CN108229628B - 基于三维磁码的列车定位标识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维磁码的列车定位标识方法。该方法采用永磁体磁性‘N’极、‘S’极和‘0’空位分别代表数值2、1和0，组合构成列车定位信息三维磁码，然后将该三维磁码根据精度要求按一定间隔黏贴到轨道沿线，由安装在列车上的电磁感应式识读装置进行信息读取和解码，从而获得坐标定位，以及列车的速度和加速度。该方法将列车预设位置由三种码元按照矩阵序列方式进行编码组合，而不同码元预设序列代表不同位置信息，该方法涉及编码原理、感应式识别以及快速解码识别等技术。该专利最显著的特点就是环境适应性强、可靠性好，在灰尘大、光线差、低温、雨雪天气等各种恶劣环境中均能正常使用。
Description
技术领域
本发明涉及电磁感应、组合编码等技术，更具体地是涉及一种三维磁编码方法及其在列车定位标识、测速领域的应用。
背景技术
目前，磁悬浮列车是继高铁之后国家重点发展的新型交通工具,它具有能耗低、速度快、爬坡能力强、安全、智能、乘坐舒适等许多优点,符合对现代交通工具绿色、安全、智能化的发展趋势。因此，磁悬浮列车作为未来发展新一代地面交通工具的首选制式，对社会民生、经济发展、城市布局等具有重大战略意义。
国内外磁悬浮列车测速定位技术方法有很多，如：交叉回线测速定位，多普勒雷达测速定位，微波测速定位，基于轨间电缆测速定位，“集距检测+信标”测速定位等。在国内，中低速磁悬浮列车多采用交叉回线测速定位法。然而，磁悬浮列车上装配有悬浮***、导向***、推进***等强磁场子***，相互之间存在一定程度的电磁干扰。交叉回线测速定位法基于对回线产生的磁场进行列车位置辨识，悬浮***、导向***、推进***的电磁场，以及安装误差、列车运行振动等因素都会影响到对交叉感应回线测速定位***的定位精度。
随着，国家对轨道交通技术创新及关键技术装备产业化的平稳推进，绿色、安全、智能化铁路装备的发展目标越来越清晰，大力发展磁悬浮列车相关技术将是未来重要发展方向之一。国家重点研发计划先进轨道交通专项先后立项资助了时速200公里/小时和400公里/小时的中高速磁悬浮列车项目，新一代时速600公里/小时高速磁悬浮列车项目也已经启动。这些对现有列车悬浮、推进、导向等***有了更高的精度和智能化控制要求，对本领域相关技术既是一种严峻挑战又是一个难得的发展机遇。同时，磁悬浮列车结构复杂、控制难度大、智能化程度高、数据量多，现有列车定位、测速技术对于高速磁悬浮列车难以胜任。
列车定位、测速技术也是实现磁悬浮列车运行控制及行车调度的重要基础。特别是对于采用长定子同步直线电机进行驱动的磁悬浮列车，其电枢绕组的励磁控制与列车的定位是密切关联的，没有准确的定位技术就没有可靠的长定子同步直线电机控制。
另一方面，目前的列车节能运行与智能控制技术需要功能完善的列车超速防护(ATP)、列车自动驾驶(ATO)和列车自动监控(ATS)等***。这些***都需要精确、高效、可靠的列车定位、测速技术为基础。没有精确的列车定位、测速技术，再先进的优化算法也无法达到预期效果。
综上所述，要充分发挥磁悬浮技术的优势，提高磁悬浮列车的竞争力,同时也是为了进一步实现列车节能运行与智能控制，精确、高效、可靠的列车定位、测速技术具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：采用轨旁信标定位方式对磁悬浮列车进行定位和测速，提高列车定位和测速的精确度，实现列车运行状况的有效监测。
为了实现上述技术目标，本发明采用轨旁信标定位方式，提供一种尺寸小、可靠性高、编码简单的三维磁编码式列车定位标识方法，将三维磁码黏贴在轨道沿线，通过车载探头进行相应扫描、解码、监测，比现有列车定位方法更加结构简单、成本低，且精度高、易于安装维护。
为了实现上述技术目标，本发明具体采用了如下技术方案：
三维磁码采用三层结构：包括底座、信息编码层和保护层；所述信息编码层上部包括位置探测区和信息识别区，所述位置探测区用于磁码区位置的校准，所述信息识别区用于储存信息，所述信息编码层下部采用一个n×j矩阵序列；该方法包括如下步骤：
(1)数据分析：确定编码的字符类型以及三维磁码规格，按字符集转换成数据字符；
(2)数据编码：将数据字符转换为位流，直接将十进制地标数据转化成三进制数据序列，构成一个数据码字序列进行矩阵式编码，然后解码器识别读取三维磁码数据码字序列获取三维磁码的数据内容；
(3)纠错编码：将所述数据码字序列分区排列，纠错码字加入数据码字序列，构成一个新的序列信息，并在新的序列信息末尾添加附加缀余序列信息；
(4)构造矩阵：将步骤(3)产生的序列中探测信息、定位信息、附加信息和码字模块放入矩阵序列中；
(5)格式和版本信息：将步骤(3)产生的序列中格式和版本信息放入信息识别区，生成最终三维磁码；
(6)列车经过三维磁码时，对三维磁码磁极信息进行识读，并将识读到的信息发送到车载控制单元，车载控制单元对信息进行解码从而获得列车的实时状态信息。
优选地，步骤(6)中三维磁码磁极信息识读方法为:当列车经过三维磁码时，通过车载感应线圈扫描三维磁码的矩阵序列，车载传感器检测感应线圈在扫描过程中产生的感应电磁波脉冲，并将检测信息传输车载控制单元；车载控制单元按照脉冲波的方向判断磁极极性，进行解码操作，将解码后的序列转换成二进制计算机语言，然后从建立的信息数据库调用响应的路标信息，最后通过相邻监测点获取列车位移，对列车位移求导得到运行速度，对运行速度求导得到列车加速度。
优选地，按照所述矩阵序列将路标信息通过永磁磁极‘N’、‘S’和无磁‘0’空位三种码元进行矩阵组合编码。
优选地，所述保护层由无磁材料构成，其覆盖在信息编码层表面。
优选地，所述位置探测区采用较大正方形磁极环和一个正方形磁体嵌套而成。
优选地，底座黏贴面采用磨砂处理。
优选地，底座和信息编码层由铆钉或沟槽固定，磁码边缘进行圆润化处理。
优选地，保护层设有信息标定处，可标识序号、安装位信息。
本发明具有如下有益效果：
本发明实现了磁悬浮列车基于轨旁信标方式的精确定位，通过三种码元的不同排列顺序实现对轨道位置信息的储存，具有编码简单，快速识读、适应性强等优势。通过对位移求导可以得到列车运行速度，对运行速度求导可以得到列车加速度。列车位置、速度、加速度的精确监测为列车节能运行与智能控制提供了基础依据。
附图说明
图1是本发明三维磁码磁浮列车定位标识结构俯视图。
图2是本发明三维磁码磁浮列车定位标识编码层截面图。
图3是本发明三维磁码磁浮列车定位标识结构左视图。
图中：(1)磁码边缘、(2)和(9)表示磁码保护层、(3)表示磁码信息标定区、(4)表示信息标定处、(5)表示底座、(6)和(10)表示位置探测区、(7)信息识别区、(8)信息编码区(11)表示永磁码元。
具体实施方式
三维磁编码方法及其在磁悬浮列车定位、测速领域的应用技术是关系到磁悬浮列车定子绕组励磁、牵引力匹配、节能运行等的一项关键性技术。随着轨道交通***向着绿色、安全、智能化方向的快速发展，对列车定位技术提出了更高的要求，如信息采集速度、信息精准度等。本发明基于信息标定法采用三维磁编码标识方法对磁悬浮列车位置、速度、加速度等状态信息进行监测，为磁浮列车的精确控制提供基础依据。
本发明的三维磁码标识方法，在信息编码区采用永磁体的‘N’、‘S’极性和无磁‘0’空位构成基本码元，按照预设矩阵编码方式进行信息编码储存。
三维磁码的核心部分在于其编码层的信息编码方式以及三维磁码的识读策略。
三维磁码磁极编码过程：
(1)数据分析：确定编码的字符类型以及三维磁码规格，按相应的字符集转换成符号字符；在规格一定的条件下，纠错等级越高其真实数据容量越小。
(2)数据编码：将数据字符转换为位流，直接将十进制地标数据转化成三进制数据序列，构成一个数据码字序列进行矩阵式编码，以便进行高效的解码，然后解码器识别读取三维磁码数据码字序列即可获取二维码的数据内容。
(3)纠错编码：按需要将上面的码字序列分区排列，为了实现磁码较高的容错率，在编码区需要添加纠错码字，并把纠错码字加入到数据码字序列里面，成为一个新的序列信息，另外，在序列末尾添加附加缀余序列信息。
(4)构造最终数据信息：在规格确定的条件下，将上面产生的序列按次序放入分块中。
(5)构造矩阵：将探测信息、定位信息、附加信息和码字模块放入相应矩阵中。
(6)格式和版本信息：生成格式和版本信息放入相应信息识别区，生成最终三维磁极三维磁码。
现代列车自身带有全线路况信息数据库，包括路段的坡度、弯道及限速等，本发明的作用在于为列车提供列车运行精准的位置(相对始发点)，列车控制***便可获取列车运行的相关信息，为实现未来列车智能驾驶提供了基本技术。
为了更加明了地说明本发明，以下依北京南站到上海虹桥站的轨道路线全长约1320公里为依据，建立一个十进制数值范围在[0-1320000]的信息数据库，本发明采用磁极‘S’，‘N’和‘0’分别表示数值‘2’，‘1’和‘0’以三进制数值方式进行编码
本发明的编码模式也可采用字母、字符、汉字等编码模式，基本方法与数字模式一致，在此不再过多叙述。
采用数字方式编码其指示符设定为:0001，在[0-1320000]信息数据库中对数据1234 567编码为例。
1、数据分析：北京到上海轨道交通线常1320公里，按照间距为一米设定列车定位检测点，全线共需1320001个标识信息序列，以三进制数值在编码区尺寸15×10矩阵即可满足要求，另外，采用三维磁码重复排序手段实现纠错较高等级，确保三维磁码的准确无误。
2、数值转换三进制：1234 567→2022 2011 1120 1
在上述真实数值序列前添加4位模式指示符(0001)便于储存编码模式和附加信息等，另外在数值序列最后添加八位字符设定为缀余信息序列(0000 0001)。
3、加入符号序列：0001 2022 2011 1120 1000 0000 1
为了提高三维磁码的容错率，避免解码错误，在编码序列中添加纠错序列，在此做三维磁码元重复排列处理，构成新的序列。
纠错处理：按照上述构成5×10的一组三进制序列，然后纠错处理，即：重复编码5×10三进制序列，添加到编码序列，组合成15×10的最终编码序列。其中，一组三进制序列表示为：
0000 0011 2200 2222 2200 1111 1111 2200 1100 0000 0000 0000 11
补充附加信息位：添加信息识别模块和磁码位置探测模块即获取，如图1所示。
三维磁码磁极信息识读过程：
信息序列获取：列车识码器识读三维磁码数据码字序列获取路标信息序列。
采用竖排(垂直地面)与三维磁码磁码一一对应关系的感应线圈，当列车经过三维磁码时，竖排感应线圈按照单排矩阵列依次扫描，扫描过程中感应线圈产生感应电磁波形由传感器检测感应线圈电磁脉冲并传输控制***进行磁码识读储存信息序列(可设定磁极‘S’产生的电磁波为正向脉冲，磁极‘N’产生的电磁脉冲为反向脉冲，无电磁波形为‘0’空位)；另外，位置探测区采用嵌套矩形环使其产生明显不同于编码区的脉冲信号，便于解码器对三维磁码进行识别辨认，避免外界磁性物体的干扰及误读，由于信息识别区面积较小采用尺寸偏小磁码，使得满足对编码区编码方式及格式信息储存的容量。
三维磁码识读：控制***对信息序列还原三维磁码矩阵序列。
由上述策略控制***按照脉冲波的方向判断磁极极性记录依次完成***设定的控制序列，依照***设定的解码方式进行解码操作，然后转换成二进制计算机语言，由***直接从建立的信息数据库调用响应的路况信息即可，继而实现为列车控制***提供准确的位置信息，另外通过相邻监测点获取列车运行位移，而后对列车位移求导即可得到运行速度，对运行速度求导即可得到列车加速度。继而达到实现列车位置、速度、加速度的精确监测的目标，为列车节能运行与智能控制提供了技术基础。
注明：此处列举此种具体的识读方法，只是更加具体、详细地说明本发明，不具有特定的识读方式。
依据附图说明，本发明包括三部分：底座、信息编码层8、磁码保护层2/9。其中磁码保护层2/9直接覆盖到信息编码层8构成一个整体，对信息编码层8磁码进行保护，防止其脱落、受损或退磁；在信息编码层8，将路标信息通过永磁磁极‘N’、‘S’和无磁‘0’空位三种码元进行编码，从而储存到由磁码组成的预设磁码序列中。位置探测区6/9用于磁码区位置的校准，便于车载探头扫码信息的解码，确保精确识读。信息识别区7用于储存三维磁码的格式、版本、零位点等信息。
三维磁码在信息编码区设置位置探测区6/10和信息识别区7，分别采用正方形磁极环和正方形磁体嵌套而成，和不同于编码区码元尺寸的磁片按照预设特定矩阵序列格式排列而成。位置探测区6/10用于识别识读磁码区，确定解码器扫描位置，提高抗干扰能力，确保解码器精确识读；信息识别区7用于储存三维磁码的格式、版本、零位点等信息。
以上所述外观选用底座5和信息编码层8有铆钉或沟槽固定，在磁码边缘1处可圆润化处理。
所述专利的磁码保护层2/9设有信息标定处4，可标识序号、安装位等信息，便于工程安装与维护等。
三维磁编码包含了所在位置的编码信息及容错信息。该位置为绝对位置，不相互影响，不会出现累计误差。
磁码层码元包含磁极‘N’、磁极‘S’和无磁空位三种。磁极由轴向充磁的圆磁片实现(圆磁片可由圆柱磁体切片制成，根据实际要求可具体调整厚度、励磁等)。
采用稀土永磁材料的磁性码元，具有磁性强、定位精度高、识读性高，且不易退磁，三维磁码尺寸较小等优点。
三维磁码在其编码层表面覆盖无磁材料，防护磁码脱落和受损，且具有防止磁码元因氧化、腐蚀、撞击等导致磁性能衰退的作用，提高使用寿命。
三维磁码可以在灰尘大、光线差、低温、雨雪天气等各种恶劣环境中正常使用，且具有一定的防护功能。
标识在底座设计上采用磨砂处理，确保三维磁码牢固黏贴，提高可靠性。
三维磁码在保护层表面设置有信息标识处，可标识序号、安装位等信息，便于工程安装与维护等。
如上述所言，本发明采用轨旁信标定位方法对磁悬浮列车进行定位、测速，在磁悬浮列车轨道沿线按照设定间距(根据实际情况确定具体间距)预设检测位进行有序地黏贴、固定。
依据上述说明，在磁悬浮列车的对应位置安装车载探头进行相应扫描、解码、监测。列车每扫描一个三维磁码即可识读预存信息，随即获取列车运行位置信息。通过对位移求导得到列车运行速度，对运行速度求导得到列车加速度。列车位置、速度、加速度的精确监测为列车节能运行与智能控制提供基础依据。
Claims (7)
1.一种基于三维磁码的列车定位标识方法，所述三维磁码采用三层结构：包括底座、信息编码层和保护层；其特征在于，
所述信息编码层上部包括位置探测区和信息识别区，所述位置探测区用于磁码区位置的校准，所述信息识别区用于储存信息，所述信息编码层下部采用一个矩阵序列；
该方法包括如下步骤：
（1）数据分析：确定编码的字符类型以及三维磁码规格，按字符集转换成数据字符；
（2）数据编码：将数据字符转换为位流，直接将十进制地标数据转化成三进制数据序列，构成一个数据码字序列进行矩阵式编码，将路标信息通过永磁磁极‘N’、‘S’和无磁‘0’空位三种码元进行矩阵组合编码，然后解码器识别读取三维磁码数据码字序列获取三维磁码的数据内容；
（3）纠错编码：将所述数据码字序列分区排列，纠错码字加入数据码字序列，构成一个新的序列信息，并在新的序列信息末尾添加附加缀余序列信息；
（4）构造矩阵：将步骤（3）产生的序列中探测信息、定位信息、附加信息和码字模块放入矩阵序列中；
（5）格式和版本信息：将步骤（3）产生的序列中格式和版本信息放入信息识别区，生成最终三维磁码；
（6）列车经过三维磁码时，对三维磁码磁极信息进行识读，并将识读到的信息发送到车载控制单元，车载控制单元对信息进行解码从而获得列车的实时状态信息。
2.如权利要求1所述的一种基于三维磁码的列车定位标识方法，其特征在于，步骤（6）中三维磁码磁极信息识读方法为：
当列车经过三维磁码时，通过车载感应线圈扫描三维磁码的矩阵序列，车载传感器检测感应线圈在扫描过程中产生的感应电磁波脉冲，并将检测信息传输车载控制单元；
车载控制单元按照脉冲波的方向判断磁极极性，进行解码操作，将解码后的序列转换成二进制计算机语言，然后从建立的信息数据库调用响应的路标信息，最后通过相邻监测点获取列车位移，对列车位移求导得到运行速度，对运行速度求导得到列车加速度。
3.如权利要求1所述的一种基于三维磁码的列车定位标识方法，其特征在于，所述保护层由无磁材料构成，其覆盖在信息编码层表面。
4.如权利要求1所述的一种基于三维磁码的列车定位标识方法，其特征在于，所述位置探测区采用较大正方形磁极环和一个正方形磁体嵌套而成。
5.如权利要求1所述的一种基于三维磁码的列车定位标识方法，其特征在于，底座黏贴面采用磨砂处理。
6.如权利要求1所述的一种基于三维磁码的列车定位标识方法，其特征在于，底座和信息编码层由铆钉或沟槽固定，磁码边缘进行圆润化处理。
7.如权利要求1所述的一种基于三维磁码的列车定位标识方法，其特征在于，保护层设有信息标定处，可标识序号、安装位信息。
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