CN103954290A - 铁路机车精确位置定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路机车精确位置定位装置，包括机车后备电源、机车操纵机构、信号控制灯、平板电脑、机车速度传感器和GNSS板卡，平板电脑通过通信接口分别与集成后备电源、集成操纵机构、集成速度传感器、GNSS板卡和信号控制灯连接。与现有技术相比，本发明本发明拟运用GNSS、GIS和无线通信技术，通过在机车上安装定位装置、制作轨道线路电子地图，采集站场微机联锁信息和轨道电路信息，实现对机车的高精度定位、轨迹追踪和安全监控管理；通过在机车上安装导航系统，实现辅助驾驶；通过网络信息传递实现对机车车辆运营调度的精确控制。本发明能够提升铁路运输安全监管能力、优化铁路运营效率、提高机车驾驶的安全性，具有推广应用的价值。

Description

铁路机车精确位置定位装置

技术领域

本发明涉及一种铁路机车辅助装置，尤其涉及一种铁路机车精确位置定位装置。

背景技术

机车的位置跟踪在铁路运输安全监管、效率优化和安全驾驶等方面，都有着至关重要的作用。目前的铁路运管环境，虽然已装备多项设备和管理系统，对铁路运输管理也可以起到一定的保障作用，但对于机车位置的跟踪，只能达到区间定位或区段跟踪，基于机车的精确定位(点定位)系统仍是空白。

如果能实现机车精确定位，我们任何时候都可以知道机车在哪一股道、哪一个点、机车前后轨道电路和信号机状态、本机车前后轨道运行车辆的情况、相隔的精确距离等，这对我们解决诸多机车运营管理中的安全问题、效率问题、自动驾驶问题等将提供一套全新方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种铁路机车精确位置定位装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括机车后备电源、机车操纵机构、信号控制灯、平板电脑、机车速度传感器和GNSS板卡，所述平板电脑通过通信接口分别与所述集成后备电源、所述集成操纵机构、所述集成速度传感器、所述GNSS板卡和所述信号控制灯连接。

具体地，所述通信接口为RS232接口。

本发明所述的铁路机车精确位置定位装置的实现方式包括以下步骤：

(1)通过GNSS板卡获取卫星定位数据，通过机车速度传感器获取集成速度脉冲数据，通过机车操纵机构获取机车换向手柄的通断数据和通过机车后备电源获取系统电源关机电平数据；

(2)将获取到的数据信息通过通信接口发送到平板电脑上；

(3)平板电脑根据收到的信息通过通信接口控制信号控制灯的开关。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种铁路机车精确位置定位装置，与现有技术相比，本发明拟运用GNSS(全球卫星定位系统)、GIS(地理信息系统)和无线通信网络等先进技术，通过在机车上安装机车精确位置定位装置、制作铁路精确的轨道线路电子地图，采集站场微机联锁信息和轨道电路信息等，实现对机车的高精度定位、轨迹追踪和安全监控管理；通过在机车上安装导航系统，实现对机车的辅助驾驶；通过地面网络信息传递，可实现对机车车辆运营调度的精确控制。该发明的实现，可大大提升铁路运输安全监管能力、优化铁路运营效率、提高机车驾驶的安全性，具有推广应用的价值。

附图说明

图1是本发明的硬件结构示意图；

图2是本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明包括机车后备电源、机车操纵机构、信号控制灯、平板电脑、机车速度传感器和GNSS板卡(全球卫星定位系统)，所述平板电脑通过通信接口分别与所述集成后备电源、所述集成操纵机构、所述集成速度传感器、所述GNSS板卡和所述信号控制灯连接。通信接口为RS232接口。

如图2所示：本发明所述的铁路机车精确位置定位装置的实现方式包括以下步骤：

(1)通过GNSS板卡获取卫星定位数据，通过机车速度传感器获取集成速度脉冲数据(速度脉冲为方波，峰值10-15V，占空比50％，此处需要做隔离，不允许与电源共地)，通过机车操纵机构获取机车换向手柄的通断数据(换向器手柄状态为开关。断路时为后退档，短路时为前进档，换向器在前进档时，每收到一个速度脉冲，里程数+1；换向器在后退档时，每收到一个速度脉冲，里程数-1；速度为每秒脉冲数，此处需要做隔离，不允许与电源共地)和通过机车后备电源获取系统电源关机电平信号；

(2)将获取到的数据信息通过通信接口发送到平板电脑上；

(3)平板电脑根据收到的信息通过通信接口控制信号控制灯的开关(此处信号只输出，不输入，且不需要做隔离)。

如图2所示：GNSS是所有卫星定位系统的总称，GNSS板卡是针对不同的卫星定位系统来选择的卫星定位模块，这个板卡是一个现成的配件，这个板卡本身在应用上已经设计了相关的二次开发硬件接口，其方式是通过插针式的连接方式，每个插针所对应的定义都是有规定的，在设计机车位置传感装置的电路板时，只要根据对应插针在电路板上设计一个插座就可以，本发明的电路板需要按照GNSS板卡的接口插针的定义来设计相应的连接电路即可。主要功能就是获取卫星定位数据信息。关机电平是指来自于机车后备电源发出的一个电平信号，这个信号传输到本装置后，本装置可识别机车供电已经切断的信息，然后转换成后备电源的电池供电，此时由于后备电源供电量的有限，该关机电平信号通过本装置向相关的平板电脑发出自动关机信号。

如图1所示：GNSS板卡具有数据接口、Reset脚、1PPS脚和Position Valid脚，其中：数据接口：3个全双工3.3V CMOS，分别为PortA，PortB，PortC。其中PortA和PortB与本设备相连，并且有数据交换；PortC不需要与本设备通讯，但是需在电路板上做转接电路，转成串口，并留出3pin插座备用。Reset脚：open collector，3.3V typical；需要根据指令控制其复位。1PPS脚：OutputActive low，falling edge，3.3V CMOS；需要读取此脚状态，在外壳LED上显示。Position Valid脚：Output Status indicator，3.3V CMOS，active low；需要读取此脚状态，在外壳LED上显示。

如图2所示：关机电平：机车后备电源是给整个系统供电的设备，从机车总电源DC110V上连接，然后传换成DC12V再给本发明装置和其它机车配套设备供电，图2中的关机电平是指由机车后备电源发出，在检测到机车DC110V电源断供后，因不能用再用直接转换后的DC12V给外围设备供电，为了保证平板电脑不非法关机，所以后备电源在此时可以转换成电池给外设供电，但后备电源的容量是有限的，所以在电池供电的同时，后备电源还会给本发明装置发出一个关机电平信号，本发明装置接收到这个关机电平信号后，会通过通讯的方式把这个关机信号发出给平板电脑，平板电脑在收到该关机信号时，就自动启动关机程序，以避免因非法断电后的非法关机。从另一个角度理解，我们所设计的机车后备电源，就是在机车主电源关断后，自动转换由后备电源供电以保证外设可以正常地自动关机，是一种系统安全性的保障手段。

差分定位的引入

“GNSS”系统是全天候、全日时提供卫星导航定位信息的导航系统，我们发明的“铁路机车精确位置定位装置”随时都可以接收到卫星广播的询问信号，如果选择“北斗”系统的卫星数据接收模块，由于其服务范围以大陆地区为主，可以充分保障国内铁路机车精确位置定位要求。

GNSS卫星系统的定位原理采用3球交会测星原理进行定位，以2颗卫星为球心，2球心至机车终端的距离为半径可画出2个球面，另一个球面是以地心为球心，画出以机车所在位置点至地心的距离为半径的球面，3个球面的交会点即为机车的位置。

GNSS卫星导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三部分组成：太空部分有2枚地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括我公司配套设计的机车网络监控管理中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系统的监控管理，其中，机车网络监控管理中心负责系统内各机车的标记、识别和运行管理；客户端即为由我公司专门设计并安装于机车上的包含有本装置之一的车载设备，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。

单纯通过GNSS系统数据所获得的机车位置大约在20m-200m之间，这个数据显然不能称之为精确的位置数据信息，20m-200m的这种精度很难区分轨道与轨道之间的差别，这个精度对于铁路机车位置的判别是远远不够的，尤其在复杂的站场线路情况下，要想实时地判定出机车距前方道岔、信号机和其它特征点的距离，那是根本不可能的。

在本发明装置中，我们采用了差分定位的方式解决了机车在站场运行中精确位置定位的问题。差分定位：即在本发明装置可以收到至少三颗卫星以上数据信号的时候，通过在地面建立卫星差分基准站获得标准固定点的精确位置与实时卫星数据的修正参数，通过这个修正参数对所收到机车移动端卫星数据进行差分校正获得机车当前的精确定位状态数据，这些数据并不一定是全部可以利用的，我们在本装置中的软件会自动判定当前卫星数据的精度因子，只有精度因子符合判定标准条件的数据，才可以直接用于机车精确位置的定位，通过此直接卫星定位的方式，有效解决了机车在站场运行中卫星信号无遮挡而且卫星数据无干扰时的机车精确位置定位的问题。

由上可知，如果单纯地依靠卫星数据来对机车进行精确定位，满足不了机车在全站场、全线路环境下的精确定位，为此，我们开创了机车综合传感数据的(动态推演)解算算法：

在实际测试中，由于受环境因素的影响和干扰，采用单纯的卫星定位数据，即使是通过在站场环境架设差分基站，通过差分定位的方式也是不可能完全保证机车车载客户端的精确定位，因为站场环境相当复杂，比如在有建筑物遮挡的环境，在有强干扰的电磁环境，在轨道线路上的隧道区域或地下区域等等，这些地方，卫星定位技术是失效的，不能有效解决机车的精确位置的定位。由于机车的运行是很规则地在两根铁轨上运行，只有两个特定的方向(我们称之为“前向”和“后向”)，我们只要通过算法判定在有效的卫星数据丢失的那一刻开始，并可以通过机车运行的时间、运行速度和运行的方向等机车本身的运行状态来精确地推算出机车精确的运行距离，这个推算的自动完成便是本发明装置的独到之点。

本发明有效地做到了上述两个关键点的无缝结合，在实际测试中得到了完全的验证，可以获得机车静态定位精度达到mm(毫米)级、动态定位可以达到cm(厘米)级的位置精度，机车的精确位置数据与经过精密测量而形成的站场轨道电子地图实现高度吻合，完全解决了机车基于位置的监控、管理和服务的问题，在目前国内的机车车辆定位系统应用中是独一无二的。

本发明装置的硬件设计和与之配套的软件算法有如下几点：

1、通过对是否获得有效的卫星数据的判定，自动选择是采用卫星数据定位方式还是采用机车动态推演数据定位方式，并且装置可以实现两种定位方式判定的相互交替、互为补充，实现两种定位方式自动切换的无缝连接。

2、采用卫星数据定位的方式时，有如下计算：

(1)自动计算卫星数据的精度因子，并自动判定所获得的卫星数据的可用性，只有定位精度因子达到设定范围，才被视为可用，并直接应用到机车的精确位置定位，由于该卫星数据同时经过了差分修正，可以满足静态定位精度达到mm级，动态定位精度达到20mm以下的标准。

(2)本算法还考虑了因数据计算和信息传输、机车运动发生延时后对机车当前定位精度的影响，所以规划了最高可达20次/秒的数据计算频率，完全可以满足现实应用中各种高低速机车运行的状况。

3、采用机车动态推演数据定位方式时，需要进行如下计算：

(1)通过本发明硬件所检测到的来自机车速度传感器(速度传感器可能是一个也可能是多个)的脉冲个数，软件可自动判定机车轮对所转的圈数。(如机车所用速度传感器转一圈所发生的标准脉冲数是200个，则如果装置计数为3600个时，可计算出轮对所转圈数为3600÷200＝18圈，如果装置计数为16个时，即可计算出轮对所转圈数为16÷200＝0.08圈等)；

(2)软件可以通过轮对所转圈数的自动计算，结合轮径的长度可以自动计算出机车轮子的周长，机车轮子所转圈数与轮子周长相结合进行计算，即可获得机车运行时移动的位移(即距离)；

(3)由于机车在轨道线路上长期作业，会发生轮缘磨损，即机车的轮径和周长会随着作业时间而发生变化，本发明设计了轮径自动校正的算法，即通过在卫星信号连续良好的轨道区段，通过机车位移的长度(距离)与在相同时间内本发明装置所检测到的脉冲个数反推计算出一个校正后的轮径值，以此值作为机车动态推演计算时的轮径值，可以达到消除定位精度误差的目的；

(4)通过本发明硬件所检测到的机车驾驶方向，软件算法可自动判定装置所获取的机车速度脉冲数自卫星数据丢失的那一刻起，是做“累加”计数还是“累减”计数，如“前向”定为“累加”，“后向”则为“累减”。此“累加”或“累减”，即为计算机车在轨道上运行距离的准确依据。(因轨道交通运输的特点，决定了机车的运行只能在轨道的“前进”或“后退”两个固定的方向，通过“前向”或“后向”位移距离的准确计算，确保机车定位的准确性)。

上述过程的反复判定和计算，即可获得机车任意时刻、任何环境下的机车精确位置，该算法也是本发明装置的精髓。

经过测试，获得完整的验证数据，能够实现机车位置的精确计算和在站场GIS地图中精确的位置显示，并可实现机车运行作业过程中，对前后方线路状态和距信号灯准确的距离的计算与语音播报，这在国内尚属首创。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种铁路机车精确位置定位装置，包括机车后备电源、机车操纵机构和信号控制灯，其特征在于：还包括平板电脑、机车速度传感器和GNSS板卡，所述平板电脑通过通信接口分别与所述集成后备电源、所述集成操纵机构、所述集成速度传感器、所述GNSS板卡和所述信号控制灯连接。

2.根据权利要求1所述的铁路机车精确位置定位装置，其特征在于：所述通信接口为RS232接口。

3.根据权利要求1所述的铁路机车精确位置定位装置的实现方式包括以下步骤：

(1)通过GNSS板卡获取卫星定位数据，通过机车速度传感器获取集成速度脉冲数据，通过机车操纵机构获取机车换向手柄的通断数据和通过机车后备电源获取系统电源关机电平数据；

(2)将获取到的数据信息通过RS232接口发送到平板电脑上；

(3)平板电脑根据收到的信息通过RS485接口控制信号控制灯的开关。