一种基于火车声音的火车测速与测向装置及其工作方法与流程

本发明属于铁路运营安全技术领域，更具体地，涉及一种基于火车声音的火车测速与测向装置及其工作方法。

背景技术：

在铁路信息化建设的快速发展下，铁路报警系统中广泛使用了火车测速和测向装置，用于判断火车与施工人员之间的距离、以及来车方向，并及时发出报警，以防止铁路施工事故的发生。

现有的火车测速装置通常是通过有线传感器、雷达测速装置、或激光测速装置实现，而火车测向装置是通过多个有线传感器、雷达测速装置、以及激光测速装置的组合实现。

然而，上述火车测距和测速装置均存在一些不可忽视的技术问题：第一，针对有线传感器(如磁钢传感器)而言，其需要埋线施工方能投入运营，施工量大，周期长，且传感器的价格非常昂贵；第二，雷达测速装置和激光测速装置都只能在无障碍物遮挡的情况下进行测速和测向操作，因此对于安装位置有较高的要求，导致其使用灵活性差，且安装过程花费时间长；第三，雷达测速装置和激光测速装置的功耗高，携带不方便。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于火车声音的火车测速与测向装置及其工作方法，其目的在于，解决现有有线传感器由于需要埋线施工方能投入运营，导致施工量大、周期长、且传感器的价格昂贵的技术问题，以及现有雷达测速装置和激光测速装置由于对安装位置有较高的要求，导致其使用灵活性差、且安装过程花费时间长的技术问题，以及现有雷达测速装置和激光测速装置的功耗高、携带不方便的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于火车声音的火车测速与测向装置，包括第一声音传感模块、第二声音传感模块、第一信号调节模块、第二信号调节模块、第一ad采样模块、第二ad采样模块、dsp模块、以及接口模块，第一声音传感模块、第一信号调节模块、第一ad采样模块、dsp模块、以及接口模块顺次串联连接；

第二声音传感模块、第二信号调节模块、第二ad采样模块、dsp模块、以及接口模块顺次串联连接。

优选地，工作时，第一声音传感模块和第二声音传感模块均与一侧铁轨平行设置，且第一声音传感模块和第二声音传感模块均与该侧铁轨垂直，第一声音传感模块与第二声音传感模块的距离d是10厘米到30厘米之间，优选为20厘米，第一声音传感模块和第二声音传感模块与该侧铁轨的距离l是10到50米之间，优选为30米。

优选地，第一声音传感模块和第二声音传感模块完全相同，均采用ky-037型声音传感器；

第一信号调节模块和第二信号调节模块完全相同，均包括顺次串联连接的前级放大电路、低通滤波电路、以及后级放大电路。其中前级放大电路和后级放大电路均采用ada4625-2型运算放大器；低通滤波电路是由ada4625-2型运算放大器组成的3阶巴特沃斯低通滤波器，3db截止频率10khz；

第一ad采样模块和第二ad采样模块完全相同，均采用ad4680型采样芯片；

dsp模块的型号是tms320c203pz80；

接口模块包括彼此串联连接的lora模块和rs232串口模块。

总体而言，通过本发明所构思的以上装置与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明利用火车通过空气传播的声音对火车车速和车向进行测量，不受弯道和隧道等遮挡影响，安装位置宽松，不需要进入铁路网，只要在铁路附近即可，可以最大程度节省进入铁路网的一切成本问题。

2、本发明使用方式多样，可固定安装，可便携安装，都不用埋线施工，只需要固定在铁路边即可，可以最大程度的节省施工时间。

3、本发明使用声音传感器进行火车车速和测向测量，功耗低，价格低。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于火车声音的火车测速与测向装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)接口模块接收来自用户的工作指令，并启动dsp模块开始工作；

(2)dsp模块关闭第二ad采样模块，设置计数器s＝1，并启动定时器t1和t2开始工作；

(3)dsp模块控制第一ad采样模块进行单次采样，以获取多个电压值，并计算所有电压值中的最大值qmax和最小值qmin、以及所有电压值的和qsum；

(4)dsp模块判断是否有qmax<a成立，且qmin<b成立，且qsum<c成立；如果是则进入步骤(5)，否则返回步骤(3)；其中a为第一阈值，b为第二阈值，c为第三阈值；

(5)dsp模块设置计数器i＝1；

(6)dsp模块控制第一ad采样模块和第二ad采样模块分别进行单次采样，以分别得到第i次采样结果xi和yi；

(7)dsp模块判断定时器t1是否超时，如果是则设置i＝i+1，并进入步骤(8)，否则继续本步骤(7)的判断过程；

(8)dsp模块判断是否有i大于预设的采样次数阈值fra，如果是则进入步骤(9)，否则返回步骤(6)；其中fra∈[3，10]。

(9)dsp模块根据所有采样结果xi和yi分别计算对应的平均能量值d1和d2；

(10)dsp模块控制第一ad采样模块和第二ad采样模块分别进行单次采样，以分别得到第s次采样结果as和bs；

(11)dsp模块分别计算采样结果as和bs中所有电压值的和sum1s和sum2s，并判断是否有sum1s和sum2s均大于预设阈值th，如果是则说明有火车接近本发明基于火车声音的火车测速与测向装置，并进入步骤(12)，否则说明没有火车接近本发明基于火车声音的火车测速与测向装置，并进入步骤(17)；

(12)dsp模块对第s次采样结果as和bs分别进行离散傅里叶变换，以分别得到变换结果cs和ds，并利用谱减法分别对变换结果cs和ds进行处理，以分别得到结果es和fs；

(13)dsp模块分别对步骤(12)得到的结果es和fs进行离散傅里叶变换，以分别得到变换结果ps和qs，计算变换结果ps和qs之间的相关函数，并获取该相关函数的最小值所对应的自变量hs；

(14)dsp模块根据步骤(13)得到的自变量hs获取火车与第一声音传感模块的麦克风质心和第二声音传感模块的麦克风质心二者正中间之间的连线与铁轨之间的夹角incs，并判断该夹角incs是否小于90度，如果是则将“火车方向为从第一声音传感模块开往第二声音传感模块”的信息发送给接口模块，然后进入步骤(15)，否则将“火车方向为从第二声音传感模块开往第一声音传感模块”的信息发送给接口模块，并进入步骤(15)；

(15)dsp模块根据步骤(14)得到的夹角incs获取第s次得到的第一声音传感模块的麦克风质心和第二声音传感模块的麦克风质心二者正中间在铁轨上的垂直投影与火车之间的距离ds，并判断是否有s大于1，如果是则进入步骤(16)，否则返回步骤(10)；

(16)dsp模块根据第s次得到的距离ds和第s-1次得到的距离ds-1计算火车车速，并将计算得到的火车车速发送到接口模块，并设置s＝s+1；

(17)接口模块判断是否接收到来自用户的休眠指令，如果是则过程结束，否则进入步骤(18)；

(18)接口模块判断是否接收到来自用户的环境噪声更新指令，如果是则说明用户发现本发明系统所在的位置存在新的噪声源，并返回步骤(2)，否则说明用户未发现本发明系统所在的位置存在新的噪声源，并返回步骤(10)；

优选地，步骤(3)中采样率为f1＝8khz，单次采样时间为int1＝10ms；

第一阈值a的取值范围等于第一ad采样模块的采样上限值的1/10倍到1/5倍；

第二阈值b的取值范围等于第一ad采样模块的采样上限值的1/20倍到1/10倍；

第三阈值c的取值范围等于第一ad采样模块的采样上限值的1/12*f1*int1倍到1/8*f1*int1倍。

优选地，步骤(6)和步骤(10)中的采样率为f2＝20k，单次采样时间为int2＝50ms；

步骤(7)中计时器t1的超时时长是500ms。

优选地，步骤(9)是采用以下公式：

步骤(11)中预设阈值th的取值范围等于第一ad采样模块的采样上限值的1/6*f2*int2倍到1/4*f2*int2倍。

优选地，步骤(12)中的结果es＝|cs|-a1*d1，fs＝|ds|-a1*d2，其中a1表示权值，其取值范围是0.8到1.5，优选为1.2；

步骤(14)中，夹角incsincs＝arccos(c*hs/(f2*d))

其中c表示声速，d表示第一声音传感模块中麦克风的质心与第二声音传感模块中麦克风的质心的距离。

优选地，距离ds＝l/tanincs，其中l表示第一声音传感模块和第二声音传感模块到与其最近的一侧铁轨的距离；

火车车速＝(ds-ds-1)/t，其单位为米/秒，其中t表示定时器t2的超时时长，其取值为500ms。

总体而言，通过本发明所构思的以上方法与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于本发明采用了步骤(1)到步骤(4)，其通过对dsp模块控制第一ad采样模块以较小采样率、较短时间进行单次采样得到的多个电压值的最大值和最小值进行判断，以防止出现脉冲类干扰，如汽车鸣笛，小鸟的叫声等，这种干扰会使得多个电压值变化范围较大，但是电压和较小，同时通过对多个电压值的和进行判断，找到环境声音变化相对比较平稳的时刻，并作为提取背景噪声的起始时刻。相对于通过对dsp模块控制第一ad采样模块以较大采样率、较长时间进行单次采样得到的多个电压值直接进行计算和判断是否是噪声，计算量小，效率更高，特别是对于来车比较频繁的路段，计算量会大大减小。

(2)由于本发明采用了步骤(5)到步骤(9)，其通过对dsp模块控制第一ad采样模块和第二ad采样模块分别进行多次采样得到两组电压值，并进一步计算组内平均能量值d1和d2，以此作为环境噪声背景，从而提高火车接近时的火车速度的计算精度。

(3)由于本发明采用了步骤(12)到步骤(13)，其通过谱减法分别对两路声音传感模块接收到的信号进行降噪处理，然后利用互相关函数两路信号之间的延时，以提高延时计算的准确率，进而提高速度计算的准确性。

(4)由于本发明采用了步骤(14)，其通过对步骤(13)得到的自变量hs来获取火车与第一声音传感模块的麦克风质心和第二声音传感模块的麦克风质心二者正中间之间的连线与铁轨之间的夹角incs，并通过判断夹角和90度的关系来判断火车的方向，相对于使用多个传感器联合测向而言，大大减小了成本，降低了系统功耗，增强了系统的可便携性。

(5)由于本发明采用了步骤(14)到步骤(16)，其通过第s次得到的距离ds和第s-1次得到的距离ds-1以及获得两次距离ds和ds-1之间的延时，并根据系统安装位置和火车位置之间的几何关系，计算火车速度，速度更新实时性高，计算量小，延时低。

(6)由于本发明采用了步骤(18)，其通过判断接口模块是否接收到来自用户的环境噪声更新指令，对环境噪声背景进行更新，增强了系统对环境变化较大地区的适应性。

附图说明

图1是本发明基于火车声音的火车测速与测向装置的模块示意图。

图2是本发明基于火车声音的火车测速与测向装置的工作方法流程图。

图3是本发明基于火车声音的火车测速与测向装置的安装位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于火车声音的火车测速与测向装置，包括第一声音传感模块1、第二声音传感模块2、第一信号调节模块3、第二信号调节模块4、第一模数(analog-digital，简称ad)采样模块5、第二ad采样模块6、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，简称dsp)模块7、以及接口模块8。

第一声音传感模块1、第一信号调节模块3、第一ad采样模块5、dsp模块7、以及接口模块8顺次串联连接，第二声音传感模块2、第二信号调节模块4、第二ad采样模块6、dsp模块7、以及接口模块8顺次串联连接。

如图3所示，当需要将本发明的基于火车声音的火车测速与测向装置安装在铁轨附近时，第一声音传感模块1和第二声音传感模块2均与一侧铁轨平行设置，且第一声音传感模块1和第二声音传感模块2中的麦克风均与该侧铁轨垂直，第一声音传感模块1中麦克风的质心与第二声音传感模块2中麦克风的质心的距离d是10厘米到30厘米之间，优选为20厘米，第一声音传感模块1和第二声音传感模块2与该侧铁轨的距离l是10到50米之间，优选为30米。

具体而言，第一声音传感模块1和第二声音传感模块2完全相同，均采用ky-037型声音传感器。

第一信号调节模块3和第二信号调节模块4完全相同，均包括顺次串联连接的前级放大电路、低通滤波电路、以及后级放大电路。

其中前级放大电路和后级放大电路均采用ada4625-2型运算放大器；

低通滤波电路是由ada4625-2型运算放大器组成的3阶巴特沃斯低通滤波器，3db截止频率10khz；

第一ad采样模块5和第二ad采样模块6完全相同，均采用ad4680型采样芯片。

dsp模块7采用的型号是tms320c203pz80；

接口模块8包括彼此串联连接的lora模块(其使用亿佰特公司的e32-433t20dc)和rs232串口模块；

如图2所示，本发明还提供了上述基于火车声音的火车测速与测向装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)接口模块接收来自用户的工作指令，并启动dsp模块开始工作；

(2)dsp模块关闭第二ad采样模块，设置计数器s＝1，并启动定时器t1和t2开始工作；

(3)dsp模块控制第一ad采样模块进行单次采样(其中采样率为f1＝8khz，单次采样时间为int1＝10ms)，以获取多个电压值，并计算所有电压值中的最大值qmax和最小值qmin、以及所有电压值的和qsum；

具体而言，在本发明中，由于第一ad采样模块的采样率为f1＝8khz，单次采样时间为int1＝10ms，因此单次采样所获得的是f1*int1，即80个电压数据。

(4)dsp模块判断是否有qmax<a成立，且qmin<b成立，且qsum<c成立；如果是则进入步骤(5)，否则返回步骤(3)；其中a为第一阈值，b为第二阈值，c为第三阈值；

具体而言，第一阈值a的取值范围等于第一ad采样模块的采样上限值的1/10倍到1/5倍，优选为1/8倍；第二阈值b的取值范围等于第一ad采样模块的采样上限值的1/20倍到1/10倍，优选为1/8倍；第三阈值c的取值范围等于第一ad采样模块的采样上限值的1/12*f1*int1倍到1/8*f1*int1倍，优选为1/10*f1*int1倍；

上述步骤(1)到步骤(4)的优点在于，其通过对dsp模块控制第一ad采样模块以较小采样率、较短时间进行单次采样得到的多个电压值的最大值和最小值进行判断，以防止出现脉冲类干扰，如汽车鸣笛，小鸟的叫声等，这种干扰会使得多个电压值变化范围较大，但是电压和较小，同时通过对多个电压值的和进行判断，找到环境声音变化相对比较平稳的时刻，并作为提取背景噪声的起始时刻。相对于通过对dsp模块控制第一ad采样模块以较大采样率、较长时间进行单次采样得到的多个电压值直接进行计算和判断是否是噪声，计算量小，效率更高，特别是对于来车比较频繁的路段，计算量会大大减小。

(5)dsp模块设置计数器i＝1；

(6)dsp模块控制第一ad采样模块和第二ad采样模块分别进行单次采样(采样率设置为f2＝20k，单次采样时间为int2＝50ms)，以分别得到第i次采样结果xi和yi(其中xi和yi均包括1000个电压值)；

(7)dsp模块判断定时器t1是否超时，如果是则设置i＝i+1，并进入步骤(8)，否则继续本步骤(7)的判断过程；

具体而言，本步骤中设置的计时器t1的超时时长是500ms。

(8)dsp模块判断是否有i大于预设的采样次数阈值fra，如果是则进入步骤(9)，否则返回步骤(6)；

具体而言，采样次数阈值fra为自然数，且有fra∈[3，10]。

(9)dsp模块根据所有采样结果xi和yi分别计算对应的平均能量值d1和d2；

具体而言，本步骤采用以下公式：

上述步骤(5)到步骤(9)的优点在于，其通过对dsp模块控制第一ad采样模块和第二ad采样模块分别进行多次采样得到两组电压值，并进一步计算组内平均能量值d1和d2，以此作为环境噪声背景，从而提高火车接近时的火车速度的计算精度。

(10)dsp模块控制第一ad采样模块和第二ad采样模块分别进行单次采样(采样率设置为f2＝20k，单次采样时间为int2＝50ms)，以分别得到第s次采样结果as和bs(其中as和bs均包括1000个电压值)；

(11)dsp模块分别计算采样结果as和bs中所有电压值的和sum1s和sum2s，并判断是否有sum1s和sum2s均大于预设阈值th，如果是则说明有火车接近本发明基于火车声音的火车测速与测向装置，并进入步骤(12)，否则说明没有火车接近本发明基于火车声音的火车测速与测向装置，并进入步骤(17)；

具体而言，本步骤中预设阈值th的取值范围等于第一ad采样模块的采样上限值的1/6*f2*int2倍到1/4*f2*int2倍，优选为1/5*f2*int2倍；

(12)dsp模块对第s次采样结果as和bs分别进行离散傅里叶变换，以分别得到变换结果cs和ds，并利用谱减法分别对变换结果cs和ds进行处理，以分别得到结果es和fs；

具体而言，es＝|cs|-a1*d1，fs＝|ds|-a1*d2；

其中a1表示权值，其取值范围是0.8到1.5，优选为1.2。

(13)dsp模块分别对步骤(12)得到的结果es和fs进行离散傅里叶变换，以分别得到变换结果ps和qs，计算变换结果ps和qs之间的相关函数，并获取该相关函数的最小值所对应的自变量hs；

上述步骤(12)和步骤(13)的优点在于，其通过谱减法分别对两路声音传感模块接收到的信号进行降噪处理，然后利用互相关函数两路信号之间的延时，以提高延时计算的准确率，进而提高速度计算的准确性。

(14)dsp模块根据步骤(13)得到的自变量hs获取火车与第一声音传感模块的麦克风质心和第二声音传感模块的麦克风质心二者正中间之间的连线与铁轨之间的夹角incs，并判断该夹角incs是否小于90度，如果是则将“火车方向为从第一声音传感模块开往第二声音传感模块”的信息发送给接口模块，然后进入步骤(15)，否则将“火车方向为从第二声音传感模块开往第一声音传感模块”的信息发送给接口模块，并进入步骤(15)；

具体而言，incs＝arccos(c*hs/(f2*d))

其中c表示声速，d表示第一声音传感模块中麦克风的质心与第二声音传感模块中麦克风的质心的距离；

上述步骤(14)的优点在于，其通过对步骤(13)得到的自变量hs来获取火车与第一声音传感模块的麦克风质心和第二声音传感模块的麦克风质心二者正中间之间的连线与铁轨之间的夹角incs，并通过判断夹角和90度的关系来判断火车的方向，相对于使用多个传感器联合测向而言，大大减小了成本，降低了系统功耗，增强了系统的可便携性。

(15)dsp模块根据步骤(14)得到的夹角incs获取第s次得到的第一声音传感模块的麦克风质心和第二声音传感模块的麦克风质心二者正中间在铁轨上的垂直投影与火车之间的距离ds，并判断是否有s大于1，如果是则进入步骤(16)，否则返回步骤(10)；

具体而言，距离ds＝l/tanincs，其中l表示第一声音传感模块和第二声音传感模块到与其最近的一侧铁轨的距离。

(16)dsp模块根据第s次得到的距离ds和第s-1次得到的距离ds-1计算火车车速，并将计算得到的火车车速发送到接口模块，并设置s＝s+1；

具体而言，火车车速＝(ds-ds-1)/t，其单位为米/秒，其中t表示定时器t2的超时时长，其取值为500ms。

上述步骤(14)到步骤(16)的优点在于，其通过第s次得到的距离ds和第s-1次得到的距离ds-1以及获得两次距离ds和ds-1之间的延时，并根据系统安装位置和火车位置之间的几何关系，计算火车速度，速度更新实时性高，计算量小，延时低。

(17)接口模块判断是否接收到来自用户的休眠指令，如果是则过程结束，否则进入步骤(18)；

(18)接口模块判断是否接收到来自用户的环境噪声更新指令，如果是则说明用户发现本发明系统所在的位置存在新的噪声源，并返回步骤(2)，否则说明用户未发现本发明系统所在的位置存在新的噪声源，并返回步骤(10)；

上述步骤(18)的优点在于，其通过判断接口模块是否接收到来自用户的环境噪声更新指令，对环境噪声背景进行更新，增强了系统对环境变化较大地区的适应性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。