车载定位装置、方法和铁路货车与流程

本发明涉及铁路货车的定位技术领域，具体地，涉及一种车载定位装置、方法和铁路货车。

背景技术：

货物运输是铁路运输的重要组成部分，把铁路上用于载运货物的车辆统称为铁路货车。按其用途不同，可分为通用货车和专用货车。主要类型有棚车、敞车、罐车、平板车等。中国铁路的年货物发送量居世界第一位，达30亿吨。可运送煤炭、谷物、液体、家畜、武器弹药、水泥、各种大型货物、各种物资等。可见，货物运输在铁路运输中是非常重要的一部分。

铁路货车属于无源设备，一般运输的路线在比较偏僻的地点，信号覆盖率较差，在对铁路货车的运行状态进行获取时，获取的信息较匮乏，货车动态仅能在几个关键节点被人工记录和统计，且整体数据准确性完全取决于工作人员工作态度。

因此，提供一种在使用过程中可以对铁路货车的位置分布及运行状态等信息进行准确地获取，并且传递给后台工作人员，从而方便对铁路货车进行管理的车载定位装置、方法和铁路货车是本发明亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的是克服现有技术中在对铁路货车的运行状态进行获取时，获取的信息较匮乏，货车动态仅能在几个关键节点被人工记录和统计，且整体数据准确性完全取决于工作人员工作态度的问题，从而提供一种在使用过程中可以对铁路货车的位置分布及运行状态等信息进行准确地获取，并且传递给后台工作人员，从而方便对铁路货车进行管理的车载定位装置、方法和铁路货车。

为了实现上述目的，本发明提供了一种车载定位装置，所述装置包括：

主定位模块，以对铁路货车的位置信息进行周期性获取；

辅助定位模块，以对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取；

定位切换模块，用于对所述主定位模块与所述辅助定位模块进行自动切换和/或后台切换；其中，

在所述主定位模块的信号强度超过强度阈值的情况下，利用所述主定位模块对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取；

在所述主定位模块的信号强度低于所述强度阈值的情况下，利用所述辅助定位模块对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取。

优选地，所述装置还包括：电源模块以及电源管理模块；

所述电源模块包括：主电池组、超级电容以及应急电池组；

所述电源管理模块用于对所述电源模块进行用电管理；其中，

优先使用所述超级电容进行供电；

在所述超级电容电量不足的情况下，切换成所述主电池组进行供电；

在所述主电池组电量不足的情况下，切换成所述应急电池组进行供电。

优选地，所述主电池组为可充电电池；

所述应急电池组为不可充电电池。

优选地，所述装置还包括：

充电模块，用于为所述主电池组和所述超级电容进行充电操作。

优选地，所述充电模块中的部分电能是通过将所述铁路货车运行过程中产生的振动动能转化所得。

优选地，所述主定位模块为gps定位和北斗定位的双模定位模块；

所述辅助定位模块为移动通信基站定位模块。

优选地，所述装置还包括：

加速度传感器，用于检测所述铁路货车的运动状态；

主控制器根据所述运动状态调节所述主定位模块和所述辅助定位模块对其位置信息进行获取的间隔周期；其中，

在运动状态下的所述间隔周期小于在静止状态下的所述间隔周期。

本发明还提供了一种车载定位方法，所述方法包括：

对所述主定位模块的信号强度进行检测；以及，

在所述信号强度超过强度阈值的情况下，利用所述主定位模块对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取；

在所述信号强度低于所述强度阈值的情况下，切换成所述辅助定位模块对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取。

优选地，所述方法还包括：

利用电源模块进行供电，所述电源模块包括：主电池组、超级电容以及应急电池组；

对所述电源模块进行用电管理；其中，

所述用电管理的步骤包括：

优先使用所述超级电容进行供电；

在所述超级电容电量不足的情况下，切换成所述主电池组进行供电；

在所述主电池组电量不足的情况下，切换成所述应急电池组进行供电。

优选地，所述主电池组为可充电电池；

所述应急电池为不可充电电池。

优选地，所述方法还包括：

利用充电模块对所述主电池组和所述超级电容进行充电。

优选地，所述充电模块中的部分电能是通过将所述铁路货车运行过程中产生的振动动能转化所得。

优选地，所述主定位模块为gps定位和北斗定位的双模定位模块；

所述辅助定位模块为移动通信基站定位模块。

优选地，所述方法还包括：

检测所述铁路货车的运动状态；

利用主控制器根据所述运动状态调节所述主定位模块和所述辅助定位模块对所述铁路货车的位置信息进行获取的间隔周期；其中，

在运动状态下的所述间隔周期小于在静止状态下的所述间隔周期的。

本发明还提供了一种铁路货车，所述铁路货车包括所述车载定位装置。

根据上述技术方案，本发明提供的车载定位装置、方法和铁路货车在使用时的有益效果为：克服现有技术中在对铁路货车的运行状态进行获取时，获取的信息较匮乏，货车动态仅能在几个关键节点被人工记录和统计，且整体数据准确性完全取决于工作人员工作态度的问题，可以对铁路货车的位置分布及运行状态等信息进行准确地获取，并且传递给后台工作人员，从而方便对铁路货车进行管理。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的一种优选的实施方式中提供的车载定位装置的结构示意图；

图2是本发明的一种优选的实施方式中提供的车载定位装置运行时的系统架构图；

图3是本发明的一种优选的实施方式中提供的车载定位装置运行的软件架构图；

图4是本发明的一种优选的实施方式中提供的车载定位装置上使用的数据通讯模块的电路原理图；

图5是本发明的一种优选的实施方式中提供的车载定位装置的外壳的组成结构示意图；

图6是本发明的一种优选的实施方式中提供的车载定位方法的流程框图；

图7是本发明的一种优选的实施方式中提供的电源模块的管理方法流程图；

图8是是本发明的一种优选的实施方式中提供的装载有车载定位装置的铁路货车。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

首先，针对所述车载定位装置进行详细地阐述；如图1所述，所述装置包括：

主定位模块，以对铁路货车的位置信息进行周期性获取；

辅助定位模块，以对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取；

定位切换模块，用于对所述主定位模块与所述辅助定位模块进行自动切换和/或后台切换；其中，

在所述主定位模块的信号强度超过强度阈值的情况下，利用所述主定位模块对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取；

在所述主定位模块的信号强度低于所述强度阈值的情况下，利用所述辅助定位模块对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取。

在上述方案中，利用所述主定位模块和/或所述辅助定位模块来对铁路货车的位置信息进行周期性获取；周期性获取的意思就是定位模块并不是一直进行工作的，每次获取完位置信息后，中间都会休眠一段时间，然后继续进行位置信息获取，这样可以起到有效地节能效果；其中，一般情况下所述主定位模块和所述辅助定位模块是分开进行工作的，控制的逻辑为：在所述主定位模块的信号强度超过强度阈值的情况下，利用所述主定位模块进行工作；在所述主定位模块的信号强度低于所述强度阈值的情况下，利用所述辅助定位模块进行工作，所述强度阈值为所述主定位模块可以正常工作的信号强度值，例如：当所述主定位模块为gps定位模块时，所述强度阈值就是所述gps定位模块能够正常获取所述铁路货车位置信息所需的gps信号强度；

在本发明中对于所述主定位模块和所述辅助定位模块之间的切换是通过所述定位切换模块实现的，而所述定位切换模块可以为自动切换和/或后台切换；所述自动切换为自动控制型切换，在所述主定位模块的信号强度低于所述强度阈值的情况下，所述定位切换模块将主定位模块切换成辅助定位模块进行定位工作，在所述主定位模块的信号强度高于所述强度阈值的情况下，所述定位切换模块将辅助定位模块切换成主定位模块进行定位工作；另一种切换模式为后台切换，即通过后台的工作人员来执行切换工作，其切换的根据还是所述主定位模块的信号强度。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述装置还包括：电源模块以及电源管理模块；

所述电源模块包括：主电池组、超级电容以及应急电池组；

所述电源管理模块用于对所述电源模块进行用电管理；其中，

优先使用所述超级电容进行供电；

在所述超级电容电量不足的情况下，切换成所述主电池组进行供电；

在所述主电池组电量不足的情况下，切换成所述应急电池组进行供电；其中，所述主电池组为可充电电池；

所述应急电池组为不可充电电池；

在上述方案中，本发明针对所述车载定位装置的电源模块的管理进行了优化，从而延长所述车载定位装置的工作时间以及电源模块的使用寿命；本发明的装置使用在铁路货车上，铁路货车为无源设备，所以电能是非常有限的，对于电能的使用也需要进行合理地管理，以达到充分利用的目的。

本发明中采用多电池融合方案：优选地，利用锂亚电池、磷酸铁锂电池、超级电容三部分组成为装置供电。利用锂亚电池的能量高密度、适合高低温、自放电系数小的优势，作为应急电池组为装置供电，同时利用磷酸铁锂电池的可充电性作为主电池组进行供电。

本发明设置多个电池融合进行供电的方案，还根据各个电池的特点制定了对应的电池用电逻辑，不仅提高了电量地合理利用，延长了电量的使用时候，而且还对延长电池的使用寿命有一定的帮助。

优选地，所述装置还包括：充电模块，用于为所述主电池组和所述超级电容进行充电操作；其中，所述充电模块中的部分电能是通过将所述铁路货车运行过程中产生的振动动能转化所得。

在上述方案中，本发明利用充电模块对所述主电池组和所述超级电容进行充电，从而进一步提高电量的使用时间。

当所述充电模块的电量可以通过其他能量转化而来，这样才能达到真正地节能目标，所以本发明中充分考虑了铁路货车在工作时的能源利用问题，将所述充电模块中的部分电能通过将所述铁路货车运行过程中产生的振动动能转化所得。

优选地，所述主定位模块为gps定位和北斗定位的双模定位模块；所述辅助定位模块为移动通信基站定位模块。

本发明根据所述gps定位、所述北斗定位以及所述移动通信基站定位的特点来设置所述主定位模块和所述辅助定位模块的，以使得对铁路货车的位置信息进行准确地获取；其中，

所述gps定位的优点是：定位精度高，只要能接收到四颗卫星的定位信号，就可以进行误差在5米以内的定位；缺点是：gps受天气和位置的影响较大。当遇到天气不佳的时候、或者处于高架桥/树荫的下面，或者在高楼的旁边角落、地下车库或露天的下层车库(或者简单地说当见不到天空的时候)，gps的定位就会受到相当大的影响，甚至无法进行定位服务；

所述北斗定位的优点是：需要的卫星少，即使将来扩展到全球定位需要的卫星也很少，因而成本低；如果系统开通服务，则接收机之间可以通过导航卫星直接通信；有选择性的服务，可以随时决定为谁定位不为谁定位；缺点是：目前卫星数量还没有覆盖全球，还不能实现全球定位；主动式定位，需要客户机向卫星发送信息，这样容易暴露；有限服务，卫星要接收到客户机信息并响应后才能定位，如果用户太多可能造成阻塞；

所述主定位模块将gps定位和北斗定位结合在一起，可以选取ublox的zoe-m8b模块实现双模定位，zoe-m8b为极低功耗双模定位模块。

所述移动通信基站定位模块主要以2g/3g/4g为主，5g距离规模商用还有较长的时间，4.5g(nb-iot)技术处于规模商用的前期，目前，三大运营商完成全国部分城市4.5g(nb-iot)网络覆盖。gprs(2g)较为成熟，但其功耗对于长时间电池供电设备来说仍然较高，同时由于2g网络目前三大运营商已经明确不再进行基站升级，不在进行基站容量位置，会导致同一基站下多个终端注册时出现拥堵现象。而即将规模化商用的nb-iot(4.5g)技术，则主要是面向于长期电池供电的物联网设备而设计开发，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。nb-iot使用license频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。可直接部署于gsm网络、umts网络或lte网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

优选地，所述装置还包括：

加速度传感器，用于检测所述铁路货车的运动状态；

所述主控制器根据所述运动状态调节所述主定位模块和所述辅助定位模块对其位置信息进行获取的间隔周期；其中，

在运动状态下的所述间隔周期小于在静止状态下的所述间隔周期。

在上述方案中，在对铁路货车的状态进行检测时，利用的就是加速度传感器，首先在我们现有的铁路货车的数据库里(或者实验获取的数据库里)，分析或者在铁路不同状态下的加速度数据，然后得出加速度与铁路货车状态的关系，这样在以后的使用过程中，就可以通过获取的加速度数据直接推断出货车的运动状态；在这里需要说明的是，由于铁路货车运行中存在震动，以及其他货车干扰的因素，如果使用速度传感器来检测其运行状态，准确度较差。而使用加速度传感器的原因就是其检测的准确度好；而且铁路或者在正常的行驶过程中一般不会存在绝对的匀速状态，所以这种情况对加速度传感器的影响概率几乎没有；

在上述方案中，根据铁路货车的运动状态来调节其功耗模式，定位设备和加速度传感器等就是属于一种功耗负载，以下对功耗负载的说明都使用定位设备以及加速度传感器进行阐述。

很明显铁路货车在静止状态下，定位设备不用频繁地对其进行位置获取(甚至可以不用对其进行位置获取)，如果还是像运动状态下一样的工作模式，则电池的电量就浪费了，本发明的系统通过降低铁路货车在静止状态下的设备功耗，从而将这部分的电量节约下来，则可以提高电池地使用时间；

其中，就定位设备运行的间隔周期而言，无论是运动状态，还是静止状态，功耗负载的间隔周期的计时起点为设备的当次唤醒时间开始，终点时间到下一次唤醒时止，这里的唤醒也可以理解为，重新对铁路货车的状态进行检测，例如：当检测到铁路货车的状态为静止时，可以将功耗负载休眠一端时间(比如2个小时)，休眠时间达到后，对铁路状态在次进行获取；当检测到铁路货车的状态为运动时，则启动定位设备，获取铁路货车的位置信息，然后更新位置信息，完成更新后，可以关掉功耗负载休息一段时间(比如15分钟)，休息时间达到后，对铁路状态在次进行获取。以此循环下去。

如图2所示，为本发明的车载定位装置的运行时的系统总体的架构图；

基于gis的地面软件系统可部署在货车公司内网，通过内外网安全平台与定位装置通信。

整个系统基于云计算(私有云)技术进行架构，如图3所示，分为物理资源层、iaas服务层、pass服务层、业务应用层和综合运维平台。

物理资源层：包括为计算、存储、网络等所需的服务器、存储等硬件设备。

iaas服务层：基于物理资源实现资源池化，并向上提供资源调度的接口。

paas服务层：在iaas之上构建paas平台的运行环境，应用运行的中间件接入到这个运行环境中，平台向上提供服务调用的接口。比如应用服务器、数据库服务器、bi、地图服务器等。

业务应用层：直接调用paas层暴露的服务接口实现服务调用，同时应用运行在平台提供的应用引擎中，由平台为应用提供统一的运行环境，保证迁移的环境一致性。业务应用满足用户功能，比如门户、追踪管理等。

综合运维平台：对整个平台结构的统一监控管理，对接各个服务层暴露的监控接口。

系统基于云计算架构，当系统管理的货车车辆数量增多时，只需增加计算、存储、网络资源即可满足要求。

在本发明装置的硬件上，还设置了：

防拆检测传感器，当其被非法打开外壳及被拆除时，将主动发送报警信息到管理平台；装置具备振动及加速度检测，以实现货车动/静状态的检测；系统装置可扩展集成有温湿度等传感器，可定位采集箱内温湿度并上报管理平台，确认其工作环境；

装置还采用自主的安全加算算法，实现全程通信加密，通信密钥可定时更新。同时，定位装置具备自我保护机制，当其遭受到耗尽性攻击时，可采取自我保护措施，以防电池电量被恶意消耗；

定位装置块将全部选用工业级电子元器件，保证其正常工作温度为范围在-40至+80摄氏度之间，定位装置的主控器及通信模块将采用过热保护设计，以避免高温损坏。

出于降低功耗的考虑，定位装置与管理后台之间大部分时间采用单向通信，但考虑到不同业务需要，有可能需要修改工作参数或升级固件，为此，定位装置将预留远程设置接口，并在每天固定时段启用。

定位装置内置rfid芯片，可作为货车的电子标识，rfid标签可存储货车编号、类型、属地等基础信息，即使在无网络情况下，仍然可以实现数据的本地读取。

本发明中主控制模块使用一颗st公司高性能超低功耗32位嵌入式单片机stm32l151r8t6a。该单片机用来控制定位装置中外设电路的工作逻辑，采集位置、时间、温度、识读、加速度、电池电压/电量等数据，并且以最大程度的控制定位装置的电能消耗。

本发明中将定位模块采集的数据上传到货车定位管理平台系统；其中，利用的是一款4g通讯模块ec-25e，ec25-e是一系列具有接收功能的lte-fdd/ltetdd/wcdma/gsm无线通信模块。它提供了lte-fdd、lte-tdd、dc-hspa+、hspa+、hsdpa、hsupa的数据连接性；并且支持wcdma、edge和gprs网络，确保在缺乏3g和4g网络的偏远地区也能正常工作。如图4所示，为其电路原理图。

如图5所示，在本发明中所述车载定位装置的外壳一般分为：前壳、后壳、天线盖三件，前壳和后壳采用质量较轻且强度较高的铝镁合金压铸，天线盖采用abs注塑而成。前壳和后壳采用盘头螺丝固定连接，连接处采用止口加密封圈设计。

以下再对所述车载定位方法进行详细的阐述，如图6所示，所述方法包括：

对所述主定位模块的信号强度进行检测；

将检测到的所述信号强度与强度阈值进行比较；

在所述信号强度超过强度阈值的情况下，利用所述主定位模块对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取；

在所述信号强度低于所述强度阈值的情况下，切换成所述辅助定位模块对所述铁路货车的位置信息进行周期性获取。

在上述方案中，周期性获取的意思就是定位模块并不是一直进行工作的，每次获取完位置信息后，中间都会休眠一段时间，然后继续进行位置信息获取，这样可以起到有效地节能效果。

该方法实施的有益效果为：克服现有技术中在对铁路货车的运行状态进行获取时，获取的信息较匮乏，货车动态仅能在几个关键节点被人工记录和统计，且整体数据准确性完全取决于工作人员工作态度的问题。

如图7所示，优选地，所述方法还包括：

利用电源模块进行供电，所述电源模块包括：主电池组、超级电容以及应急电池组；

对所述电源模块进行用电管理；其中，

所述用电管理的步骤包括：

优先使用所述超级电容进行供电；

在所述超级电容电量不足的情况下，切换成所述主电池组进行供电；

在所述主电池组电量不足的情况下，切换成所述应急电池组进行供电。

在上述方案中，本发明针对所述车载定位装置的电源模块地管理进行了优化，从而延长所述车载定位装置的工作时间以及电源模块的使用寿命。

优选地，所述主电池组为可充电电池；所述应急电池组为不可充电电池；其中，所述方法还包括：

利用充电模块对所述主电池组和所述超级电容进行充电。

在上述方案中，本发明利用充电模块对所述主电池组和所述超级电容进行充电，从而进一步提高电量的使用时间；当所述充电模块的电量可以通过其他能量转化而来，这样才能达到真正地节能目标。

所以本发明中充分考虑了铁路货车在工作时的能源利用问题，将所述充电模块中的部分电能通过将所述铁路货车运行过程中产生的振动动能转化所得。

优选地，所述主定位模块使用gps定位和北斗定位的双模定位模块；所述辅助定位模块使用移动通信基站定位模块。

本发明根据所述gps定位、所述北斗定位以及所述移动通信基站定位的特点来设置所述主定位模块和所述辅助定位模块的，以使得对铁路货车的位置信息进行准确地获取。

优选地，所述方法还包括：检测所述铁路货车的运动状态；利用主控制器根据所述运动状态调节所述主定位模块和所述辅助定位模块对所述铁路货车的位置信息进行获取的间隔周期；其中，在运动状态下的所述间隔周期小于在静止状态下的所述间隔周期的。

在上述方案中，根据铁路货车的运动状态来调节其功耗模式，从而达到节能的效果。其中，优选地，在运动状态下的所述间隔周期为在静止状态下的所述间隔周期的1/10-1/12。

本发明还提供了一种铁路货车，其特征在于，所述铁路货车包括所述的车载定位装置，从而利用所述车载定位装置来对所述铁路货车进行定位工作，以便于对所述铁路货车地管理；其中，

如图8所示，铁路货车用c80货车来举例说明安装事项，c80货车车身采用铝合金制造，无法在车身侧面焊接或打眼。c80货车两端为制动牵引装置，考虑货车使用安全性，不能将定位终端放置在货车两端焊接。c80货车底部为转向架及轮对的重要位置，结合安全性考虑，安装时需要对转向架及轮对留出足够安全空间。通过多次测量、确认，定位终端最终安装在c80货车1号角位。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。