前述通訊處理部為由外部指令部，接收前 述搜尋範圍的指示。
另外，本發明之列車狀態檢測方法包括：計測值取得步驟，取得以都卜勒雷達型感測器所算出之直到反射位置為止的斜向距離、以及前述照射方向的斜向速度，前述都卜勒雷達型感測器為將對道床呈指定的傾斜角作為送出波的照射方向，設置於列車底部；搜尋步驟，依據前述斜向距離與前述斜向速度為，基於指定之數學方法，求出由前述道床至前述感測器為止的高度、以及前述列車水平方向的速度。
依據本發明，將可實現一種使用都卜勒雷達型感測器，便可以良好的精度測定裝設有感測器之車輛的設置高度與車輛速度的技術。
1‧‧‧列車
2‧‧‧底面
10‧‧‧感測器檢測部
11‧‧‧距離資訊檢測部
12‧‧‧速度資訊檢測部
20‧‧‧都卜勒雷達型感測器
30‧‧‧搜尋部
31‧‧‧搜尋執行部
32‧‧‧搜尋設定部
33‧‧‧搜尋資訊儲存部
40‧‧‧車輛控制部
41‧‧‧列車速度部
42‧‧‧位置資訊部
43‧‧‧通訊處理部
80‧‧‧指令部
90‧‧‧道床
91‧‧‧軌道
圖1係有關於本實施形態之，表示列車之構成的功能塊圖。
圖2係有關於本實施形態之，用以說明在列車底面設置對道床呈一傾斜角的都卜勒雷達型感測器，計測列車速度的原理的圖。
圖3係有關於本實施形態之，表示算出列車速度及設置高度之模擬例的圖表。
接著參照圖面，具體說明用以實施本發明之形態(以下，單稱為「實施形態」)。
圖1所示之功能方塊圖為有關本實施形態之列車1 的構成，在此，所揭示之內容主要為著眼於速度算出機能及設置高度算出機能。圖2所示圖面，係說明使用都卜勒雷達型感測器來計測軌道91上之列車1的列車速度RV、以及都卜勒雷達型感測器20的設置高度(亦稱為「設置高度h」。)之原理。
列車1包括有：車輛控制部40、都卜勒雷達型感測器20、以及感測器檢測部10。在列車1之底面2，以對道床90呈指定的傾斜角θ狀地設置都卜勒雷達型感測器20。亦即，將都卜勒雷達型感測器20之照射方向設定為傾斜角θ。感測器檢測部10係包括距離資訊檢測部11與速度資訊檢測部12。距離資訊檢測部11為依據都卜勒雷達型感測器20的感測結果來檢測斜向(傾斜角θ之方向)之距離資訊RH。同樣的，速度資訊檢測部12為依據都卜勒雷達型感測器20的感測結果，基於都卜勒效應之原理而檢測斜向(傾斜角θ之方向)之速度資訊V。
搜尋部30依據以感測器檢測部10(都卜勒雷達型感測器20)檢測的速度資訊V，推測出列車1水平方向的速度、也就是列車速度RV，同時計算出都卜勒雷達型感測器20的設置高度h。
作為用以實現上述機能的構造，搜尋部30係包括：搜尋執行部31、搜尋設定部32、搜尋資訊儲存部33。搜尋執行部31為使用後述數學方法，搜尋估計中最為確切的列車速度RV及設置高度h。
搜尋設定部32係設定在實行搜尋執行部31時的各種條件(設定資訊)。具體而言，搜尋設定部32對於使用 何種數學方法、搜尋範圍為何，預先來作設定。
搜尋資訊儲存部33為在維持搜尋設定部32之設定資訊的同時，維持以搜尋部30所得的搜尋結果。
車輛控制部40包括：列車速度部41、位置資訊部42、以及通訊處理部43。通訊處理部43為以無線，而與統括控制運行列車的外部之指令部80進行通訊。
列車速度部41為以搜尋部30所搜尋之列車速度RV為基礎，計算出列車速度。只要列車速度RV中並未有特別異常的數值出現，列車速度部41維持將列車速度RV設定為列車速度。所謂的異常值，為指極端地與之前數值差異過大的數值、或是假設範圍外的數值。
若在列車速度RV中出現有異常值時，列車速度部41便會將最近的列車速度RV設定為列車速度。另外，以列車速度部41所特定之列車速度、以及以位置資訊部42所特定之位置資訊，係例如以即時方式通過通訊處理部43通知指令部80。
另外，當在列車速度RV中持續出現異常值時，列車速度部41會在進行錯誤告知的同時，切換至圖中未示之其他系統的速率計(例如，根據車輪迴轉來計測的速率計、或是使用GPS來計測的速率計)。此外，將此訊息通過通訊處理部43通知指令部80。
參照圖2，具體說明在本實施形態中之速度檢測方法(主估計速度)。在此，作為由都卜勒雷達型感測器20之天線中心C、以指定傾斜角(傾角)θ照射送出波至作為反射 面之道床90的反射波，係返回至都卜勒雷達型感測器20。
如圖2(a)、(b)所示，在由斜前方照射方向之都卜勒雷達型感測器20所檢測的距離資訊RH、速度資訊V、由都卜勒雷達型感測器20之地面起算的設置高度h、以及列車速度RV中，將成立有如下式之關係式。
當以都卜勒雷達型感測器20檢測有複數個距離資訊RH與速度資訊V的情況下，藉由圖2(a)可知，在各個距離資訊RH、傾斜角θ、以及都卜勒雷達型感測器20設置高度h之間，將成立式(1)。不過在此，為將下標Pk(0≦Pk≦TN、TN為最大抽樣數)設為檢測之際的抽樣編號。
h：設置高度資訊
Pk：抽樣編號，0≦Pk≦TN
此外，當以都卜勒雷達型感測器20檢測有複數個距離資訊RH與速度資訊V的情況下，利用圖2(a)可知，在各個距離資訊RH、傾斜角θ、以及都卜勒雷達型感測器20的設置高度h之間，式(2)便成立。不過，將下標Pk(0≦Pk≦TN、TN為最大抽樣數)設為檢測之際的抽樣編號。
於下式(3)揭示三角函數的基本公式。
【數學式3】cos2 θ Pk +sin2 θ Pk -1=0‧‧‧式(3)
當在上式(3)中代入式(1)、(2)後，下式(4)便成立。
在此，於式(4)中，將作為未知數之列車速度RV與設置高度h，藉由使用數學方法(例如，非線性最小平方法(式(5)))來進行計算，同時搜尋列車速度RV與設置高度h。該搜尋動作係以搜尋執行部31來進行。
圖3的示意圖，為表示以非線性最小平方法所得之搜尋結果例。圖3(a)為以二維表示等高線形式的圖表。圖3(b)為以三維表示的圖表。在此，當設列車速度50km/h、設置高度0.8m的情況下，以上述之非線性最小平方法表示搜尋該等結果之例。如圖所示，當作為未知數之列車速度RV與設置高度h可代入至指定範圍(搜尋範圍)時，檢測收斂點(最小值)。對應該收斂點(最小值)之列車速度RV與設置高度h係成為要求出之值。搜尋範圍係儲存在預先所設定 之搜尋設定部32中。另外，作為用來搜尋之數學方法，除了非線性最小平方法以外，例如還有模擬退火法(Simulated Annealing)、或是爬山算法(hill climbing)等手法。
藉由以上所述之方法，在不影響到設置高度h或傾斜角θ之變化的情況下，將可由距離資訊RH及速度資訊計算出列車速度RV。此外，由於亦可計算出設置高度h，因此將可檢測道床90之凹凸變化或異常。
據上所述，整理本實施形態之效果如下。
(1)當道碴(舖石)的鋪設方法並未依照區域空間而統一的環境下(例如，只有特定區間，道碴並未鋪設到枕木高度為止等等的環境下)，即便是定常性的(stationary)變化都卜勒雷達型感測器20之設置高度h的情況下，仍可假設、吸收設置高度h的變化，在進行高度估計的同時，達到提升速度精度的目的。
(2)即便是如積雪環境般，無法判斷是由何處反射的情況下，由於所使用的速度資訊為與距離資訊連結而產生關連性，因此相較於僅僅使用速度資訊的情況下，為可達到提升速度精度的目的。
(3)由於亦估計有設置高度h，因而可檢測道床90等地面環境之凹凸變化。從而，可早期進行安全對策的確認作業。
(4)即使都卜勒雷達型感測器20的傾斜角，因行駛中的震動或衝擊而偏移的情況下，由於在計算中取消傾斜角，因此可排除偏移的影響。
以上，依據實施形態說明本發明。該實施形態僅 為例示，同業者應當可理解的是，可將其等各個構成要素進行組合，以構成各式各樣的變形例，此外，該等變形例應該在本發明的範圍之中。

Claims (6)

  1. 一種列車狀態檢測裝置，其特徵在於包括：都卜勒雷達型感測器，將對道床呈指定的傾斜角作為送出波的照射方向，設置於列車底部；搜尋部，依據前述感測器所算出之直到反射位置為止的斜向距離、以及前述照射方向的斜向速度，基於指定之數學方法，求出由前述道床至前述感測器為止的高度、以及前述列車水平方向的速度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之列車狀態檢測裝置，其中作為前述數學方法，前述搜尋部為以下式〔數式1〕，來求出由前述道床至前述感測器為止的最小高度、以及前述列車水平方向的速度：f(RV、h)=((V/RV)2+(h/RH)2-1)2式中、V：以都卜勒雷達型感測器所檢測出的斜向速度，RH：以都卜勒雷達型感測器所檢測出的斜向距離，h：道床至感測器為止的高度，RV：列車水平方向的速度。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之列車狀態檢測裝置，其中有關由前述道床至前述感測器為止的高度、以及前述列車水平方向的速度的搜尋範圍，為設定成與列車位置產生關連性。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之列車狀態檢測裝置，其中包括有當搜尋結果產生特異值時，通知至外部指令部的通訊處理部。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之列車狀態檢測裝置，其中前述通訊處理部為由外部指令部，接收搜尋範圍的指示。
  6. 一種列車狀態檢測方法，其特徵在於包括：計測值取得步驟，取得以都卜勒雷達型感測器所算出之直到反射位置為止的斜向距離、以及照射方向的斜向速度，前述都卜勒雷達型感測器為將對道床呈指定的傾斜角作為送出波的照射方向，設置於列車底部；搜尋步驟，依據前述斜向距離與前述斜向速度為，基於指定之數學方法，求出由前述道床至前述感測器為止的高度、以及前述列車水平方向的速度。
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