一种铁路机车实时定位方法及系统与流程

1.本发明属于铁路机车实时定位技术领域，具体为一种铁路机车实时定位方法及系统。


背景技术：

2.铁路机车运行实时定位系统常用方法使用卫星定位或地面应答器。但是在隧道或地铁等环境中卫星定位会失效，通常采用在股道上安装地面应答器，利用机车车载设备读到地面应答器数据确定机车所在的位置。这种方法需要布置大量的地面应答器，施工与维护成本较高，而且定位精度取决于布置地面应答器的数量及间距。
3.因此通常情况下，只在轨道道岔处或咽喉处布置地面应答器，机车车载设备读到这些位置的应答器，确定机车进入该铁路区段的初始位置，在后续机车运行定位中，一种方法是根据机车运行速度及时间计算后确认位置的，这种方法有距离最后一个地面应答器读取时间越长，定位误差越大的缺陷；同时还受到机车运行速度的影响，速度越不匀速，机车定位误差越大。另外一种方法是基于机车车轮径和转数计算相对位移从而计算相对位置，此方法受到车轮空转滑行等因素影响，定位误差也比较大。由于隧道和地铁环境中机车无法利用卫星辅助定位的问题以及上述定位方式定位误差大，也严重影响着机车运行安全，同时也存在施工与维护成本较高的问题。


技术实现要素：

4.本发明针对以上在隧道或地铁环境中机车运行实时定位问题，根据轨枕的铺设特点提供了一种铁路机车实时定位方法及系统。本发明的目的是针对上述现有机车定位系统存在的问题提供一种相对成本低廉可靠的铁路机车实时定位方法及系统。本发明是机车运行卫星定位等系统的补充定位系统。主要解决隧道和地铁环境中机车无法利用卫星辅助定位的问题，为铁路机车安全预警系统提供机车实时的位置数据。
5.为了达到上述目的，本发明提供的一种铁路机车实时定位方法，其特征在于，所述方法包括：s1、获取初始位置，机车车载地面应答器读取设备读取到地面应答器的位置数据即为初始位置；s2、在确定初始位置的同一时刻，机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪开始采集机车底部与地表以及轨枕表面的距离数据；s3、机车车载数据处理单元接收机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪采集的距离数据，结合机车车载速度传感器获得的机车速度数据，得出从初始位置到机车所在位置机车底部与地表及轨枕表面的距离数据在时间轴坐标上形成规律的凹凸波形图，处理后获得机车从初始位置运行到机车所在位置之间的轨枕数量，根据轨枕铺设的间距标准通过以下公式实时计算出机车相对初始位置运行的距离，其公式为：
公式1：式中，f为机车距离初始位置的相对距离；ｎ为机车从初始位置运行到机车所在位置之间的轨枕数量；x为初始位置到隧道终点的轨枕总数，y为初始位置到隧道终点的总公里数，在铁路建设时，交工资料中有此数据；公式2：式中，ａ为两个轨枕中心线之间的宽度，即轨枕间距；其中ａ的值相对同一地质环境和同一建设标准的铁路区段是固定值，在国家轨枕标准中有明确要求；两种计算方法计算结果一致，并可互相验证。
6.一种铁路机车实时定位系统，其特征在于，所述系统使用一种铁路机车实时定位方法，所述系统包括：地面应答器、机车车载地面应答器读取设备、机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪、机车车载速度传感器、机车车载数据处理单元；其中所述地面应答器，安装于隧道口或地铁环境中，用于提供地面应答器所在位置的位置数据；其中所述机车车载地面应答器读取设备，安装于机车上，用于读取地面应答器中的位置数据；其中所述机车车载速度传感器，安装于机车上，获取机车实时的速度数据；其中所述机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪，安装于机车底部面向地面，用于采集机车底部与地表及轨枕表面的距离数据；其中所述机车车载数据处理单元，安装于机车上，接收机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪采集的机车底部与地表及轨枕表面的距离数据，结合机车车载速度传感器的数据，形成机车底部与地表以及轨枕表面的距离波形图，处理后获取机车所在位置与初始位置之间的轨枕数量，输出相对初始位置的机车定位结果。
7.本发明的优点是：提高铁路机车在隧道和地铁等环境下的定位精度；设备独立，成本较低；误差相对比较小，满足基本的机车运行安全预警判断要求。
附图说明
8.图1为本发明实施例所述一种铁路机车实时定位方法的步骤流程示意图图2为本发明实施例所述一种铁路机车实时定位系统的结构示意图图3为本发明实施例所述一种铁路机车实时定位方法及系统的轨枕与地表关系示意图图4为本发明实施例所述一种铁路机车实时定位方法及系统的机车底部与地表及轨枕表面距离波形变化示意图图中，1、机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪，2、机车车载数据处理单元，3、地面应答器，4、机车车载地面应答器读取设备，5、机车车载速度传感器，6、轨枕；f为机车距离初始位置的相对距离，ｎ为机车从初始位置运行到机车所在位置的轨枕数量，x为初始位置到隧道终点的轨枕总数，y为初始位置到隧道终点的总公里数，ａ为两个轨枕中心线之间的宽度，即轨枕间距，ａ的值相对同一地质环境和同一建设标准的铁路区段是固定值，在国家轨枕标准中有明确要求。
具体实施方式
9.为使发明实施例的目的、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、完整地描述，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。
10.在本发明的描述中，需要说明的是，术语轨枕：轨枕又称枕木，也是铁路配件的一种。目前轨枕包括木材制成轨枕、钢筋混凝土轨枕、钢枕、混凝土轨枕、特种混凝土轨枕等。
11.本发明实施例涉及了一种铁路机车实时定位方法及系统，以《tb10082-2017铁路轨道设计规范（标准规范）》规定，正线有砟轨道混凝土轨枕铺设标准为1667根/km，轨枕间距为600mm为例。
12.以下对本发明一种铁路机车实时定位方法及系统进行详细说明：如图1所示，本发明一种铁路机车实时定位方法的具体步骤为：s1、获取初始位置，机车车载地面应答器读取设备读取到地面应答器的位置数据即为初始位置；在本实施例中，结合图2，当机车行驶到a点，机车车载地面应答器读取设备4读取到隧道口的地面应答器3的位置数据，将该时刻的位置数据确定为机车初始位置。
13.s2、在确定初始位置的同一时刻，机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪开始采集机车底部与地表以及轨枕表面的距离数据；在本实施例中，结合图2，在确定初始位置的同一时刻安装于机车底部面向地面的机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪1开始采集机车底部与地表及轨枕表面的距离数据。
14.s3、机车车载数据处理单元接收机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪采集的距离数据，结合机车车载速度传感器获得的机车速度数据，得出从初始位置到机车所在位置机车底部与地表及轨枕表面的距离数据在时间轴坐标上形成规律的凹凸波形图，处理后获得机车从初始位置运行到机车所在位置之间的轨枕数量，根据轨枕铺设的间距标准通过以下公式实时计算出机车相对初始位置运行的距离，其公式为：公式1：式中，f为机车距离初始位置的相对距离；ｎ为机车从初始位置运行到机车所在位置之间的轨枕数量；x为初始位置到隧道终点的轨枕总数，y为初始位置到隧道终点的总公里数，在铁路建设时，交工资料中有此数据；公式2：式中，ａ为两个轨枕中心线之间的宽度，即轨枕间距；其中ａ的值相对同一地质环境和同一建设标准的铁路区段是固定值，在国家轨枕标准中有明确要求；两种计算方法计算结果一致，并可互相验证。
15.在本实施例中，结合图2、图3和图4，机车车载数据处理单元2接收机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪1采集的距离数据，结合机车车载速度传感器5获得的机车速度数据，得出从初始位置到机车所在位置机车底部与地表及轨枕表面的距离数据在时间轴坐标上形成规律的凹凸波形图，通过处理后获得机车从初始位置运行到机车所在位置之间
的轨枕数量；进一步的，由于轨枕6都是均匀铺设在地面，并且轨枕6上表面具有平整的表面，同时轨枕上表面会高出地表一部分，参见图3，所以在机车运动的过程中机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪1每经过一个轨枕上表面所采集的距离数据在时间轴坐标上会形成一个平整的波形，竖向数轴代表距离，横向数轴代表时间，凹面为轨枕表面，凸面为地表，随着机车的运行，从初始位置到机车所在位置就会形成规律的凹凸波形图，参见图4；进一步的，参见图1，假设a点到b点隧道总长5公里，通过机车车载数据处理单元2处理后得出机车共经过 6220根轨枕，已知实施例轨枕铺设标准为1667根/km，可得出a点到b点合计有8335根轨枕，利用本发明提到的公式1方法就可计算出案例机车距离隧道口a点的相对距离f=(6220/8335)
×
5=3.73公里，因此该机车行驶到（距a点）3.73公里的隧道处；已知实施例轨枕间距为600mm，即每根轨枕中心线之间距离为0.6米，即a=0.6m，利用本发明提到的公式2方法就可计算出案例机车距离隧道口a点的相对距离f=6220
×
0.6=3.73公里，因此该机车行驶到（距a点）3.72公里的隧道处。
16.两种计算方法计算结果一致，并可互相验证。
17.如图2所示，一种铁路机车实时定位系统的结构图：包括：机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪1、机车车载数据处理单元2、地面应答器3、机车车载地面应答器读取设备4、机车车载速度传感器5；其中所述机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪1，安装于机车底部面向地面，用于采集机车底部与地表及轨枕表面的距离数据；其中所述机车车载数据处理单元2，安装于机车上，接收机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪1采集的机车底部与地表及轨枕表面的距离数据，结合机车车载速度传感器5的数据，形成机车底部与地表以及轨枕表面的距离波形图，处理后获取机车所在位置与初始位置之间的轨枕数量，输出相对初始位置的机车定位结果；其中所述地面应答器3，安装于隧道口或地铁环境中，用于提供地面应答器3所在位置的位置数据；其中所述机车车载地面应答器读取设备4，安装于机车上，用于读取地面应答器3中的位置数据；其中所述机车车载速度传感器5，安装于机车上，获取机车实时的速度数据。

技术特征：
1.一种铁路机车实时定位方法，其特征在于，所述方法包括：s1、获取初始位置，机车车载地面应答器读取设备读取到地面应答器的位置数据即为初始位置；s2、在确定初始位置的同一时刻，机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪开始采集机车底部与地表以及轨枕表面的距离数据；s3、机车车载数据处理单元接收机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪采集的距离数据，结合机车车载速度传感器获得的机车速度数据，得出从初始位置到机车所在位置机车底部与地表及轨枕表面的距离数据在时间轴坐标上形成规律的凹凸波形图，处理后获得机车从初始位置运行到机车所在位置之间的轨枕数量，根据轨枕铺设的间距标准通过以下公式实时计算出机车相对初始位置运行的距离，其公式为：公式1：式中，f为机车距离初始位置的相对距离；ｎ为机车从初始位置运行到机车所在位置之间的轨枕数量；x为初始位置到隧道终点的轨枕总数，y为初始位置到隧道终点的总公里数，在铁路建设时，交工资料中有此数据；公式2：式中，ａ为两个轨枕中心线之间的宽度，即轨枕间距；其中ａ的值相对同一地质环境和同一建设标准的铁路区段是固定值，在国家轨枕标准中有明确要求；两种计算方法计算结果一致，并可互相验证。2.一种铁路机车实时定位系统，其特征在于，所述系统使用如权利要求1所述的方法，所述系统包括：地面应答器、机车车载地面应答器读取设备、机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪、机车车载速度传感器、机车车载数据处理单元；其中所述地面应答器，安装于隧道口或地铁环境中，用于提供地面应答器所在位置的位置数据；其中所述机车车载地面应答器读取设备，安装于机车上，用于读取地面应答器中的位置数据；其中所述机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪，安装于机车底部面向地面，用于采集机车底部与地表及轨枕表面的距离数据；其中所述机车车载速度传感器，安装于机车上，获取机车实时的速度数据；其中所述机车车载数据处理单元，安装于机车上，接收机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪采集的机车底部与地表及轨枕表面的距离数据，结合机车车载速度传感器的数据，形成机车底部与地表以及轨枕表面的距离波形图，处理后获取机车所在位置与初始位置之间的轨枕数量，输出相对初始位置的机车定位结果。

技术总结
本发明公开了一种铁路机车实时定位方法及系统，具体特征为：机车车载地面应答器读取设备读取到布置在隧道口或地铁环境中地面应答器中的位置数据确定为初始位置；机车车载数据处理单元结合机车车载速度传感器的数据，对安装于机车底部面向地面的机车车载高频率激光雷达或超声波雷达测距仪采集的从初始位置到机车所在位置之间的机车底部与地表以及轨枕表面的距离数据进行处理，可获得机车从初始位置运行到机车所在位置之间所经过的轨枕数量，根据轨枕铺设的间距标准实时计算出机车相对初始位置运行的距离；本发明重点解决隧道和地铁等环境中机车运行在股道上无法精准定位的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：郭文新 刘森源
受保护的技术使用者：成都劳杰斯信息技术有限公司
技术研发日：2022.12.05
技术公布日：2023/1/19