专利名称：基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及城市轨道交通领域，尤其涉及基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法及系统。
背景技术：
列车控制系统是城市轨道交通保障行车安全、提高运输效率和运营管理水平的重要设施。其中列车的测速定位子系统是列车控制系统中的关键组成部分，其主要任务是向列车控制系统提供实时的列车速度和位置信息。
目前国内外的城市轨道交通车载的测速定位系统多采用单一定位方式，但是其结构简单，测速定位可用性和精度较低，且仅适用于固定闭塞分区的信号系统。
随着城市轨道交通朝着快捷、舒适的方向发展，基于通信的列车控制系统(CBTC)已经成为了信号系统发展的主流方向。由于CBTC采用移动闭塞模式，对列车测速定位的精度和可靠性提出了更高的要求，单一方式的测速与定位系统已不能满足该需求。
从列车信息来源划分，现有城市轨道交通测速定位技术主要分为如下几种:
I)从车轴获取列车运动信息:通过将测量转速的传感器(如光电式编码器、霍尔传感器等)安装于车轴上，测速定位系统通过处理车轴传感器输出数字信号，结合轮径值就能计算出列车的速度。但是，该方法由于不是直接测量车体的运动信息，会受车轮异常运动，如滑行、空转、抱死、蛇形等，以及轮径磨损等情况而产生误差。
2)直接测量车体运动信息:雷达测速是一种直接测量车体运动信息的方法。根据多普勒效应的原理，利用发射波和反射波之间产生频差，通过测量频差就可以计算出列车的运行速度，再对速度进行积分滤波等处理就能得出位置信息。但是，由于雷达是直接测量的车体运动信息，其测量结果不受车轮异常运动情况，但由于受安装误差、电磁干扰和车体抖动等因素的影响，会造成测速测距性能的下降。发明内容
本发明的目的是提供基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法及系统，提高了列车测速与定位的准确性及可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法，该方法包括:通过列车首尾两端且具有相同物理结构的第一测速定位控制单元与第二测速定位控制单元并行工作，获得并显示最终结果，具体的:列车第一测速定位控制单元中的第一中央处理单元CPU判断第一应答器信息处理单元BPU是否出现故障，若所述第一 BPU工作正常，则接收其发送的由地面应答器反馈的地址信息；否则接收第二测速定位控制单元中的第二 BPU发送的地址信息；
所述第一 CPU接收到地址信息后，向第一速度传感器信息处理单元SPU发送查询报文，并接收到所述第一 SPU反馈的第一轮轴速度传感器OPG与第一雷达测速传感器RD测量到的列车速度信息、里程信息自检信息；
所述第一 CPU根据第一 OPG的自检信息判断其是否发生故障；并根据第一 OPG与第一 RD测量到的自检信息和速度信息，与阈值的大小关系判断所述第一 OPG与第一 RD测量的速度信息是否可靠；若所述第一 OPG发生故障或第一 OPG与第一 RD测量的速度信息不可靠，则丢弃所述第一 SPU反馈的数据，向列车尾端的第二 SPU发送查询报文并接收其反馈第二 OPG与第二 RD测量到的列车速度信息、里程信息和自检信息；
所述第一 CPU结合车载电子地图及接收到的地址信息，对接收到的里程信息的累积误差进行修正，获得列车当前位置信息；所述第一 CPU根据接收到的速度信息及自检信息确定最大速度值，并将该速度值作为列车当前行驶速度。
基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的系统，该系统包括:设置在列车首尾两端且具有相同物理结构的第一测速定位控制单元与第二测速定位控制单元；
其中，每一测速定位控制单元均包括:中央处理单元CPU、速度传感器信息处理单元SPU、应答器信息处理单元BPU、轮轴速度传感器OPG与雷达测速传感器RD、人机显示界面DMI ;所述DMI与CPU输出端相连，CPU的输入端与SPU及BPU的输出端相连；所述SPU输入端与OPG及RD的输出端相连；
所述第一测速定位控制单元中的第一 SPU与第二测速定位控制单元中的第二 SPU通过第一 RS485总线相连，且该总线的两端分别与第一 CPU与第二 CPU的输入端连接；第一BPU与第二 BPU通过第二 RS485总线相连，且该总线的两端分别与第一 CPU与第二 CPU的输入端连接。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过组合的方式对列车速度及位置信息进行测量，有效的提高了测量的准确性；另一方面，在不增加测速定位传感器的条件下，通过冗余网络的形式将列车首尾两端的传感器信息实现共享，提高了系统的可靠性。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例一提供的基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法的流程图2为本发明实施例一提供的一种CPU与SPU、BPU的通信机制的示意图3为本发明实施例一提供的一种RD工作状态判定方法的流程图4为本发明实施例一提供的基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法的流程图5为本发明实施例二提供的基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的系统的示意图。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
本发明由两套完全相同的冗余设备构成，分别安装于列车的首尾两端。按照安装端头不同，可以划分为第一测速定位控制单元与第二测速定位控制单元。每套测速定位控制单元均包括:中央处理单元(CPU)、速度传感器信息处理单元(SPU)、应答器信息处理单元(BPU)、轮轴速度传感器(0PG)、雷达测速传感器(RD)与人机显示界面(DMI)。系统结构如图5所示。在本发明实施例中，CPU负责完成速度和位置信息的安全处理以及传感器状态的监测。两端的CPU通过RS485总线分别与两端的SPU和BPU连接。为了保证各单元之间通信的实时性，SPU与BPU在两个不同的RS485总线上，如图中所示的第一网线和第二网线。RD安装于车厢底部，RD与SPU之间通过RS485总线连接。OPG安装于车轴轴端处，OPG与SPU之间通过屏蔽电缆连接。SPU负责完成RD和OPG所测量的列车运动状态信息的原始处理。DMI用于显示0PG、RD以及BPU的状态，其通过以太网和CPU连接。另外，本发明实施例中的测速定位控制单元中还包括BPU天线，其安装于车厢底部，BPU通过同轴电缆和BPU天线连接，BPU天线通过向下发射无线电波来查询当前安装位置下方是否有应答器，当BPU天线经过按一定间隔设置于轨面的应答器时，应答器会因受到无线电波的激励向外以无线电波的形式反馈预先设置在应答器中的信息，BPU通过BPU天线接收来自应答器的信息，并将其解析，最后以报文的形式发送给CPU处理。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法的流程图。如图1所示，主要包括如下步骤:
步骤11、列车第一测速定位控制单元中的第一中央处理单元CPU判断第一应答器信息处理单元BPU是否出现故障，若所述第一 BPU工作正常，则接收其发送的由地面应答器反馈的地址信息；否则接收第二测速定位控制单元中的第二 BPU发送的地址信息。
本发明实施例中包括列车首尾两端且具有相同物理结构的第一测速定位控制单元与第二测速定位控制单元。每一测速定位控制单元均包括:中央处理单元(CPU)、速度传感器信息处理单元(SPU)、应答器信息处理单元(BPU)、轮轴速度传感器(0PG)、雷达测速传感器(RD)与人机显示界面(DMI)。
所述第一测速定位控制单元与第二测试定位控制单元可并行工作，即当第一测速定位控制单元使用步骤11的方式进行工作时，第二测试定位控制单元也使用同样的方法工作。本发明实施例仅以第一测速定位控制单元中的第一 CPU进行测速及定位的方法为例进行说明。
在系统工作时，第一 CPU可以通过采集所在端头的司机钥匙状态来决定是否被激活，如果采集到司机钥匙为开启，则该CPU处于在线状态，否则处于离线状态。第一 SPU与BPU始终处于在线状态，根据第一 SPU与第一 BPU处理信息的特点(SPU为连续式，BPU为离散式)，第一 CPU与第一 BPU之间采用事件触发的方式进行通信。即第一 BPU在接受到应答器信息后，主动向第一 CPU发送数据报文。第一 BPU在状态正常的情况下应周期性的向第一 CPU发送“心跳”报文，以便第一 CPU进行状态监测。第一 CPU与第一 SPU、第一 BPU的通信机制如图3所示，第一 SPU与第一 CPU之间采用查询-应答的方式进行通信，第一 CPU周期性的给第一 SPU发送查询报文或者在收到第一 BPU的应答器数据报文后给第一 SPU发送查询报文，第一 SPU在收到第一 CPU的查询报文后，立刻响应，回传当前列车速度信息及里程息。
基于上述通信方式，第一 CPU需确保在经过地面应答器时可顺利的接受到第一BPU发送的应答器中预先存储的地址信息，进而向第一 SPU发送查询报文，再根据第一 SPU返回的信息完成列车的测速与定位。
通常情况下，第一 CPU默认接收第一 BPU发送的由地面应答器反馈的地址信息，但是，若第一 BPU发生故障，所述第一 CPU则将“地址信息”的来源切换至尾端的第二 BPU。
第一 CPU对第一 BPU工作状态进行检测主要采用如下两种方法:1)所述第一 CPU按照车载电子地图中的应答器布置，对所经过的应答器设置距离窗口，如果在设置的距离窗口内没有收到应答器信息，则判定所述第一 BPU出现故障；2)所述第一 CPU按照所述第一 BPU心跳报文的发送周期，对所述第一 BPU的心跳信息进行超时检测，如果在预设的时间内没有接收到心跳报文，则判定所述第一 BPU出现故障。
另外，本发明实施例中的第一测速定位控制单元还包括:第一 BPU天线，它安装在车厢底部，用于接收并转发应答器发送的地址信息至第一 BPU ;具体的:第一 BPU可通过同轴电缆和第一 BPU天线连接，第一 BPU天线通过发射无线电波来查询当前安装位置下方是否有应答器，当第一 BPU天线经过按一定间隔设置于轨面的应答器时，应答器会因受到无线电波的激励向外以无线电波的形式反馈预先设置在应答器中的地址信息，第一 BPU接收第一 BPU天线发送的来自应答器的地址信息，并将其解析，最后以报文的形式发送给第一CPU处理。
步骤12、所述第一 CPU向第一速度传感器信息处理单元SPU发送查询报文，并接收到所述第一 SPU反馈的第一轮轴速度传感器OPG与第一雷达测速传感器RD测量到的列车速度 目息、里程/[目息和自检彳目息。
当所述第一 CPU接受第一或第二 BPU发送的地址信息后，向本端的第一 SPU发送查询报文，第一 SPU将接收到的第一 OPG与第一 RD将测量到的列车速度信息与里程信息作为响应消息发送第一 CPU。
下面详细介绍第一 OPG与第一 RD测量速度信息、里程信息和自检信息的方法。
第一 RD利用多普勒效应，通过计算其向轨面发射的射频无线电波和反射的无线电波的频率差来计算当前列车 的运动速度，通过对速度求积分，从而计算出当前列车的运动距离。第一 RD以报文的形式周期性的向第一 SPU发送实时的测量结果。由于雷达测量结果受安装角度的影响较大，第一 SPU需根据雷达校正因子对第一 RD的测量结果进行修正，其中雷达校正因子由第一 CPU以报文的形式发送给第一 SPU，同时，还发送自检信息至第一SPU。
第一 OPG将测量到的列车车轴的转动信息以数字信号(方波)的发送给第一 SPU，第一 SPU通过硬件接口电路，将其转化为第一 SPU中央处理器能够处理的数字信号，中央处理器通过计算该数字信号的频率和方波个数结合被测车轮的轮径值计算出当前OPG所测量到的列车速度信息和里程信息，其中轮径值由第一 CPU以报文的形式发送给第一 SPU。
其中速度值的计算公式如下:
权利要求
1.基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法，其特征在于，该方法包括:通过列车首尾两端且具有相同物理结构的第一测速定位控制单元与第二测速定位控制单元并行工作，获得并显示最终结果，具体的:列车第一测速定位控制单元中的第一中央处理单元CPU判断第一应答器信息处理单元BPU是否出现故障，若所述第一 BPU工作正常，则接收其发送的由地面应答器反馈的地址信息；否则接收第二测速定位控制单元中的第二 BPU发送的地址信息； 所述第一 CPU接收到地址信息后，向第一速度传感器信息处理单元SPU发送查询报文，并接收到所述第一 SPU反馈的第一轮轴速度传感器OPG与第一雷达测速传感器RD测量到的列车速度/[目息、里程/[目息自检/[目息； 所述第一 CPU根据第一 OPG的自检信息判断其是否发生故障；并根据第一 OPG与第一RD测量到的自检信息和速度信息，与阈值的大小关系判断所述第一OPG与第一RD测量的速度信息是否可靠；若所述第一 OPG发生故障或第一 OPG与第一 RD测量的速度信息不可靠，则丢弃所述第一 SPU反馈的数据，向列车尾端的第二 SPU发送查询报文并接收其反馈第二OPG与第二 RD测量到的列车速度信息、里程信息和自检信息； 所述第一 CPU结合车载电子地图及接收到的地址信息，对接收到的里程信息的累积误差进行修正，获得列车当前位置信息；所述第一 CPU根据接收到的速度信息及自检信息确定最大速度值，并将该速度值作为列车当前行驶速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一CPU判断第一BPU是否出现故障的步骤包括: 所述第一 CPU按照车载电子地图中的应答器布置，对所经过的应答器设置距离窗口，如果在设置的距离窗口内没有收到应答器信息，则判定所述第一 BPU出现故障； 或者，所述第一 CPU按照所述第一 BPU心跳报文的发送周期，对所述第一 BPU的心跳信息进行超时检测，如果在预设的时间内没有接收到心跳报文，则判定所述第一 BPU出现故障。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一CPU接收第一或第二 BPU发送的由地面应答器反馈的地址信息的步骤包括: 车厢底部的第一或第二 BPU天线发射无线电波来查询当前位置下方是否有应答器； 当第一或第二 BPU天线经过按一定间隔设置于轨面的应答器时，应答器受到无线电波的激励向外反馈预先设置在应答器中的地址信息，并由第一或第二 BPU天线接收后发送至对应的第一或第二 BPU ； 所述第一或第二 BPU解析应答器反馈的地址信息，并以报文的形式发送给所述第一CPU。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一CPU根据第一 OPG的自检信息判断其是否发生故障的步骤包括:所述第一 OPG根据测量到的速度信息判断被测车轴是否发生空转打滑:当被测车轴测量的加速度IatjrcI大于阈值八。时，判定被测车轴发生空转打滑；所述第一 OPG将测量的所有车轴的发送空转打滑的结果作为自检信息发送至第一 CPU ；所述第一 CPU判断所述第一 OPG测量的所有车轴发生空转打滑的结果是否一致，若是，则所述第一 OPG工作正常，否则，判定其发生故障。
所述第一 CPU根据第一 OPG与第一 RD测量到的自检信息和速度信息，与阈值的大小关系判断所述第一 OPG与第一 RD测量的信息是否可靠具体包括:当根据自检信息确定所述第一OPG测量的所有车轴均未发生空转打滑且第一 RD工作正常时，则比较所述第一 OPG测量的每一车轴速度值Vtjrcn与第一 RD测量的速度Vkd间的滑移率I r0PG_ED I与阈值Ra间的大小，其中，WD= Vfv ;若I I <Ra，则判定其测量的信息可靠，否则判定其测量的信息vRD不可靠。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一CPU根据接收到的速度信息及自检信息确定最大速度值，并将该速度值作为列车当前行驶速度包括: 当根据自检信息确定第一或第二 OPG测量的所有车轴均未发生空转打滑，且对应的第一或第二 RD工作正常时，若所述第一或第二 OPG测量的每一车轴速度值Vtjrcn,与第一或第二RD测量的速度Vkd间的滑移率|r<)rc_KD|小于阈值Ra，则将所述第一或第二 OPG测量的所有车轴速度值，与对应的第一或第二 RD测量所得的速度值中的最大值作为列车当前行驶速度； 当根据自检信息确定所述第一或第二 OPG测量的所有车轴均未发生空转打滑，若所述对应的第一或第二 RD测量的速度Vkd小于阈值Vmin，则将所述第一或第二 OPG测量的所有车轴速度值中的最大值作为列车当前行驶速度； 当根据自检信息确定所述第一或第二 OPG测量的所有车轴均发生空转打滑，且对应的第一或第二 RD工作正常时，将所述第一或第二 RD测量的速度Ved作为列车当前行驶速度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一CPU对接收到的里程信息的累积误差进行修正，获得列车当前位置信息的步骤包括: 从接收到的第一或第二 SPU发送的第一或第二 0PG，以及对应的第一或第二 RD测量到里程信息中确定可靠里程值；具体的:当第一或第二 OPG测量的所有车轴均未发生空转打滑，且对应的第一或第二 RD工作正常时，若所述第一或第二 OPG测量的所有车轴里程值中的最大值与最小值之差小于阈值S a，则所述第一或第二 OPG测量的所有车轴里程值中的最大值作为可靠里程值；当所述第一或第二 OPG测量的所有车轴均发生空转打滑，且对应的第一或第二 RD工作正常时，则将第一或第二 RD测量的里程值Sed作为可靠里程值； 结合车载电子地图及接收到的地址信息对所述可靠里程值的累积误差进行修正，获得列车当前位置信息: L_Lbpu+Sbpu+ Δ Sopg+ Δ Sed ； 其中Lbpu表示第一 BPU天线到列车首端车钩的距离或第二 BPU天线到列车尾端车钩的距离；3_表示当前应答器在电子地图中映射的位置；ASwe表示未发生空转打滑时，第一或第二 OPG在经过应答器后测量得到的列车相对里程；Δ Sed表示发生空转打滑时，第一或第二 RD在经过应答器后测量得到的列车相对里程。
7.根据权利要求4-6任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括判断所述第一或第二 RD是否工作正常，其包括: 若所述第一或第二 RD的自检信息正常，所述第一或第二 RD的加速度|aKD|过不超过阈值Ae，且所述第一或第二 RD测量的速度Vkd不小于阈值Vmin时，则判定其工作正常。
8.基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的系统，其特征在于，该系统包括:设置在列车首尾两端且具有相同物理结构的第一测速定位控制单元与第二测速定位控制单元; 其中，每一测速定位控制单元均包括:中央处理单元CPU、速度传感器信息处理单元SPU、应答器信息处理单元BPU、轮轴速度传感器OPG与雷达测速传感器RD ;所述CPU的输入端与SPU及BPU的输出端相连；所述SPU输入端与OPG及RD的输出端相连； 所述第一测速定位控制单元中的第一 SPU与第二测速定位控制单元中的第二 SPU通过第一 RS485总线相连，且该总线的两端分别与第一 CPU与第二 CPU的输入端连接；第一 BPU与第二 BPU通过第二 RS485总线相连，且该总线的两端分别与第一 CPU与第二 CPU的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，该系统还包括: 与所述CPU相连的人机显示界面DMI ； 以及设置在列车车厢底部的BPU天线，其输出端与BPU的输入端相连。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述OPG为多通道传感器，安装于车轴轴端处。 `
全文摘要
本发明公开了基于网络分布式冗余架构的列车测速定位的方法及系统，其中，该方法包括通过列车首尾两端且具有相同物理结构的第一测速定位控制单元与第二测速定位控制单元并行工作，获得并显示最终结果；通过组合的方式对列车速度及位置信息进行测量，有效的提高了测量的准确性；另一方面，在不增加测速定位传感器的条件下，通过冗余网络的形式将列车首尾两端的传感器信息实现共享，提高了系统的可靠性。
文档编号B61L25/02GK103192853SQ20131009258
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者李博, 郜洪民, 尹逊政, 贾学祥, 李亮, 王芃, 孟军, 陈宁宁, 徐杰, 贾鹏 申请人:中国铁道科学研究院, 中国铁道科学研究院通信信号研究所, 北京市华铁信息技术开发总公司, 北京锐驰国铁智能运输系统工程技术有限公司