专利名称：轨道交通车辆的定位装置和方法
技术领域：
本发明涉及轨道交通的列车运行控制和基础设施动态检测，尤其涉及一种轨道交通车辆的定位装置和方法。
背景技术：
列车定位技术是轨道交通列车运行控制的关键技术之一，是确保行车安全、缩短 列车之间运行间隔的基础。现有的列车定位技术主要采用基于轮轴计数的里程计，配以其 它辅助手段，如查询应答器、多普勒雷达、轨道电路、轨间感应环线、无线扩频定位、卫星定 位系统、线路地图匹配、线路图像匹配、道岔位置匹配、接触网限位器位置匹配等技术，自动 修正由于车轮空转、打滑、蛇形、磨耗等因素造成的里程计累积误差。基于这些现有技术，目 前列车实时定位精度在理论上已经可以达到米级，能够满足目前列车运行控制的需求。另一方面，由于受到列车冲击、地质变形、环境作用等因素影响，线路、桥梁、隧道、 边坡、接触网、通信信号等轨道交通基础设施在服役过程中的状态经常发生变化，威胁行车 安全。因此，必须经常对基础设施的状态进行检测，并与历史检测数据对比，分析检测参数 的变化趋势，科学评估基础设施的安全状态。目前，对于基础设施状态的检测通常采用车载 式动态检测和人工地面巡检两种方式。不论采取何种移动检测方式，由于需要对比移动检 测方式获取的历史数据，检测数据必须能够基于线路公里标进行精确的绝对定位，或者能 够将不同次测量数据进行精确的相对对位。对于这类应用，例如隧道洞体变形分析、边坡变 形分析、轨旁设备变形分析等，米级的定位精度将无法满足需求。

发明内容
为满足定位精度的需求，本发明提供了一种轨道交通车辆的定位装置和方法。一方面，本发明公开了一种轨道交通车辆的定位装置，包括激光位移传感器、轨 道车辆走行距离检测单元和同步采集与数据处理单元；所述激光位移传感器和所述轨道车 辆走行距离检测单元分别与所述同步采集与数据处理单元相连接；其中，所述激光位移传 感器用于检测该激光位移传感器的安装位置与轨道表面特征点之间的距离；所述轨道表面 特征点位于钢轨内侧，并且与轨道中心线的距离为钢轨扣件到轨道中心线的距离；所述轨 道车辆走行距离检测单元用于检测轨道车辆沿线路方向上的位置变化量；所述同步采集与 数据处理单元用于同步采集所述激光位移传感器和所述轨道车辆走行距离检测单元的输 出，以确定所述激光位移传感器输出的相邻位移采样点之间的实际距离，进而获得轨道车 辆经过线路的轨道特征曲线，并通过特征曲线匹配进行定位。上述定位装置，优选所述轨道车辆走行距离检测单元包括轮轴脉冲传感器。上述定位装置，优选所述述轨道车辆走行距离检测单元包括第二激光位移传感 器，所述第二激光位移传感器设置于轨道车辆上；并且，与所述激光位移传感器在轨道车辆 的行进方向上保留有预定间距。上述定位装置，优选所述同步采集与数据处理单元内还包括用于存储事先标定的轨道特征曲线的第一存储器，所述事先标定的轨道特征曲线用于定位。
上述定位装置，优选所述同步采集与数据处理单元内还包括用于存储记录历史 检测数据的轨道特征曲线的第二存储器，所述历史数据用于将新采集的检测数据与历史检 测数据作对比并进行趋势分析。另一方面，本发明还公开了一种轨道交通车辆的定位方所述方法基于轨道交通车 辆的定位装置，所述装置包括激光位移传感器、轨道车辆走行距离检测单元和同步采集与 数据处理单元；所述激光位移传感器和所述轨道车辆走行距离检测单元分别与所述同步采 集与数据处理单元相连接；所述方法包括如下步骤在工作状态下，将所述激光位移传感 器相应于轨道内侧的扣件设置；检测该激光位移传感器的安装位置与轨道表面特征点之间 的距离；所述轨道表面特征点位于钢轨内侧，并且与轨道中心线的距离为钢轨扣件到轨道 中心线的距离；同时，基于轨道车辆走行距离检测单元检测轨道车辆沿线路方向上的位置 变化量；所述同步采集与数据处理单元同步采集所述激光位移传感器和所述轨道车辆走 行距离检测单元的输出，以确定所述激光位移传感器输出的相邻位移采样点之间的实际距 离，进而获得轨道车辆经过线路的轨道特征曲线，并通过特征曲线匹配进行定位。上述定位方法，优选所述基于轨道车辆走行距离检测单元检测轨道车辆沿线路方 向上的位置变化量为基于轮轴脉冲传感器，轮轴脉冲传感器在车轮每旋转一周输出多个 脉冲，基于车轮直径已知条件下，计算脉冲数获得走行距离。上述定位方法，优选所述基于轨道车辆走行距离检测单元检测轨道车辆沿线路方 向上的位置变化量为在所述轨道车辆走行距离检测单元中设置一个第二激光位移传感 器，所述激光位移传感器和所述第二激光位移传感器在轨道车辆行进方向上以预定间距安 装在轨道车辆上，通过匹配这两个传感器输出的波形，获得两者通过同一位置的时间差，进 而获得车辆行进速度和走行距离。上述定位方法，优选所述定位装置还包括在所述同步采集与数据处理单元还包括 用于存储事先标定的轨道特征曲线的第一存储器，在所述激光位移传感器和所述同步采集 与数据处理单元工作前，还包括存储事先标定的轨道特征曲线的步骤。上述定位方法，优选所述定位装置还包括用于存储记录历史检测数据的轨道特征 曲线的第二存储器，所述方法还包括将采集的检测数据与历史检测数据作对比并进行趋势 分析的步骤；并且，所述进行趋势分析的检测数据，与所述轨道特征数据同步采集。相对于现有技术而言，本发明通过车载激光位移传感器检测车辆与轨道之间的距 离，借助轮轴脉冲传感器或两个车载激光位移传感器的输出获得车辆走行距离，最终由车 载数据采集处理模块获得轨道特征数据。将采集到的轨道特征数据与轨道特征的历史数据 进行匹配，实现高精度绝对或相对定位。进一步说，本发明采用车载激光位移传感器，将钢轨内侧扣件附近作为特征提取 点，最主要的优势在于(1)轨道表面特征曲线在钢轨扣件附件可以产生更多的变化，有利 于提高曲线匹配时的定位精度。(2)轨道特征提取点选取在钢轨内侧，可以保证能够获取道 岔信息，有利于匹配定位。(3)激光位移传感器的采样频率高，采样点之间不相关，轨道特征 细节得以保留，是实现高精度绝对或相对定位的关键因素。因此，现有技术中的一些技术， 如线路地图匹配、线路图像匹配、道岔位置匹配、接触网限位器位置匹配等技术以及基于涡 流传感器、微波传感器等非接触式传感器的定位精度和本发明的定位精度是无法相比的。采用本发明的定位 方法，即使在车速400公里/小时条件下也可以达到厘米级的定位精度。


图1为本发明轨道交通车辆的定位装置实施例的结构示意图；图2为本发明轨道交通车辆的定位装置在处于工作状态时，激光位移传感器的安 装位置示意图；图3为激光位移传感器在轨道上的检测带示意图，此检测带即为激光位移传感器 提取的轨道表面特征点集合；图4为带有道岔的线路示意图；图5为两次通过图4线路时采集的典型无砟轨道线路轨道特征曲线示意图，两条 曲线分别用实线和虚线表示；图6为本发明轨道交通车辆的定位装置实施例的详细结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明中，通过车载激光位移传感器检测车辆与轨道之间的距离，借助轮轴脉冲 传感器或两个车载激光位移传感器的输出获得车辆走行距离，最终由车载数据采集处理模 块获得轨道特征数据。将采集到的轨道特征数据与轨道特征的历史数据进行匹配，实现高 精度绝对或相对定位。定位装置实施例实施例一参照图1，图1为本发明轨道交通车辆的定位装置实施例的结构示意图，包括激 光位移传感器1、轨道车辆走行距离检测单元2和同步采集与数据处理单元3。其中，参照图2和图3所示，激光位移传感器1对准轨道内侧扣件附近，激光位移 传感器的输出为其安装位置到轨道表面之间的距离。列车走行距离检测单元2输出轨道车辆沿线路方向上的位置变化量。列车走行 距离检测单元2可由轮轴脉冲传感器构成，轮轴脉冲传感器在车轮每旋转一周输出若干脉 冲，在车轮直径已知的条件下，可以通过计算脉冲数获得走行距离。列车走行距离检测单元 还可由两个激光位移传感器构成(即再增加一个第二激光位移传感器)，这两个传感器在 轨道车辆行进方向上以一定间距安装在轨道车辆上，通过匹配这两个传感器输出的波形， 即可获得两者通过同一位置的时间差，进而获得车辆行进速度和走行距离。同步采集与数据处理单元3可以同步采集激光位移传感器1、列车走行距离检测 单元2 (以及其它检测设备，如隧道轮廓检测设备)的输出，因此可以确定激光位移传感器1 输出的相邻位移采样点之间的实际距离，进而获得轨道车辆经过的轨道特征曲线。激光位 移传感器1输出的相邻位移采样点之间的实际距离在不同车辆速度下是不同的，因此需要 检测实时的走行距离。如果需要获得轨道车辆的绝对位置，即线路公里标，同步采集与数据处理单元3 需要有这样的存储单元，该存储单元存储有事先标定好的轨道特征曲线，即存储的轨道特征曲线上的每一个点的公里标已知。通过相关匹配实时采集的轨道特征曲线数据与存储的 轨道特征曲线，计算出轨道车辆的当前位置。如果需要对比当前其它检测设备(如隧道断面检测设备)采集的数据与其历史 采集的数据，则可直接匹配当前的轨道特征曲线和历史采集数据的轨道特征曲线，两者的 距离或采样点偏差就是采 集数据的偏差。参照图4和图5。图4为带有道岔的线路示意 图。如图5所示，其中经过匹配的两条曲线代表两次不同测量过程采集到的轨道特征曲线， 分别用实线和虚线表示。注意，两条曲线的起点不同，这是因为两次测量的起点不同，通过 相关匹配可以计算出起点间的位置偏差，实现相对定位。图5中，轨道特征曲线具有600mm 的周期性变化是由600mm等间距安装的钢轨扣件造成的，另外，轨道车辆经过道岔时，激光 位移传感器将在道岔尖轨的表面上方通过，因此轨道特征曲线产生一个高出钢轨扣件的脉 冲。这些由钢轨扣件和道岔产生的轨道特征曲线变化，是基于相关匹配的高精度定位的基 础。在隧道洞体变形趋势分析的应用中，需要对比分析一定时期内的多次隧道断面测量数 据，由于每次测量时轨道车辆的起点、速度等情况不同，同一地点的隧道断面数据在采集数 据文件中的位置也不相同。因此需要计算任意两次测量的起点偏差，如果隧道断面数据的 采集周期是定时的、非定距离的，则还需计算由于实时速度不同造成的累积偏差。注意，在 此类应用中，一个事先标定好公里标的轨道特征曲线不是必须的。影响本实施例定位精度的主要由如下几个因素，(1)激光位移传感器的输出频率， 此频率越高，定位精度越高。例如，当选取目前成熟的200KHz基于光传播时间原理的点式 激光测距仪，在车辆行驶速度为400公里/小时条件下，激光测距传感器两个采样点之间的 距离约为0. 56毫米，在有利条件下理论上甚至可以达到毫米级的定位精度。激光位移传感 器还可以根据需要选用基于结构光学原理的非接触式位移传感器。(2)同步数据采集模块 采集时的同步精度。(3)轨道车辆在运行过程中的晃动情况。因为随机的晃动将使不同次 测量的轨道特征数据产生微小变化。当然，波形匹配算法可以消除其大部分的影响。(4)轨 道上细小特征的变化，如石子等其他异物的累积变化，这也可通过适当设置匹配算法的参 数来消除其大部分的影响。(5)轨道的结构形式。由于无砟轨道具有形变小、道床清洁等特 点，其轨道特征细节变化小，对于达到厘米、甚至毫米级的定位精度特别有利。有砟轨道相 比较而言较为不利。因此，本发明特别适合高速铁路和城市轨道交通等采用无砟轨道的场 景。(6)雨雪的影响。小雨雪由于轨道车辆通过时的风洞效应，在轨道上特别是扣件附近的 累积很小，对定位精度影响可以忽略。但当有大的连续雨雪，而且轨道排水不畅或长时间无 列车通过，则此时对定位精度的影响较大。由此可见，地下线路较多的地铁是本发明的最佳 应用场景。实施例二参照图6，本实施例为应用本发明所描述的定位装置进行隧道洞体变形检测系统。 此系统包括激光位移传感器、轮轴脉冲传感器、数据同步采集电路、数据处理模块以及数据 处理软件。还包括其他一些检测设备，比如其他的传感器，包括GPS接收机、隧道断面测量 传感器、车体姿态测量传感器和摄像机。系统安装在轨道车辆或人工推行的轨道小车上， 通过GPS信号获得系统的初始定位。在检测过程中，数据同步采集电路同步采集各传感器 的输出，然后传送给数据处理模块进行实时存储。隧道洞体变形的判断可以实时或离线进 行。(1)首先，数据处理模块将不同时期采集的数据进行对位由每次采集到的激光位移传感器输出和轮轴转速传感器输出计算出轨道特征数据曲线，用匹配算法计算出不同次测量 数据间的位置偏差，GPS定位数据可以大大加快匹配的过程。( 然后，数据处理模块分析 某一相同位置的隧道洞体变形情况用车体姿态测量传感器的输出对隧道断面测量传感器 的输出进行补偿，消除测量时车体振动的影响，将经过补偿的、不同次测量的隧道断面数据 放在一个坐标系下进行比较。线路的视频图像可以帮助操作人员进行最终确认。定位方法实施例另一方面，本发明还公开了一种轨道交通车辆的定位方法的实施例。该方法基于 轨道交通车辆的定位装置，装置包括激光位移传感器、轨道车辆走行距离检测单元和同步 采集与数据处理单元；所述激光位移传感器和所述轨道车辆走行距离检测单元分别与所述 同步采集与数据处理单元相连接；该方法得实施包括如下步骤

在工作状态下，将激光位移传感器相应于轨道内侧的扣件设置；检测该激光位移 传感器的安装位置与轨道表面之间的距离；同时，基于列车走行距离检测单元检测轨道车 辆沿线路方向上的位置变化量；同步采集与数据处理单元同步采集激光位移传感器和列车 走行距离检测单元的输出，确定激光位移传感器输出的相邻位移采样点之间的实际距离， 进而获得轨道车辆经过的轨道特征曲线以进行定位。需要说明的是，上述轨道交通车辆的定位方法的与定位装置时基于类似的原理。 相互之间互相参照即可。在方法实施例部分，不再赘述。综上，在本发明中，采用激光位移传感器，将钢轨内侧扣件附近作为特征提取点， 采样密度大大提高，定位精度是线路地图匹配、线路图像匹配、道岔位置匹配、接触网限位 器位置匹配等技术以及基于涡流传感器、微波传感器等非接触式传感器无法相比的。以上对本发明所提供的一种轨道交通车辆的定位装置和方法进行详细介绍，本文 中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于 帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思 想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对 本发明的限制。
权利要求
1.一种轨道交通车辆的定位装置，其特征在于，包括激光位移传感器、轨道车辆走行距离检测单元和同步采集与数据处理单元；所述激光 位移传感器和所述轨道车辆走行距离检测单元分别与所述同步采集与数据处理单元相连 接；其中，所述激光位移传感器用于检测该激光位移传感器的安装位置与轨道表面特征点之间 的距离；所述轨道表面特征点位于钢轨内侧，并且与轨道中心线的距离为钢轨扣件到轨道 中心线的距离；所述轨道车辆走行距离检测单元用于检测轨道车辆沿线路方向上的位置变化量；所述同步采集与数据处理单元用于同步采集所述激光位移传感器和所述轨道车辆走 行距离检测单元的输出，以确定所述激光位移传感器输出的相邻位移采样点之间的实际距 离，进而获得轨道车辆经过线路的轨道特征曲线，并通过特征曲线匹配进行定位。
2.根据权利要求1所述定位装置，其特征在于，所述轨道车辆走行距离检测单元包括 轮轴脉冲传感器。
3.根据权利要求1所述定位装置，其特征在于，所述述轨道车辆走行距离检测单元包括第二激光位移传感器，所述第二激光位移传感 器设置于轨道车辆上；并且，与所述激光位移传感器在轨道车辆的行进方向上保留有预定 间距。
4.根据权利要求2或3所述定位装置，其特征在于，所述同步采集与数据处理单元内还包括用于存储事先标定的轨道特征曲线的第一存 储器，所述事先标定的轨道特征曲线用于定位。
5.根据权利要求2或3所述定位装置，其特征在于，所述同步采集与数据处理单元内还包括用于存储记录历史检测数据的轨道特征曲线 的第二存储器，所述历史数据用于将新采集的检测数据与历史检测数据作对比并进行趋势 分析。
6.一种轨道交通车辆的定位方法，其特征在于，所述方法基于轨道交通车辆的定位装 置，所述装置包括激光位移传感器、轨道车辆走行距离检测单元和同步采集与数据处理单元；所述激光 位移传感器和所述轨道车辆走行距离检测单元分别与所述同步采集与数据处理单元相连 接；所述方法包括如下步骤在工作状态下，将所述激光位移传感器相应于轨道内侧的扣件设置；检测该激光位移 传感器的安装位置与轨道表面特征点之间的距离；所述轨道表面特征点位于钢轨内侧，并 且与轨道中心线的距离为钢轨扣件到轨道中心线的距离；同时，基于轨道车辆走行距离检测单元检测轨道车辆沿线路方向上的位置变化量；所述同步采集与数据处理单元同步采集所述激光位移传感器和所述轨道车辆走行距 离检测单元的输出，以确定所述激光位移传感器输出的相邻位移采样点之间的实际距离， 进而获得轨道车辆经过线路的轨道特征曲线，并通过特征曲线匹配进行定位。
7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述基于轨道车辆走行距离检测单 元检测轨道车辆沿线路方向上的位置变化量为基于轮轴脉冲传感器，轮轴脉冲传感器在轨道车辆车轮每旋转一周输出多个脉冲，基 于车轮直径已知条件下，计算脉冲数获得走行距离。
8.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述基于轨道车辆走行距离检测单 元检测轨道车辆沿线路方向上的位置变化量为在所述轨道车辆走行距离检测单元中设置一个第二激光位移传感器，所述激光位移传 感器和所述第二激光位移传感器在轨道车辆行进方向上以预定间距安装在轨道车辆上，通 过匹配这两个传感器输出的波形，获得两者通过同一位置的时间差，进而获得车辆行进速 度和走行距离。
9.根据权利要求7或8所述定位方法，其特征在于，所述定位装置还包括在所述同步采集与数据处理单元还包括用于存储事先标定的轨 道特征曲线的第一存储器，在所述激光位移传感器和所述同步采集与数据处理单元工作 前，还包括存储事先标定的轨道特征曲线的步骤。
10.根据权利要求7或8所述定位方法，其特征在于，所述定位装置还包括用于存储记录历史检测数据的轨道特征曲线的第二存储器，所述 方法还包括将采集的检测数据与历史检测数据作对比并进行趋势分析的步骤；并且所述进行趋势分析的检测数据，与所述轨道特征数据同步采集。
全文摘要
本发明涉及一种轨道交通车辆的定位装置和方法。其中，所述定位装置包括激光位移传感器、轨道车辆走行距离检测单元和同步采集与数据处理单元；所述激光位移传感器和所述轨道车辆走行距离检测单元分别与所述同步采集与数据处理单元相连接。本发明通过车载激光位移传感器检测车辆与轨道之间的距离，借助轮轴脉冲传感器或两个车载激光位移传感器的输出获得车辆走行距离，最终由车载数据采集处理模块获得轨道特征数据。将采集到的轨道特征数据与轨道特征的历史数据进行匹配，实现高精度绝对或相对定位。
文档编号G01B11/02GK102069824SQ20101061636
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者余祖俊, 史红梅, 朱力强, 许西宁, 郭保青 申请人:北京交通大学