铁路平面无线调车定位方法、调车系统及其工作方法与流程

本发明涉及铁路调车技术领域，具体而言涉及一种铁路平面无线调车定位方法、调车系统及其工作方法。

背景技术：

铁路平面调车作为铁路运营中的首要环节，就是在平面牵出线上进行的调车作业。平面调车任务的完成是保证列车在对应的轨道行驶及人员、货物准确输送的第一步。铁路平面无线调车系统就是基于无线电台加装控制软、硬件，实时传送车辆编组调车信息，实现灯显信令、语音提示的通信与信号一体化的车辆编组调度的信息与控制系统。

现有的铁路平面无线调车系统存在着以下三个缺点：(1)调车频道占用时间长会产生同频道的频率干扰；(2)定位系统在机车的启动、运行及停止时的数据存在一定的误差；(3)调车作业的可视化程度低，及调车进程需要依靠人员观望及描述来完成调车，不能够及时在电脑客户端或移动设备上及时反映调车进程。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种铁路平面无线调车定位方法、调车系统及其工作方法，采用数字无线通信，保持了调车信号通道的畅通，在机车台控制器中搭载了定位装置，对定位装置探测结果进行了算法上的改进，在调车过程中实现了机车车辆的精确定位并且通过云服务器实现调车过程在移动及电脑客户端上显示，简化了调车作业的操作复杂度，节省了操作人员的精力，减少了劳动力，同时降低调车过程中的错误发生率，提高了调车的精确性，增强了调车作业的安全性，避免了人员疏忽造成的调车事故的发生。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种铁路平面无线调车定位方法，所述定位方法包括：

根据前一刻机车的位置估测当前机车的位置，结合机车位置的测量数据，根据调车的区段来判断机车的精确位置，包括以下步骤：

s1：设机车的状态为且k时刻的机车状态其中，是k时刻的机车的位置，是k时刻的机车的速度，k时刻的机车的速度和位置的相关性用协方差矩阵pk表示为：

其中，σij表示协方差矩阵元素，i＝{p,v}，j＝{p,v}；

s2：获取以下两个位置信息：根据前一刻机车的位置估测到的当前机车的预测位置pxk＝(xk,yk)，以及采用定位装置测量到的当前机车的测量位置pzk＝(xzk,yzk)；

设在有限时间内将机车行进轨迹定义成直线ax+by+c＝0，根据下述公式计算得到前述两个位置与所述机车行进轨迹的距离：

其中，dxk为预测位置离轨道的距离，dzk为测量位置离轨道的距离，a、b、c由列车车轨的经纬度坐标计算得到；

s3：将求得的距离dxk和dzk作为卡尔曼增益k的判别依据，分别赋予对应的权重，其中，距离大小和权重大小呈反比，根据下述公式计算kk值：

计算得到当前机车的实际状态：

p′k＝pk-kkhkpk

其中，为k时刻的最优状态值，p′k为k时刻状态更新协方差矩阵，kk为k时刻的卡尔曼增益，表示定位装置的测量数据，hk表示定位装置读取的数据单位与跟踪状态单位的换算尺度，r表示传感器测量误差；

s4：将和p′k放入下一个预测和更新方程中完成不断迭代。

进一步的实施例中，所述根据前一刻机车的位置估测当前机车的位置包括以下步骤：

s21：根据下述公式，结合(k-1)时刻的机车状态以预测k时刻的机车状态：

pk＝pk-1+δtvk-1

vk＝vk-1

其中，δt是(k-1)时刻和k时刻之间的时长；

用矩阵表示为：

其中，矩阵

由公式cov(wx)＝wσw^t可得：

pk＝fkpk-1fk^t

s22：引入外部控制向量设油门的期望加速度为a，运用基本的运动学方程得到：

其中，bk为控制矩阵；

s23：将其余未被跟踪的干扰定义成协方差矩阵pk的噪声，处理后得到扩展的协方差矩阵qk，可得：

pk＝fkpk-1fk^t+qk。

结合图2，基于前述定位方法，本发明还提及一种铁路平面无线调车系统，所述调车系统包括区长台控制器、机车台控制器、手持电台、云服务器；

所述区长台控制器、机车台控制器、手持电台均与数字电台相连，以进行相互之间的数据交互；

所述区长台控制器接收外部发送的调车指令和相应的第一语音信息，将所述调车指令和第一语音信息存储后传输至机车台控制器；

所述机车台控制器被设置成响应于接收到调车指令和第一语音信息，对调车指令和第一语音信息进行识别，播放识别出的第一语音信息，并且采用前述铁路平面无线调车定位方法以获取机车当前位置信息，结合机车当前位置信息对所述调车指令进行解析，将解析后的调车指令、相应的第二语音信息和机车当前状态信息分别发送至手持电台和区长台控制器；

所述手持电台响应于接收到解析后的调车指令，播放解析后的调车指令给调车员；

所述手持电台还用于接收调车员发送的提示语音，将提示语音分别发送至机车台控制器和区长台控制器；

所述机车台控制器通过数字无线传输网络终端与云服务器相连，机车台控制器被设置成响应于接收到任意一个调车指令，将所述调车指令执行期间的车辆信息、车辆运行速度、车辆运行轨迹、车辆位置信息、解析后的调车指令、接收和发送的语音信息均通过数字无线传输网络终端传输至云服务器。

进一步的实施例中，所述区长台控制器包括第一电源装置、第一控制装置、第一信号收发装置、无线语音对讲监听装置、第二显示装置、输入装置、pc端通讯装置；

所述第一电源装置分别与第一控制装置、第一信号收发装置、无线语音对讲监听装置、第一显示装置、输入装置、pc端通讯装置相连，以提供其正常工作所需电能；

所述输入装置与第一控制装置相连，用于接收外部输入的调车指令，将接收到的调车指令发送至第一控制装置进行处理；

所述无线语音对讲监听装置通过第一信号收发装置与数字电台连接，用于根据外部控制指令与机车台控制器、手持电台进行语音交互；

所述第一控制装置通过第一信号收发装置与数字电台连接，用于将第一控制装置接收到的调车指令发送至机车台控制器，以及将接收到的机车台控制器反馈的解析后的调车指令和机车当前状态信息发送至第一控制装置；

所述第一显示装置与第一控制装置相连，用于显示调车作业的状态，当调车作业的状态为异常时，显示预设的报警信息，所述第一显示装置包括第一显示屏和第一信号灯显示单元；

所述第一控制装置通过pc端通讯装置与pc端连接，用于将输入的调车指令和第一语音信息存储至pc端、以及接收pc端发送的调车作业任务。

进一步的实施例中，所述pc端与打印机连接，打印机根据外部控制指令以打印pc端中存储的调车指令。

进一步的实施例中，所述机车台控制器包括第二电源装置、第二控制装置、录音装置、第二信号收发装置、第一无线对讲装置、第二显示装置、定位装置；

所述第二电源装置分别与第二控制装置、录音装置、第二信号收发装置、第一无线对讲装置、第二显示装置、定位装置电连接，以提供其正常工作所需电能；

所述第一无线对讲装置通过第二信号收发装置与数字电台连接，用于根据外部控制指令与区长台控制器、手持电台进行语音交互；

所述定位装置与第二控制装置电连接，用于根据外部控制指令以获取机车当前位置信息；

所述第二控制装置通过第二信号收发装置与数字电台连接，用于接收区长台控制器发送的调车指令，对调车指令进行识别，将识别结果通过与之相连的第二显示装置以显示，以及结合机车当前位置信息对所述调车指令进行解析，将解析后的调车指令和机车当前状态信息分别发送至手持电台和区长台控制器；

所述第二显示装置包括第二显示屏和第二信号灯显示单元；

所述录音装置与第二控制装置相连，用于接收机车台管理人员输入的第二语音信息，将接收到的第二语音信息存储至第二控制装置中的存储器中。

进一步的实施例中，所述手持电台包括第三电源装置、第三控制装置、第三显示装置、第二无线对讲装置、第三信号收发装置；

所述第三电源装置与第三控制装置、第三显示装置、第二无线对讲装置、第三信号收发装置相连，以提供其正常工作所需电能；

所述第二无线对讲装置通过第三信号收发装置与数字电台连接，用于根据外部控制指令与机车台控制器、区长台控制器进行语音交互；

所述第三控制装置通过第三信号收发装置与数字电台连接，用于接收机车台控制器发送的解析后的调车指令和机车当前状态信息，将解析后的调车指令和机车当前状态信息通过与之相连的第三显示装置以显示，所述第三显示装置包括第三显示屏和第三信号灯显示单元。

结合图6，基于前述调车系统，本发明还提及一种铁路平面无线调车系统的工作方法，所述工作方法包括：

s100：接收区长台控制器发送的调车指令和相应的第一语音信息，对调车指令和第一语音信息进行识别，播放识别出的第一语音信息，获取机车当前位置信息，结合机车当前位置信息对所述调车指令进行解析，将解析后的调车指令、相应的第二语音信息和机车当前状态信息分别发送至区长台控制器和调车组成员所携带的手持电台，以使每个调车组成员通过各自携带的手持电台反馈提示语音、以及使区长台控制器反馈调车确认信息；

s200：接收并判断区长台控制器反馈的调车确认信息是否为调车无误信息，如果调车确认信息为调车无误，进入步骤s300，否则，进入步骤s400；

s300：启动机车，执行本次调车指令，进入步骤s500；

s400：终止本次调车指令，启动故障排查流程；

s500：将本次调车指令执行过程信息存储至云服务器。

进一步的实施例中，步骤s100中，所述手持电台将调车组成员录入的提示语音发送至区长台控制器，区长台控制器结合解析后的调车指令、相应的第二语音信息、机车当前状态信息、提示语音，生成调车确认信息。

本发明基于现有的电力电子技术、人工智能技术、云技术、电子通信技术等，提出了一种可视化车辆精确定位铁路平面无线调车系统。

所述铁路平面无线调车系统的具体操作流程如下：该系统包括区长操作的区长台控制器、机车台管理人员操作的机车台控制器、调车组所持有的手持电台和云服务器。其中，区长在区长台控制器端同时管理一个或几个调车组，调车长、连接员和制动员组成一个调车组，调车组成员每人佩戴一个移动设备——手持电台。

区长发送调车指令，通过区长台控制器将调车作业过程中的指令、第一语音信息同步保存和传输至机车台控制器；机车台控制器接收调车指令、和对应的第一语音信息，对调车指令、第一语音信息进行识别处理后进行灯显，并通过扬声器伴随第二语音信息传送给调车组。调车组接收识别处理后的调车指令后，存储调车指令，播放相应的语音提示给调车司机，并回示给区长台控制器和机车台控制器。区长在区长台控制器端可以对机车台控制器进行监听，监督并保证调车的顺利完成。除此之外，手持电台、机车台控制器和区长台控制器都安装有液晶显示屏，能够将调车指令显示在屏幕上，使调车人员能够更加直观地观察调车相关数据。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)能够实现在调车过程中保持调车频道的畅通，让调车部门的设备及人员及时接收到调车信号，不受其他外来信号的干扰，大大节约了频率资源。

(2)改进定位算法，提高了定位的准确度，能够在调车时对机车进行精准定位，不至于由于定位误差给调车人员带来错误的信息，从而使得调车作业出错。

(3)能够给调车人员带来可视化作业过程，使得调车人员对于调车过程及调车的结果可以通过在移动设备或者电脑客户端上看到车辆的调动及运动状态。

(4)在整个调车作业过程当中，可以让各个调车部门之间的信息传递更加通畅快速，实现调车过程在移动及电脑客户端显示，更加方便调车工作人员工作，使得调车作业更加清晰，调车过程更加简洁、方便，同时增强了调车作业的安全性，避免了人员疏忽造成的调车事故的发生。

(5)数话同传，指令传送，灯显同时伴随语音播报，使信息及时传达。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的铁路平面无线调车定位方法的流程图。

图2是本发明的铁路平面无线调车系统的结构示意图。

图3是本发明的区长台控制器的结构示意图。

图4是本发明的机车台控制器的结构示意图。

图5是本发明的手持电台的结构示意图。

图6是本发明的铁路平面无线调车系统的工作方法流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提出一种铁路平面无线调车定位方法，所述定位方法包括：

根据前一刻机车的位置估测当前机车的位置，结合机车位置的测量数据，根据调车的区段来判断机车的精确位置。

优选的，所述定位方法软件部分嵌入在机车台控制器内，用于对定位装置的定位数据进行实时校正，利用定位装置的测量数据，根据前一刻机车的位置估测当前机车的位置，结合机车位置的测量数据，根据调车的区段来判断机车的精确位置。所述定位方法包括以下步骤：

步骤一：设机车的状态为且k时刻的机车状态其中，是k时刻的机车的位置，是k时刻的机车的速度，k时刻的机车的速度和位置的相关性用协方差矩阵pk表示为：

其中，σij表示协方差矩阵元素，i＝{p,v}，j＝{p,v}。

步骤二：根据下述公式，结合(k-1)时刻的机车状态以预测k时刻的机车状态：

pk＝pk-1+δtvk-1

vk＝vk-1

其中，δt是(k-1)时刻和k时刻之间的时长。

用矩阵表示为：

如果用矩阵fk表示这一过程，其中fk表示为：

那么可得：

其中，矩阵

已知公式：

cov(wx)＝wσw^t(3)

结合公式(2)(3)可得：

pk＝fkpk-1fk^t。

步骤三：由于外部控制因素会对机车带来一些系统自身状态无关的相关变化，因此引入外部控制向量对于油门的设置，设其期望加速度为a，运用基本的运动学方程得到：：

其中，bk为控制矩阵。

步骤四：在每次预测之后，我们可以添加一些新的不确定性来建立这种与“外界”(即我们没有跟踪的干扰)之间的不确定性模型，我们将这些没有被跟踪的干扰当作协方差矩阵pk的噪声来处理，处理后得到扩展的协方差矩阵qk，预测的完整表达式为：

pk＝fkpk-1fk^t+qk。

步骤五：设定位装置的测量数据用表示：

式中，hk表示定位装置读取的数据单位与跟踪的状态单位的换算尺度，r表示定位装置的测量误差。

步骤六：经过前5个步骤，得到了两个位置信息：一个是预测的位置pxk＝(xk,yk)，一个是测量的位置pzk＝(xzk,yzk)。由于机车行进区段已知，所以在有限时间内可以将机车行进轨迹当做直线ax+by+c＝0，可以算出此时两个位置与直线的距离。

dxk为预测的位置离轨道的距离，dzk为测量的位置离轨道的距离，a、b、c由列车车轨的经纬度坐标经计算得。

步骤七：将求得的距离dxk和dzk作为卡尔曼增益k的判别依据，分别赋予对应的权重，其中，距离大小和权重大小呈反比，距离越小的赋予越大的权重。由下式求得kk值：

得到实际状态：

p′k＝pk-kkhkpk(12)

为k时刻的最优状态值，p′k为k时刻状态更新协方差矩阵，kk为k时刻的卡尔曼增益。

步骤八：步骤1～7给出了状态更新步骤方程得出k时刻的即为最新状态，对应的pk即为k时刻计算得到的定位准确数据。将和p′k放入下一个预测和更新方程中即可完成不断迭代。

结合图2，基于前述定位方法，本发明还提及一种铁路平面无线调车系统，所述调车系统包括区长台控制器、机车台控制器、手持电台、云服务器。所述区长台控制器、机车台控制器、手持电台均与数字电台相连，以进行相互之间的数据交互，所述机车台控制器通过数字无线通讯网络通过广域网与云服务器相连，包括以下两个通讯部分：

第一、区长台控制器、机车台控制器、手持电台之间的两两通讯部分

所述区长台控制器、机车台控制器、手持电台的信号收发单元由数字电台连接。具体的，采用tdma多址技术，将一个信道划分为两个时隙，将原管理部门分配给平面调车设备使用的信道间隔25khz变为两个12.5khz信道使用，数字电台让语音和指令带有身份编码，并分别在各自的时隙内传输，接收设备带有身份编码识别，可以有效过滤与本调车无关的信号，并且实现数话同传，以实现在调车过程中保持调车频道的畅通，让调车部门的设备及人员及时接收到调车信号，不受其他外来信号的干扰，大大节约了频率资源。

第二、机车台控制器与云服务器之间的通讯部分

所述调车系统内设一个云服务器，将云服务器的一端与手机及pc客户端相连，另一端与广域网相连，广域网与无线通信网络相连，无线通信网络与数字无线传输网络智能终端相连，数字无线传输网络智能终端与机车台主控器相连。在进行调车作业时，机车台控制器将调车作业中的指令、语音同步传输至数字无线传输网络智能终端，在由数字无线传输网络智能终端将调车作业时，车辆信息，车辆运行速度、车辆运行轨迹、车辆位置及调车指令、语音及时传输至无线通信网络，再通过广域网传输，存储至云服务器，最后通过手机及客户端获取对应信息。

所述区长台控制器接收外部发送的调车指令和相应的第一语音信息，将所述调车指令和第一语音信息存储后传输至机车台控制器。

所述机车台控制器被设置成响应于接收到调车指令和第一语音信息，对调车指令和第一语音信息进行识别，播放识别出的第一语音信息，并且采用前述铁路平面无线调车定位方法以获取机车当前位置信息，结合机车当前位置信息对所述调车指令进行解析，将解析后的调车指令、相应的第二语音信息和机车当前状态信息分别发送至手持电台和区长台控制器。

所述手持电台响应于接收到解析后的调车指令，播放解析后的调车指令给调车员。

所述手持电台还用于接收调车员发送的提示语音，将提示语音分别发送至机车台控制器和区长台控制器。

所述机车台控制器通过数字无线传输网络终端与云服务器相连，机车台控制器被设置成响应于接收到任意一个调车指令，将所述调车指令执行期间的车辆信息、车辆运行速度、车辆运行轨迹、车辆位置信息、解析后的调车指令、接收和发送的语音信息均通过数字无线传输网络终端传输至云服务器。

区长接收调车作业任务，如某车厢入库，解析调车作业任务后获取调车指令，将编号为001的车厢存放至车库a，将获取的调车指令和相应的第一语音信息发送至机长台控制器，机车台控制器采用定位装置获取编号为001的车厢所对应的机车的实时位置，对实时位置进行修正，以获取更加精确的位置信息，结合机车的位置信息对调车指令进行解析，将解析后的调车指令和第二语音信息发送至各个调车组成员的手持电台进行播放和显示，调车组成员接收解析后的调车指令和第二语音信息，反馈相应的语音提示给机车台控制器，执行调车任务。区长台控制器实时监测机车台控制器和调车组成员的手持电台之间的通讯数据，判断本次调车指令是否可以执行、以及本次调车状态是否正常，以确保调车任务安全、准确的执行，并且一旦发现异常，即刻停止调车作业，查找故障原因，排除故障。

结合图3，所述区长台控制器包括第一电源装置、第一控制装置、第一信号收发装置、无线语音对讲监听装置、第二显示装置、输入装置、pc端通讯装置。

所述第一电源装置分别与第一控制装置、第一信号收发装置、无线语音对讲监听装置、第一显示装置、输入装置、pc端通讯装置相连，以提供其正常工作所需电能。

所述输入装置与第一控制装置相连，用于接收外部输入的调车指令，将接收到的调车指令发送至第一控制装置进行处理。

所述无线语音对讲监听装置通过第一信号收发装置与数字电台连接，用于根据外部控制指令与机车台控制器、手持电台进行语音交互。

所述第一控制装置通过第一信号收发装置与数字电台连接，用于将第一控制装置接收到的调车指令发送至机车台控制器，以及将接收到的机车台控制器反馈的解析后的调车指令和机车当前状态信息发送至第一控制装置。

所述第一显示装置与第一控制装置相连，用于显示调车作业的状态，当调车作业的状态为异常时，显示预设的报警信息，所述第一显示装置包括第一显示屏和第一信号灯显示单元。

所述第一控制装置通过pc端通讯装置与pc端连接，用于将输入的调车指令和第一语音信息存储至pc端、以及接收pc端发送的调车作业任务。

优选的，所述pc端与打印机连接，打印机根据外部控制指令以打印pc端中存储的调车指令。

结合图4，所述机车台控制器包括第二电源装置、第二控制装置、录音装置、第二信号收发装置、第一无线对讲装置、第二显示装置、定位装置。

所述第二电源装置分别与第二控制装置、录音装置、第二信号收发装置、第一无线对讲装置、第二显示装置、定位装置电连接，以提供其正常工作所需电能。

所述第一无线对讲装置通过第二信号收发装置与数字电台连接，用于根据外部控制指令与区长台控制器、手持电台进行语音交互。

所述定位装置与第二控制装置电连接，用于根据外部控制指令以获取机车当前位置信息；

所述第二控制装置通过第二信号收发装置与数字电台连接，用于接收区长台控制器发送的调车指令，对调车指令进行识别，将识别结果通过与之相连的第二显示装置以显示，以及结合机车当前位置信息对所述调车指令进行解析，将解析后的调车指令和机车当前状态信息分别发送至手持电台和区长台控制器。

所述第二显示装置包括第二显示屏和第二信号灯显示单元。

所述录音装置与第二控制装置相连，用于接收机车台管理人员输入的第二语音信息，将接收到的第二语音信息存储至第二控制装置中的存储器中。

结合图5，所述手持电台包括第三电源装置、第三控制装置、第三显示装置、第二无线对讲装置、第三信号收发装置。

所述第三电源装置与第三控制装置、第三显示装置、第二无线对讲装置、第三信号收发装置相连，以提供其正常工作所需电能。

所述第二无线对讲装置通过第三信号收发装置与数字电台连接，用于根据外部控制指令与机车台控制器、区长台控制器进行语音交互。

所述第三控制装置通过第三信号收发装置与数字电台连接，用于接收机车台控制器发送的解析后的调车指令和机车当前状态信息，将解析后的调车指令和机车当前状态信息通过与之相连的第三显示装置以显示，所述第三显示装置包括第三显示屏和第三信号灯显示单元。

结合图6，基于前述调车系统，本发明还提及一种铁路平面无线调车系统的工作方法，所述工作方法包括：

s100：接收区长台控制器发送的调车指令和相应的第一语音信息，对调车指令和第一语音信息进行识别，播放识别出的第一语音信息，获取机车当前位置信息，结合机车当前位置信息对所述调车指令进行解析，将解析后的调车指令、相应的第二语音信息和机车当前状态信息分别发送至区长台控制器和调车组成员所携带的手持电台，以使每个调车组成员通过各自携带的手持电台反馈提示语音、以及使区长台控制器反馈调车确认信息。

s200：接收并判断区长台控制器反馈的调车确认信息是否为调车无误信息，如果调车确认信息为调车无误，进入步骤s300，否则，进入步骤s400。

s300：启动机车，执行本次调车指令，进入步骤s500。

s400：终止本次调车指令，启动故障排查流程。

s500：将本次调车指令执行过程信息存储至云服务器。

进一步的实施例中，步骤s100中，所述手持电台将调车组成员录入的提示语音发送至区长台控制器，区长台控制器结合解析后的调车指令、相应的第二语音信息、机车当前状态信息、提示语音，生成调车确认信息。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。