CN105000034B - 一种基于轨旁检测的机车测速装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于轨旁检测的机车测速装置，该装置包括：第一传感器组，包括至少两个传感器，它们以设定间隔配置在所述机车底部的同一侧边，测量自身与当前所经地面的垂直距离；定时器，其实时计时每个传感器经过轨道旁的轨边物的时间；信号处理器，其根据所述传感器测量得到的垂直距离确定该传感器是否经过所述轨边物，并利用定时器计时得到的时间和所述设定间隔获得不同工况下的机车速度。该装置提高了机车测速的精确度，解决异常状况下速度测量失效问题。

Description

一种基于轨旁检测的机车测速装置

技术领域

本发明涉及机车控制领域，具体地说，是涉及一种基于轨旁检测的机车测速装置。

背景技术

目前铁路交通领域在机车测速、定位方面有多种技术应用：

1)基于轮对转动检测的测速技术：这是目前最传统的、使用最广泛的测速方法，其采用多个传感器测量车轮转动，基于轮径及转动角速度计算得出机车运行速度。

2)GPS/北斗定位技术、惯性导航(INS)定位技术、多普勒雷达测速技术：GPS/北斗定位技术接收来自空间的多个卫星所广播的高频无线信号实现定位和测速，因信号频率较高，需要测量设备的天线对天空观测环境良好；惯性导航(INS)定位技术采用加速度传感器测量位移加速度和陀螺仪测量角速度，需要三组传感器分别测量三维空间运动数据；多普勒雷达测速技术采用多普勒原理，检测微波被被测物体反射形成的频率偏移量获得相对的移动速度。

然而，在上述技术中，基于轮对转动检测的测速技术无法克服轮对磨损造成的测量基准误差，甚至在发生轮滑或空转等特殊情况下会输出失控的无效信号。基于GPS/北斗定位技术的机车测速方法在隧道内或空间遮挡较多的地方由于卫星信号弱甚至没有信号会造成测量误差大而无法使用。惯性导航(INS)定位技术目前测量精度较低(温漂、频率误差、积累误差等影响，综合测量精度大于5％)、且设备价格高昂，安装要求高。多普勒雷达测速技术在机车低速运行时误差较大(20公里/小时以下时，误差约10％)，还有空气中雾霾、粉尘等都会影响测量精度，且设备价格昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种提高机车测速的精确度，解 决异常状况下速度测量失效问题的基于轨旁检测的机车测速装置。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种基于轨旁检测的机车测速装置，该装置包括：第一传感器组，包括至少两个传感器，它们以设定间隔配置在所述机车底部的同一侧边，测量自身与当前所经地面的垂直距离；定时器，其实时计时每个传感器经过轨道旁的轨边物的时间；信号处理器，其根据所述传感器测量得到的垂直距离确定该传感器是否经过所述轨边物，并利用定时器计时得到的时间和所述设定间隔获得不同工况下的机车速度。

优选地，该装置还包括：第二传感器组，包括至少两个传感器，它们以所述设定间隔配置在所述机车底部的另一侧边，测量自身与当前所经地面的垂直距离，其中，所述第二传感器组的一个传感器与所述第一传感器组的一个传感器对立设置。

优选地，所述信号处理器通过如下步骤来判断列车当前所处的工况，比较机车前一次测得的速度和预先设定的速度，若所述机车前一次测得的速度超过所述预先设定的速度，则判断出列车当前处于第一工况；若所述机车前一次测得的速度低于所述预先设定的速度，则判断出列车当前处于第二工况；若所述列车位于设定的特殊位置，则判断出列车当前处于第三工况。

优选地，在第一工况下，所述信号处理器利用单位时间段内的同组传感器组的不同传感器经过轨道旁的同一轨边物的时间和所述设定间隔获取多个瞬时速度值，并从所述多个瞬时速度值中剔除误差速度值得到该工况下的机车速度。

优选地，所述信号处理器对多个瞬时速度值取平均值，将超过平均值门限的瞬时速度值作为误差速度值。

优选地，所述单位时间段为传感器产生固定脉冲数量所需的时间。

优选地，在第二工况下，所述信号处理器利用之前两次计算得到的瞬时速度值和所述设定间隔获取加速度值，并利用所述加速度值和之前一次计算得到的瞬时速度值得到当前的机车速度。

优选地，在第三工况下，所述信号处理器将与设定的特殊位置对应的速度记录值校正为当前的机车速度。

优选地，所述设定间隔小于等于机车当前运行轨道中轨道板之间的最大间距的二分之一。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益 效果。

本发明的基于轨旁检测的机车测速装置，由于轨道两侧存在密集的扣件或轨枕固定件及其他凸起物，一般情况下，这些物体的位置是不会变动的，利用安装在机车底部上由两个间距(D)固定的传感器组成的传感器组，以及测量传感器组中不同传感器通过同一凸起物的时间间隔T，即可获得当前机车的实时速度V＝D/T。在机车发生轮滑等状况时，因其检测的是机车与地面的相对运动，所以测量不会受到影响。由于采用了两组传感器同时测速的方式，解决了单一传感器容易受错误脉冲干扰影响的问题，并提高了机车低速运行时的测量精度，提高了检测数据的可靠性。

另外，本发明的装置安装于机车底部的车轮外侧区域，无需与机车轮对配套，对安装位置要求低，适应范围广，可适用于铁路、城轨、地铁等各种有轨线路的速度测量。

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的技术方案而了解。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特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的基于轨旁检测的机车测速装置的构造示意图。

图2为将图1所示的机车测速装置安装在轨道旁边的状态示意图。

图3为图1所示装置的一侧传感器组经过轨边物体(凸起物)的状态示意图。

图4为存在道岔的轨道示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

针对既有测速方式存在的技术问题，本发明实施例提出了安装简单、测速精确、适应范围广泛的基于轨边检测的非接触式机车测速装置。

图1为本申请实施例的基于轨旁检测的机车测速装置的构造示意图。下面参考图1来说明本装置的组成和功能。

如图1所示，本装置主要包括两组传感器组(第一传感器组10和第二传感器组20)，每组传感器组包括两个传感器，共计四个传感器，分别标记为A1、A2、B1、B2)；实时时钟(也可称计时器)30；以及信号处理器40。

在本例中，传感器A1、A2、B1、B2优选为光电传感器，主要用来负责检测机车的相对运动，其工作原理是是通过发射光脉冲并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，利用时间间隔来计算其自身与物体之间的距离。具体地，在实际测量时，如图2所示，传感器A1和传感器A2以设定间隔配置在机车底部的同一侧边(图面方向的下方)，主要测量自身与当前所经地面的垂直距离。另一方面，传感器B1和传感器B2也以设定间隔配置在机车底部的另一侧边(图面方向的上方)，主要测量自身与当前所经地面的垂直距离。而且，第二传感器组20的一个传感器与第一传感器组10的一个传感器对立设置，即如图2中的传感器B1和传感器A2对立设置，这样设置是考虑到特殊情况下，轨道两边的被检测物可能不同(如经过道岔时)，将两组传感器错位安装，可以减少错过地面被检测物的情况。

另外，优选地，设定间隔小于等于机车当前运行轨道中轨道板之间的最大间距的二分之一，本例中为375mm。这样设置是考虑到：根据奈奎斯特采样定理，检测频率应大于被检测信号的两倍，因此，设置传感器间距为常用轨道隔板间距的一半，相当于通过一个间距可以产生两倍检测时间。如果间距更小检测精度会更高，但是，太小的间距会造成传感器之间的检测信号相互干扰。

另外，需要说明的是，作为一个涉及行车安全的设备，采用两组4个传感器是为了冗余设计而考虑的，在一组出现故障时，可采用另外一组的数据，以保证输出数据的连续性。容易理解，设置两组传感器组仅是本发明的一个优选例子，然而，基于本发明的思想，设置一组传感器组(共两个传感器)也是没有问题的，也能够基本完成本申请的目的。当然，为了更加精确也可以设置多于两组的传感器组，本发明在此不作限定。

定时器30，其实时计时每个传感器经过轨道旁的轨边物的时间。需要说明的 是，轨边物为轨道两侧存在的密集的扣件或轨枕固定件及其他凸起物，一般情况下，这些物体的位置是不会变动的。

信号处理器40，其根据传感器测量得到的垂直距离确定传感器是否经过轨边物，并利用定时器30计时得到的时间和设定间隔获得不同工况下的机车速度。

具体地，如图1所示，信号处理器40包括数据存储器401、处理单元(DSP处理单元)402和数据输出单元403。数据存储器401存储传感器A1、A2、B1、B2实时测量得到的垂直距离以及实时时钟30实时测量得到的传感器A1、A2、B1、B2经过轨边物体的时间。处理单元402利用数据存储器401中存储的数据获取不同工况下的机车速度。数据输出单元403根据实际需要将获得的不同时间的机车速度值以数字或模拟形式通过RS232/485接口或脉冲/电流模拟输出端口向外部输出。

另外，信号处理器40还包括未图示的整形器和滤波器，它们在处理单元402计算机车速度之前，还对第一传感器组10、第二传感器组20采集到的信号进行整形、滤波等预处理，进而消除采集到的干扰信号，提高后面计算速度的测速精度。

而且，如图1所示，本装置还包括电气隔离接口，其将通过传感器获取的信息传输至信号处理器40中，主要是减少外部电磁环境对本装置的干扰。

接下来，详细说明如何利用上述装置进行基于轨边物体检测的非接触式机车测速，得到不同工况下的机车速度。

首先，在测速之前需要将该装置安装在机车上。具体地，在机车底部左右侧边各安装第一传感器组10和第二传感器组20，每组传感器组的两个传感器之间的间距设定为375mm左右(按照当前最大水泥轨道板间距650mm的一半取值)。

然后，每个传感器实时检测其自身与地面的距离，并将实时检测到的距离通过电气隔离接口传输给信号处理器40的数据存储器401中，同时，计时器30实时计时，信号处理器40的处理单元402根据数据存储器401中的不同时间的距离判断传感器是否经过轨道旁的凸起物，若检测的距离在设定距离范围以内，则判定传感器经过凸起物。随后，信号处理器40获得不同传感器通过同一凸起物的时间间隔。

最后，区分机车运行的不同工况，采用不同的计算方式来获得各工况下机车运行的实时速度。具体地，信号处理器40通过如下步骤来判断列车当前所处的 工况：比较机车前一次测得的速度和预先设定的速度，若机车前一次测得的速度超过预先设定的速度，则判断出列车当前处于第一工况；若机车前一次测得的速度低于预先设定的速度，则判断出列车当前处于第二工况；若列车位于设定的特殊位置，则判断出列车当前处于第三工况。

接下来说明如何利用检测到的数据信息来获得不同工况下机车运行的实时速度。这些工况主要包括第一工况(也称正常运行工况，一般机车运行速度超过5km/H)、第二工况(也称低速运行工况，一般机车运行速度低于5km/H)和第三工况(也称特殊运行工况，机车经过特殊位置，如出站信号机、道岔等)。

在第一工况下，在正常高速运行时测量机车速度时，信号处理器40的处理单元402利用单位时间段内的同组传感器组的不同传感器经过轨道旁的同一轨边物体的多个时间和每组传感器之间的设定间隔获取多个瞬时速度值。在本例中V＝0.375/ΔT，式中ΔT为同组两个传感器经过同一轨边物体的时间差。随后从多个瞬时速度值中剔除误差速度值得到该工况下的机车速度。处理单元402对多个瞬时速度值取平均值，将超过平均值门限的瞬时速度值作为误差速度值。

具体地，在机车高速运行时，以轨枕固定件作为轨边物体为例，单位时间内每组传感器会通过多个轨边物体(参见图3的轨边物体1和轨边物体2)，因此就会产生多个瞬间速度值，对其进行综合分析剔除超出平均值门限的数据，获得准确数据。

更具体地，在步骤a中，首先获得多个(N个)瞬时速度值(V₁，V₂，…V_i…V_N)的平均值V_S，利用如下表达式：

V_S＝(V₁+V₂+…+V_N)/N (1)

在步骤b中，利用如下表达剔除超出平均值门限的数据：

依次获取每个瞬时速度值V_i，若|V_i-V_S|/V_S>10％时，则该数据被剔除。

对剩余的有效数据重复步骤a和步骤b，最终得到一个值V_i，然后将该值V_i作为该单位时间段内每一时刻的机车速度。

另外，为消除固定时间产生的计数误差(单位时间产生的脉冲计数可能在截止时间少计最后一个脉冲)，单位时间段优选为传感器产生固定脉冲数所需要的时间。容易理解，产生固定脉冲数量所需要的时间随速度变化而改变。通过上述设置能够进一步提高速度计算的准确度。

在第二工况下，在低速运行情况下测量机车速度时，信号处理器40的处理 单元402利用之前两次计算得到的瞬时速度值和传感器之间的设定间隔获取加速度值，并利用加速度值和之前一次计算得到的瞬时速度值得到当前的机车速度。

具体地，在机车低速运行(本例设为低于5Km/H时为低速运行)时，单位时间内每对传感器无法产生一次有效测速数据，此时的加速度变化量非常小，因此，可以根据前次测量的瞬时速度值、加速度值，推算补充两次有效测量间隔中间的速度值。具体地说，在机车低速运行时，如果传感器输出的两个脉冲之间间隔时间较长，会造成在此期间本装置无速度信号输出，后续设备会误认为本装置失效，因此需要周期性的补充推算的速度数据。

具体地，利用如下表达式来进行计算前一次的加速度值：

a＝(V_I-1-V_I)/△T

其中，V_I为前一次传感器输出有效脉冲时计算得到的准确速度值，单位m/s；V_I-1为V_I更前一次传传感器输出有效脉冲时计算得到的准确速度值，单位m/s；△T为从产生V_I-1的传感器脉冲开始计时到产生V_I的传感器脉冲的时间间隔，单位ms。

在下一个速度信号输出周期中，本装置没有捕获传感器的有效脉冲信号，则自动计算一个当前速度估值V_tm进行输出。

V_tm＝V_I+a×T；

其中，V_I为前一次测量的有效速度数值；a为前一次测量获得的加速度值；T为传感器数据采样间隔时间。

在第三工况下，即特殊状况下的机车设备速度的测量。

根据实地勘察，轨边物体存在有部分特殊状况，如：在有道岔(参见图4)、轨道电路存在的地方会产生输出数据异常异常，这些特殊点位数量很少，地理位置准确且固定不变，对其在运行线路上的相对位置、长度信息进行记录，该位置可以作为测速的校对点，用于降低本装置长时间运行产生的累积误差。

具体而言，由于本装置长时间运行后，可以存储固定的铁路线中从线路起始点到终点的很多个位置、距离信息，在机车经过设定的特殊位置(一般为存在道岔的位置)时，就可以将与该设定的特殊位置对应的速度记录值作为速度数据计算的校正，校正为当前的机车速度。这样能够将之前累积的误差进行消除，提高了机车测速精度。

本发明解决了已有基于轮对测速方法测得的速度不够精确的问题，提高了测 速精度，解决了测速传感器需要安装在机车轮对上，带来的维修、维护不方便的问题，也减少了安装传感器对轮对刚性的破坏，解决了轮对在轮滑或空转情况的准确测速的问题。另外，本发明装置在测量速度是不会受到外部环境的影响，测速精度较高。

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，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，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 (8)

1.一种基于轨旁检测的机车测速装置，该装置包括：

第一传感器组，包括至少两个传感器，它们以设定间隔配置在所述机车底部的同一侧边，测量自身与当前所经地面的垂直距离；

定时器，其实时计时每个传感器经过轨道旁的轨边物的时间；

信号处理器，其根据所述传感器测量得到的垂直距离确定该传感器是否经过所述轨边物，并利用定时器计时得到的时间和所述设定间隔获得不同工况下的机车速度；

所述信号处理器通过如下步骤来判断列车当前所处的工况，

比较机车前一次测得的速度和预先设定的速度，若所述机车前一次测得的速度超过所述预先设定的速度，则判断出列车当前处于第一工况；若所述机车前一次测得的速度低于所述预先设定的速度，则判断出列车当前处于第二工况；若所述列车位于设定的特殊位置，则判断出列车当前处于第三工况。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

第二传感器组，包括至少两个传感器，它们以所述设定间隔配置在所述机车底部的另一侧边，测量自身与当前所经地面的垂直距离，

其中，所述第二传感器组的一个传感器与所述第一传感器组的一个传感器对立设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

在第一工况下，

所述信号处理器利用单位时间段内的同组传感器组的不同传感器经过轨道旁的同一轨边物的时间和所述设定间隔获取多个瞬时速度值，并从所述多个瞬时速度值中剔除误差速度值得到该工况下的机车速度。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述信号处理器对多个瞬时速度值取平均值，将超过平均值门限的瞬时速度值作为误差速度值。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述单位时间段为传感器产生固定脉冲数量所需的时间。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

在第二工况下，

所述信号处理器利用之前两次计算得到的瞬时速度值和所述设定间隔获取加速度值，并利用所述加速度值和之前一次计算得到的瞬时速度值得到当前的机车速度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

在第三工况下，

所述信号处理器将与设定的特殊位置对应的速度记录值校正为当前的机车速度。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述设定间隔小于等于机车当前运行轨道中轨道板之间的最大间距的二分之一。