基于钢轨形变/应力参数的车辆测速方法

专利名称：基于钢轨形变/应力参数的车辆测速方法
技术领域：
本发明涉及一种测量轨道交通系统中车辆运行速度的方法，尤其 涉及一种基于钢轨的形变或应力参数实现的轨道交通车辆速度测量方 法，属于列车运行监测技术领域。
背景技术：
在轨道交通系统中，对列车运行速度的监控是确保列车安全正点运 行的重要因素。现有技术中一般使用雷达测速、激光测速或车载测速设 备来测量列车的运行速度。但这些设备都存在一定的使用缺陷。例如对 于激光和雷达测速设备而言，在沙尘和雨雪天气下会受到空气中异物的 干扰，影响测量的精度。采用雷达测速还会产生电磁干扰，影响铁路无 线信号系统中关键信息的传递。使用车载测速设备也存在车地之间的通 信是否畅通的问题，地面指挥系统并不是在任何情况下都能方便地采集
到列车速度数据。
鉴于现有车辆测速技术所存在的不足，人们先后提出一些改进的
列车运行速度测量方案。例如在公开号为CN1769845的中国发明专利 申请中，提出了一种沿轨道移动物体位置和速度的检测方法。其技术 方案是基于挡板式透光挡光原理判断物体相对移动，设计一个定位测 速系统对沿轨道移动的物体进行定位和测速。但是，该技术方案是基 于透光挡光的原理实现的，在抗干扰性方面仍然存在不足。
另外，在公开号为CN1676389的中国发明专利申请中，公开了一种 基于光纤光栅的铁路监控系统。该系统中，将光纤的一部分附着在铁 路的一对轨道之一上。对应于该部分光纤所附着的轨道特性的变化， 光纤本身的特性也发生变化。通过接收和分析变更的光信号，就可以 利用光信号中包含的信息来确定所附着轨道的特性变化。因为火车车 轴之间的实际分离间隔通常是公知的，通过应用连续车轴通过具体布 雷格光栅所花的时间周期，该系统可以很容易地确定火车的瞬时速度。
但是，上述铁路监控系统只是大略地提出了利用光纤光栅进行车辆 测速的技术思路，并没有提供具体的实现方案。而且，在该发明中，将
光纤直接附着在轨道上进行有关参数的监测(参见该专利申请的图2)， 这种直接测量方式很容易导致出现光纤被飞石击毁的情况。从事直接测 量的传感器也容易脱落或失效，不宜长期使用。因此在实际操作中，上 述发明专利申请所提供的直接测量方式是不可取的。
经过研究，本发明人认为钢轨上的应力和形状变化是与车轮运动位 置相对应的。通过测量钢轨形变或应力参数的传感器实时测量钢轨在 车辆运行方向上的不同位置应力或形状变化发生的时间差，就可以得 到列车通过速度的数据。但是，现有技术中对钢轨形变参数的测量一 直仅用于钢轨制造和维护以及建立轮轨受力模型，并没有用在车辆的 速度测量方法之中。
另外，由于对钢轨之类的弹性体而言，其形变和内部的应力成正比， 测量形变就相当于测量应力，为方便起见，在下文中统一采用测量形变 参数的表述。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术方案所存在的不足和国内高速轮 轨系统的实际需求，提供一种基于钢轨的形变或应力参数实现的轨道交 通车辆速度测量方法。该方法不仅测量精度高，而且抗干扰能力强。 为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案 一种基于钢轨形变/应力参数的单测量点车辆测速方法，其特征在
于
在测量点上布置形变/应力传感器，测定列车各轮对经过该测量点 的时间间隔，经过比对车厢型号和转向架型号得到各轮对之间的长度 间隔，让对应的长度间隔除以时间间隔就得到列车通过该测量点的速 度。
其中，通过所述形变/应力传感器测量的形状/应力变化曲线的峰 值点确定列车各轮对通过测量点的时刻，所述峰值点通过如下方法确 定首先，计算当前时刻的曲线离散导数，根据当前时刻的曲线离散 导数与采样数据的符号进行判断比较，如果两者符号不同则可以认为 产生了一个曲线拐点，该曲线拐点就是用于计算轮对通过测量点时刻 的峰值点。
所述方法在实施时，在同一测量点上间隔不远处分别安装两个形 变/应力传感器，根据两个形变/应力传感器反应的先后获得车辆的运行
方向信息。
一种基于钢轨形变/应力参数的多测量点车辆测速方法，其特征在
于
在钢轨延伸方向上布置两个测量点，分别布置形变/应力传感器； 所述形变/应力传感器分别对同一轮对的经过时刻进行记录；将两个测 量点相距的长度除以两次记录时刻之差就得到列车经过该段距离的平 均速度。
其中，在两个测量点分别计算经过的轮对数目，轮对数相同的计 数就确定是同一轮对。
两组传感器针对每一轮对分别记录计轴数变化的具体时刻，并标 注该时刻所对应的轮对数；在传感器的记录数据中，将两组传感器分 别对同一轮对产生同一计轴数的时刻进行相减以得到时间。
或者，分析两个传感器测量点的状态序列变化，对00 10 110100 序列，即判断为有车轮由第一测量点到第二测量点，计轴数加1;对 00 01 11 10 OO序列，即判断有车轮由第二测量点到第一测量点，计 轴数减l，从而确定两组传感器感应的信号是同一个轮对。
在确定轮对经过时刻时，首先计算当前时刻的曲线离散导数，根 据当前时刻的曲线离散导数与采样数据前期导数的符号进行判断比 较，如果两者符号不同则可以认为产生了一个曲线拐点，该曲线拐点 就是峰值发生的时刻。
在确定两个测量点相距的长度时，针对不同的钢轨型号和传感器 安装方式，在仿真系统上测量出不同受力情况下的误差数据，并制作 成误差修正表格；在实际测量时，根据形状变化的大小查表得到长度 误差修正值。
或者，首先建立不同的钢轨型号和传感器安装方式下与形状变化 相关的误差曲线的计算函数，在实际测量时，利用该函数计算得到相 应的长度误差修正值。
本发明所提供的轨道交通车辆测速方法可以通过测量钢轨的形变 或应力参数来间接得到列车行驶速度，从而避免现有车地通信所存在 的可靠性低的问题。同时，传感器采用电应变片或光纤光栅，既可以 避免天气的干扰也不会干扰现有道旁已有的电磁系统。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。 图1是单测量点车辆测速方法的实施示意图； 图2是多测量点车辆测速方法的实施示意图3是多测量点车辆测速方法中，传感器的布置方式示意图； 图4是计轴条件方法所要求的理想波形曲线图； 图5是计轴条件方法中，形变误差的示例图。
具体实施例方式
钢轨在列车车轮的重力作用下会出现形状上的变化。因此，通过 在两个沿列车运行方向分布、距离为L的测量点上布置形变/应力传感 器，测量不同测量点在相同轮对下的形变感应，得到列车车轮通过距 离L的时间T;或者，在同一测量点测量钢轨在不同轮对下的形变感 应，对形变感应出现的时间差进行测量，得到列车车轮通过标准轮距 的时间T，从而得到列车的运行速度V。这就是本发明的基本实现思路。
上述用于感应钢轨形状变化的传感器可以是安装在钢轨上的光纤 光栅、电应变片或者其他感应形状应力变化的传感器。它们可以采用 本申请人另案申请的"钢轨形变/应力参数间接测量装置"进行安装， 从而实现对钢轨形变/应力参数的间接测量。如果采用光纤光栅传感器
也可以用前述公开号为CN1676389的中国发明专利申请中所描述的安 装方式进行安装，从而实现对形变/应力参数的直接测量。考虑到工程 实施的便利性等多方面因素，本发明人建议优选"钢轨形变/应力参数 间接测量装置"来具体实施本发明。
在工程实践中，为避免微弱干扰和/或非车轮因素的形变干扰，对 传感器采集的变化数据应设置恰当的门限阈值予以过滤。这是本领域 技术人员都能轻易完成的工作，在此就不详细赘述了。
本发明所提供的基于钢轨形变/应力参数的车辆测速方法有两种 实施方案，分别是单测量点测速方法和多测量点测速方法。下面分别 予以详细的说明。
一.单测量点测速方法
图1是单测量点的测速示意图，其中横坐标是根据列车编组和车 厢参数计算出的整列车轮距，纵坐标是传感器感应轮对的时间，曲线 的斜率就是车辆运行速度。
在单测量点上布置形变传感器之后，首先测定列车各轮对经过该
测量点的时间间隔。由于所要测量的列车编组的车厢型号和转向架型 号是可以通过行车时刻表和列车编组信息的信息渠道及时获得的，经 过比对车厢型号和转向架型号就可以得到各轮对之间的长度间隔。在 得到有关的时间间隔之后，让对应的长度间隔除以时间间隔就可以计 算出列车通过该测量点的速度。这种测速方法的优点是计算简单，结 果也比较准确。但不足之处在于需要事先得到列车的编组信息。通过 列车的编组信息和车厢、转向架型号数据可以进一步得到转向架的轮 距参数和位置参数，从而算出轮对之间的长度间隔。
在实践中，如果要求做到速度的实时测量，需要及时将传感器的 有关数据传送给计算机，因此对通信保障措施的要求比较高。由于任 何的信息错误或通信故障都会影响测量结果的准确性，甚至无法获得 结果。因此，该测量方案的可靠性相对较低，可以用在不需要考虑车 辆运行方向、安全要求也比较低的场合下。
在实施上述单测量点测速方法的过程中，比较理想的方式是在站 房或者调度室设置专用的计算机。该计算机一方面与列车调度指挥系 统进行连接，以获取列车调度指挥系统中车次数据库的信息；另一方 面与形变传感器进行连接，以获取车辆轮对经过传感器的时间信息。 车次数据库中存放的是特定时刻通过测量点的列车编组信息(即通过 时间段，第一辆什么车，第二辆什么车等等)。另外，在计算机或列车
调度指挥系统中还需要设置车辆轮对间距数据库。该数据库存放各种 车辆的轮对间距信息。以一列普通车皮为例，包括第一轮对到相邻车 钩距离、第一轮对到第二轮对的距离、第二轮对到第三轮对的距离、 第三轮对到第四轮对距离、第四轮对到相邻车钩距离、车皮类型编号等。
在计算时间T时，每个轮对通过测量点的时刻就是形状(或应力) 变化曲线的峰值点所在的时刻。峰值点的判断可以参见本发明人另案 申请的"基于钢轨形变/应力参数的车辆计轴方法"中提到的拐点计算
方法。该拐点计算方法的基本实现过程是这样的首先，计算当前时 刻的曲线离散导数。具体而言，将当前采样数据与前一时刻的采样数 据的差值除以当前采样数据就可以获得当前的曲线离散导数。在判断 曲线拐点时，根据当前时刻的曲线离散导数与采样数据的符号进行判 断比较，如果两者符号不同则可以认为产生了一个曲线拐点。该曲线
拐点就是用于计算轮对通过测量点时刻的峰值点。相邻的峰值点所处 时刻的差值就是车辆通过某一轮对间隔距离的时间。
在实施单测量点测速方法时，为了在测量车辆运行速度的同时获 取车辆的运行方向信息，可以在同一测量点上间隔不远处分别安装两 个形变传感器，根据两个形变传感器反应的先后可以获得车辆的运行方 向信息。另外，如果分别采集两个形变传感器的测量数据，加以平均 后作为传感器的测量数据输出，将可以大大减少测量误差的发生概率。
二.多测量点测速方法
参见图2所示，在钢轨延伸方向上布置两个测量点。两个测量点 相距的长度为L，它们分别对同一轮对的经过时刻进行记录，两次记
录时刻之差为列车经过距离L的时间T。将长度L除以时间T，就可以 得到列车经过该段距离的平均速度。这一关系反映在图2中，其中根
据不同测量点对同 一 轮对的感应时刻和测量点之间距离的对应关系绘 制的曲线斜率就是车辆的运行速度。
需要说明的是，上述测量方法得到的是列车在 一 段时间内的平均 速度。当列车匀速运动时，所测量的速度就是列车的瞬时速度，但当 列车加速或减速运动时，只有在测量距离L相对于V的测量精度足够 短时，所测量的运行速度V才能近似认为等于列车当时的瞬时速度。
上述多测量点测速方法虽然在原理上比较简单，但在具体实施时 仍然存在一些问题需要解决。下面分别给予详细的说明。
首先要解决的问题是同轮对的识别问题。 一列列车有许多轮对， 只有取相同轮对的形变感应信号才可以计算时间间隔T，否则就会出 现计算错误。要解决这个问题，比较简单的方法是计轴数方法，即在 两个测量点分别计算经过的轮对数目(具体计算方法可以参考本发明 人另案申请的"基于钢轨形变/应力参数的车辆计轴方法")，轮对数相 同的计数就表示是同一轮对。例如，如果第一组计轴传感器的计轴数 从5变为6，当第二组计轴传感器的计轴数也从5变为6时，就可以 知道这两次形变感应是同一轮对产生的。
采用上述的计轴数方法时，传感器布置方式如图3所示，在每个 测量点分别布置两个传感器。这样传感器数目最少需要4个才能完成 测速(如果仅采用两个传感器，在确定列车不改变方向的时候也可以 完成测速)。
另外一个解决同轮对识别问题的方法是计轴条件方法。该方法最 少需要两个传感器，分别布置在两个传感器测量点。其感应信号的分 布应该符合图4所示的理想波形曲线图。图4中，fl是预先设定的门
限，设定的门限要满足车轮压在第一个传感器测量点A的(0 t2时 间段)状态是Ol，压在两个传感器测量点之间(t2 t3时间段)状态 是11，即同一车轮压在两组传感器之间，两个传感器同时显示，压在 第二个传感器测量点B的(t3 t4时间段)状态是10。传感器测量点 的距离和门限阈值的设定要按照上述的理想状态来设置，尤其是要使 其两个传感器测量点能在(t2 t3时间段)同时感应出同一车轴的变 化，实现11状态。这样可以解决在传感器点附近变向行驶的问题。
在传感器测量点的感应信号满足上述条件之后，分析两个传感器 测量点的状态序列变化，对00 10 11 01 OO序列，即判断为有车轮由A 测量点到B测量点，计轴数加l;对00 01 11 10 00序列，即判断有车轮 由B测量点到A测量点，计轴数减1。通过这种方法，可以确定两组传 感器感应的信号是同一个轮对，两组传感器感应的时间差就是待测时间 T。该时间T实际就是从01到10状态的时间差或从10到01状态的时间 差。
根据上述识别同轮对方法的不同，时间T的计算方法也不相同。 对于计轴数方法，两组传感器针对每一轮对分别记录计轴数变化 的具体时刻，并标注该时刻所对应的轮对数。然后在传感器的记录数 据中，将两组传感器分别对同一轮对产生同一计轴数的时刻进行相减 就可以得到所需的时间T。
对于计轴条件方法，首先计算当前时刻的曲线离散导数。具体而 言，将当前采样数据与前一时刻的采样数据的差值除以当前采样数据 就可以获得当前的曲线离散导数。在判断曲线拐点时，根据当前时刻 的曲线离散导数与采样数据的符号进行判断比较，如果两者符号不同 则可以认为产生了一个曲线拐点。该曲线拐点就是峰值发生的时刻。 对于同一次计轴事件，参见图4所示，分别记录两个传感器测量数据 出现的峰值时刻U与t4， tl与t4的时间差就是所测量的时间T。 接下来，详细说明本车辆测速方法中对距离L的测量问题。 对于前面提到的计轴数方法而言，参见图3所示，可以取两组计 轴传感器上的相同位置为测量点，例如分别取每一组计轴传感器中两
个传感器所在位置的中间点作为测量点，两个测量点之间的距离就是 测速所需的距离L。
对于计轴条件方法而言，距离L的测量问题就比较复杂。这主要
是因为计轴条件方法中，距离L是依赖于如图4所示的波形曲线峰值
点(拐点)进行相关判断的。在根据波形曲线进行判断的过程中，传 感器比较容易确定的是钢轨形状或应力变化最大的点(因车辆行驶速 度不同，确定其他点的测量误差比较大)。但根据有关的受力分析，钢 轨梁式结构中仅仅有几个特定点可以作为测量点(更进一步的说明请 参见本发明人的在先专利申请"钢轨形变/应力参数间接测量装置")。
这样，参见图5所示的形变误差示例，轮轨的接触点与形状变化最大 的点之间可能会存在一定的距离。这是因为虽然轮轨接触点受到的外 力最大，但由于存在钢轨内应力、轨枕支撑力等多方面的作用，实际 上无论是钢轨的拉伸形变还是侧向形变，其最大点都和受力点之间存 在一些距离。对于拉伸形变而言，只有在两轨枕正中间的位置进行测 量，轮轨接触点才与形变最大点重合；对于侧向形变而言，只有在轨 枕支撑点所在的位置进行测量，轮轨接触点才与形变最大点重合。
另外，实践中辨别来车方向都是基于两个计轴传感器在同一时间感 应同一车轴的情况。如果两个计轴传感器的距离大于转向架的轴距长度，
当转向架的两个车轴同时落入两个传感器测量点之间时，传感器就无法 辨别某个轮对对它们的受力情况，不能辨别来车方向。因此，传感器测 量点之间的距离必须小于转向架的轴距长度。由于转向架的轴距长度并 不是一个较大的数值，因此距离L的测量误差不能被忽略。
针对上述的问题，可以采用两种方法予以解决第一种方法是针 对不同的钢轨型号和传感器安装方式，在仿真系统上测量出不同受力 情况下的误差数据，并制作成误差修正表格。使用时，根据形状变化 的大小査表得到长度误差修正值。另一种方法是建立不同的钢轨型号 和传感器安装方式下，与形状变化相关的误差曲线的计算函数。使用 中时，利用该函数计算得到相应的长度误差修正值。
下面介绍本发明中识别车辆运行方向的方法。
在多测量点测速方法中，无论计轴数方法还是计轴条件方法都可 以根据两个传感器测量点反应的先后来获得车辆的运行方向信息。对于 计轴数方法，也可以通过计轴数的变化情况确定车辆运行方向。例如，开始状态下两组计轴数都为5，然后第一组计轴产生变化，计轴数变
为6，而后第二组计轴数也变化为6，就可以判断车辆运行方向为从第
一组传感器向第二组传感器方向运行。当然，实际情况可能会更复杂 一些，但原理是一样的。
在测量过程中，出现车辆运行方向出现变化的情况时，对于计轴 数方法，当列车仅仅经过其中的第一组计轴传感器时，由于计轴数会 发生反向的变化(原来增大的减小、减小的增大)，如果第二组计轴传 感器没有该计轴事件的时间记录，则应消除第一组计轴传感器的时间 记录，不再计算这个计轴事件背后的车辆运行速度。对于计轴条件方 法则不存在这样的问题。
以上对本发明所提供的基于钢轨形变/应力参数的车辆测速方法进行 了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精 神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权 的侵犯，将承担相应的法律责任。
权利要求
1. 一种基于钢轨形变/应力参数的单测量点车辆测速方法，其特征在于在测量点上布置形变/应力传感器，测定列车各轮对经过该测量点的时间间隔，经过比对车厢型号和转向架型号得到各轮对之间的长度间隔，让对应的长度间隔除以时间间隔就得到列车通过该测量点的速度。
2. 如权利要求1所述的基于钢轨形变/应力参数的单测量点车辆 测速方法，其特征在于通过所述形变/应力传感器测量的形状/应力变化曲线的峰值点确 定列车各轮对通过测量点的时刻，所述峰值点通过如下方法确定首 先，计算当前时刻的曲线离散导数，根据当前时刻的曲线离散导数与 采样数据的符号进行判断比较，如果两者符号不同则可以认为产生了 一个曲线拐点，该曲线拐点就是用于计算轮对通过测量点时刻的峰值 点。
3. 如权利要求1所述的基于钢轨形变/应力参数的单测量点车辆 测速方法，其特征在于所述方法在实施时，在同一测量点上间隔不远处分别安装两个形 变/应力传感器，根据两个形变/应力传感器反应的先后获得车辆的运行 方向信息。
4. 一种基于钢轨形变/应力参数的多测量点车辆测速方法，其特 征在于在钢轨延伸方向上布置两个测量点，分别布置形变/应力传感器； 所述形变/应力传感器分别对同一轮对的经过时刻进行记录；将两个测 量点相距的长度除以两次记录时刻之差就得到列车经过该段距离的平 均速度。
5. 如权利要求4所述的基于钢轨形变/应力参数的多测量点车辆 测速方法，其特征在于-在两个测量点分别计算经过的轮对数目，轮对数相同的计数就确 定是同一轮对。
6. 如权利要求5所述的基于钢轨形变/应力参数的多测量点车辆 测速方法，其特征在于两组传感器针对每一轮对分别记录计轴数变化的具体时刻，并标 注该时刻所对应的轮对数；在传感器的记录数据中，将两组传感器分 别对同一轮对产生同一计轴数的时刻进行相减以得到时间。
7. 如权利要求4所述的基于钢轨形变/应力参数的多测量点车辆测速方法，其特征在于分析两个传感器测量点的状态序列变化，对00 10 11 01 00序歹ij ， 即判断为有车轮由第一测量点到第二测量点，计轴数加1;对00 01 11 10 OO序列，即判断有车轮由第二测量点到第一测量点，计轴数减l， 从而确定两组传感器感应的信号是同一个轮对。
8. 如权利要求7所述的基于钢轨形变/应力参数的多测量点车辆 测速方法，其特征在于在确定轮对经过时刻时，首先计算当前时刻的曲线离散导数，根 据当前时刻的曲线离散导数与采样数据前期导数的符号进行判断比 较，如果两者符号不同则可以认为产生了一个曲线拐点，该曲线拐点 就是峰值发生的时刻。
9. 如权利要求7所述的基于钢轨形变/应力参数的多测量点车辆测速方法，其特征在于在确定两个测量点相距的长度时，针对不同的钢轨型号和传感器 安装方式，在仿真系统上测量出不同受力情况下的误差数据，并制作成误差修正表格；在实际测量时，根据形状变化的大小查表得到长度 误差修正值。
10. 如权利要求7所述的基于钢轨形变/应力参数的多测量点车辆 测速方法，其特征在于在确定两个测量点相距的长度时，首先建立不同的钢轨型号和传 感器安装方式下与形状变化相关的误差曲线的计算函数，在实际测量 时，利用该函数计算得到相应的长度误差修正值。
全文摘要
本发明公开了一种基于钢轨形变/应力参数的车辆测速方法。该方法中，通过在两个沿列车运行方向分布、距离为L的测量点上布置形变传感器，测量不同测量点在相同轮对下的形变感应，得到列车车轮通过距离L的时间；或者在同一测量点测量钢轨在不同轮对下的形变感应，对形变感应出现的时间差进行测量，得到列车车轮通过标准轮距的时间，从而得到列车的运行速度。采用本发明，可以避免现有车地通信所存在的可靠性低的问题。同时，传感器采用电应变片或光纤光栅，既可以避免天气的干扰也不会干扰现有道旁已有的电磁系统。
文档编号G01P3/64GK101377524SQ20071012115
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者吕志东, 李明华, 袁军国, 斌 辛 申请人:北京佳讯飞鸿电气股份有限公司