一种识别轨道上障碍物的方法及系统与流程

本发明涉及轨道交通技术领域，特别是涉及一种识别轨道上障碍物的方法及系统。

背景技术：

轨道是轨道交通实现移动的直接载体，轨道区间内的障碍物对行车安全具有较大的影响。因此，列车的车头一般设置有用于清除轨道上的障碍物的扫石器和用于清除轨道中间的障碍物的排障器。但扫石器和排障器的清除功能通常比较单一，对于大部分障碍物能够达到清除的目的，对于不能直接清除的障碍物，需要提前提醒司机采取相应的措施，避免列车脱轨事故的发生。

为提高列车行车的安全性，现有技术中已经有一些障碍物的检测方法，这些检测方法主要以非接触式检测技术为主，即通过对行车路线上或者特定轨道附近利用视频监测或者激光测距或者红外线探测技术进行障碍物检测。这些非接触式障碍物检测技术能区分障碍物是否存在的前提是这些障碍物是体积较大、色彩较鲜明的物体且在可视范围较大的直道位置，对于一些体积较小、色彩与周围环境接近的障碍物或者在夜晚可视范围较小、特别是容易发生脱轨事故的弯道位置是无法监测到的，可见，现有技术中的障碍物的检测方法要求较苛刻，适用范围小，从而降低了列车的行车安全。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种识别轨道上障碍物的方法及系统，一方面，识别方法简单，另一方面，不受障碍物的体积及色彩的干扰，也不受光照及轨道弯直道的干扰，检测要求低，适用范围广，识别结果精准。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种识别轨道上障碍物的方法，包括：

获取列车的振动信号；

根据所述振动信号进行撞击定性识别，以确定轨道上是否存在障碍物。

优选地，该方法还包括：

当所述撞击定性识别为真时，根据所述振动信号进行撞击模式识别；

根据识别得到的所述撞击模式确定所述障碍物是否是持续性障碍物。

优选地，所述撞击定性识别和所述撞击模式识别采用数据分析方法为流式数据识别，流式长度远大于排障器进行锤击测试时的振动信号幅值衰减为最大值幅值的a倍时所需的时间。

优选地，所述根据所述振动信号进行撞击定性识别的过程具体为：

对所述振动信号进行共振解调处理，得到共振解调信号；

对所述振动信号进行带通滤波处理，得到振动加速度信号；

判断所述共振解调信号的最大值是否大于第一预设值，或者，判断所述振动加速度信号的最大值是否大于第二预设值；

如果是，则所述撞击定性识别为真，否则，所述撞击定性识别为假。

优选地，所述根据所述振动信号进行撞击模式识别的过程具体为：

判断在以所述共振解调信号出现最大值的时刻为准的预设时间段之后是否出现数值大于n倍的最大值的共振解调信号，如果是，则判定为持续障碍物撞击模式，否则，判定为完全弹飞模式，其中，n为不大于1的正数。

优选地，所述判定为持续障碍物撞击模式后，该方法还包括：

当判断得到所述振动加速度信号的最大值大于第二预设值且所述振动加速度信号的重积分的数值大于第三预设值，且重积分结果均为负值，判定为完全贴合模式；

当判断得到所述共振解调信号在负方向的信号的数值总和超过其在正方向的信号的数值总和的预设倍数时，判定为若即若离模式；

否则，判定为重复追击模式。

优选地，还包括：

当确定所述障碍物为持续性障碍物时，发出警报。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种识别轨道上障碍物的系统，包括：

信号采集单元，用于获取列车的振动信号；

定性识别单元，用于根据所述振动信号进行撞击定性识别，以确定轨道上是否存在障碍物。

优选地，所述定性识别单元还用于：当所述撞击定性识别为真时，触发撞击模式识别单元；

该系统还包括：

所述撞击模式识别单元，用于根据所述振动信号进行撞击模式识别；

障碍物确定单元，用于根据识别得到的所述撞击模式确定所述障碍物是否是持续性障碍物。

优选地，所述定性识别单元包括：

共振解调单元，用于对所述振动信号进行共振解调处理，得到共振解调信号；

带通滤波器，用于对所述振动信号进行带通滤波处理，得到振动加速度信号；

第一判断单元，用于判断所述共振解调信号的最大值是否大于第一预设值，或者，判断所述振动加速度信号的最大值是否大于第二预设值；

如果是，则所述撞击定性识别为真，并触发所述撞击模式识别单元，否则，所述撞击定性识别为假。

本发明提供了一种识别轨道上障碍物的方法，对障碍物进行接触式识别，具体地，首先获取列车的振动信号，并依据该振动信号进行撞击定性识别，若撞击定性识别为真，则说明轨道上存在障碍物，否则，则说明轨道上不存在障碍物，一方面，识别方法简单，另一方面，不受障碍物的体积及色彩的干扰，也不受光照及轨道弯直道的干扰，检测要求低，适用范围广，识别结果精准。

本发明还提供了一种识别轨道上障碍物的系统，具有与上述方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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的附图。

图1为本发明提供的一种识别轨道上障碍物的方法的过程流程图；

图2为本发明提供的一种共振解调信号在完全弹飞模式时的示意图；

图3为本发明提供的一种振动加速度信号的重积分在完全贴合模式时的示意图；

图4为本发明提供的一种共振解调信号在重复追击模式时的示意图；

图5为本发明提供的一种共振解调信号在若即若离模式时的示意图；

图6为本发明提供的一种列车撞击障碍物的模拟示意图；

图7为排障器上的信号采集单元采集到的振动信号的示意图；

图8为对图7中的振动信号带通滤波后得到的振动加速度信号的示意图；

图9为对图8中的振动加速度信号积分得到的重积分的示意图；

图10为本发明提供的一种识别轨道上障碍物的系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种识别轨道上障碍物的方法及系统，一方面，识别方法简单，另一方面，不受障碍物的体积及色彩的干扰，也不受光照及轨道弯直道的干扰，检测要求低，适用范围广，识别结果精准。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种识别轨道上障碍物的方法的过程流程图，该方法包括：

步骤11：获取列车的振动信号；

具体地，列车在正常行驶时通常存在着稳定的振动信号，列车在与障碍物发生撞击时会产生振动信号，且列车与不同的障碍物撞击时，振动信号也是不同的，基于此，本申请采集该振动信号，并以该振动信号为基础进行分析，以便最终判定轨道上是否存在障碍物。

也因为本申请是通过振动信号来判定轨道上是否存在障碍物，不受障碍物的体积及色彩的干扰，也不受光照及轨道弯直道的干扰，检测要求低，适用范围广，识别结果精准。

步骤12：根据振动信号进行撞击定性识别，以确定轨道上是否存在障碍物。

具体地，考虑到列车发生撞击时产生的振动信号与未发生撞击也即正常行驶时产生的振动信号是不同的，基于此，为了尽可能的减小误判的情况发生，本申请在获取到振动信号后，根据振动信号进行撞击定性识别，如果撞击定性识别为真，则说明此时轨道上存在障碍物，否则，则说明此时轨道上不存在障碍物。

可见，本申请通过接触式的方式来获取障碍物，充分利用列车与障碍物发生撞击时产生的振动信号来判定轨道上是否存在障碍物，识别结果精准，为后续列车的应对策略提供了基础。

本发明提供了一种识别轨道上障碍物的方法，对障碍物进行接触式识别，具体地，首先获取列车的振动信号，并依据该振动信号进行撞击定性识别，一方面，识别方法简单，另一方面，不受障碍物的体积及色彩的干扰，也不受光照及轨道弯直道的干扰，检测要求低，适用范围广，识别结果精准。

在上述实施例的基础上：

该方法还包括：

当撞击定性识别为真时，根据振动信号进行撞击模式识别；

根据识别得到的撞击模式确定障碍物是否是持续性障碍物。

上述提到，列车与不同的障碍物发生撞击时产生的振动信号是不同的，从而也就能得到列车与持续性障碍物发生撞击时产生的振动信号和列车与非持续性障碍物发生撞击时产生的振动信号也是不同的，因此，在撞击定性识别为真时，本申请会再根据振动信号进行撞击模式识别，以便后续进行障碍物是否是持续性障碍物。

可见，本申请充分利用列车与障碍物发生撞击时产生的振动信号来判定障碍物是否为持续性障碍物，识别结果精准，为后续列车的应对策略提供了基础。

作为一种优选地实施例，为了能够实时地对是否是撞击障碍物进行不间断检测，撞击定性识别和撞击模式识别采用数据分析方法为流式数据识别，流式长度远大于排障器进行锤击测试时的振动信号幅值衰减为最大值幅值的m倍所需的时间。

具体地，如m＝0.3，这是考虑为了识别撞击模式，需要在一个相对较长的时间维度去识别。当然，这里的m还可以取其他数值，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况来定。

作为一种优选地实施例，根据振动信号进行撞击定性识别的过程具体为：

对振动信号进行共振解调处理，得到共振解调信号；

对振动信号进行带通滤波处理，得到振动加速度信号；

判断共振解调信号的最大值是否大于第一预设值，或者，判断振动加速度信号的最大值是否大于第二预设值；

如果是，则撞击定性识别为真，否则，撞击定性识别为假。

具体地，不同的障碍物或不同的撞击模式，信号的表现形式可能不同，为了有效对列车进行撞击定性识别，提高识别精度，本申请首先对振动信号进行处理，具体地，对振动信号进行共振解调处理，得到共振解调信号，还对振动信号进行带通滤波处理，得到振动加速度信号，在得到这两个信号后，再判断共振解调信号的最大值是否大于第一预设值，或者，判断振动加速度信号的最大值是否大于第二预设值，只要这两者中有一个成立，也即共振解调信号的最大值大于第一预设值，和/或，振动加速度信号的最大值大于第二预设值，便可判定撞击定性识别为真，也即列车与障碍物发生了撞击，否则，判定撞击定性识别为假，也即列车没有与障碍物发生撞击。

另外，这里的第一预设值可以通过实验测试得到，可以为但不仅限于1000sv。这里的第二预设值具体地可以为但不仅限于5g。

这里的带通滤波的频率范围根据实际情况来定，例如可以为[1hz，100hz]，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选地实施例，根据振动信号进行撞击模式识别的过程具体为：

判断在以共振解调信号出现最大值的时刻为准的预设时间段之后是否出现数值大于n倍的最大值的共振解调信号，如果是，则判定为持续障碍物撞击模式，否则，判定为完全弹飞模式，其中，n为不大于1的正数。

首先需要说明的是，这里的n可以取0.9，当然，也可以取其他数值，本申请在此不做特别的限定。另外，这里的预设时间段可以取但不仅限于2分钟，根据实际情况来定。

具体地，为了更加精准的进行障碍物判断，本申请中判断时是以共振解调信号出现最大值的时刻为准的预设时间段之后为前提，这样可以避免误将上一次的撞击的衰减期判断为本次撞击，进一步提高了障碍物判断的精度。

作为一种优选地实施例，判定为持续障碍物撞击模式后，该方法还包括：

当判断得到振动加速度信号的最大值大于第二预设值且振动加速度信号的重积分的数值大于第三预设值且重积分结果均为负值时，判定为完全贴合模式；

当判断得到共振解调信号在负方向的信号的数值总和超过其在正方向的信号的数值总和的预设倍数时，判定为若即若离模式；

否则，判定为重复追击模式。

具体地，在对该实施例作介绍之前，首先对本申请中提到的几种撞击模式作介绍：

1、完全弹飞模式，即障碍物发生一次撞击后，与排障器发生分离，此后不会再发生撞击；

2、重复追击模式，即障碍物发生一次撞击后，与排障器发生分离，但随着车辆前进，又会再次撞击障碍物，如此重复进行；

3、若即若离模式，即障碍物发生一次撞击后，与排障器不分离，但由于排障器自身整体刚度较低，发生形变后与障碍物短暂分离，形变恢复过程中又重新接触；

4、完全贴合模式，即障碍物发生一次撞击后，与排障器融为一体，不发生分离。

上述四种撞击模式中，除了完全弹飞模式下的障碍物为非持续性障碍物，其他三种情况下的障碍物均为持续性障碍物。且在实际中，撞击只包括这四种模式。

由于撞击模式不同，振动信号中的共振解调信号以及振动加速度信号也是不同的。

具体地，请参照图2，图2为本发明提供的一种共振解调信号在完全弹飞模式时的示意图。

可见，此时振动信号中的共振解调信号的最大值只出现一次，且在以共振解调信号出现最大值的时刻为准的预设时间段之后没有出现数值大于0.9倍(当然，n还可以取其他数值)的最大值的共振解调信号，且最大值往后的信号按固有频率呈衰减状态，具体地，这里的固有频率的大小可以通过实验测试得到。

另外，由于本次判断是在撞击定性识别为真时判断得到的，因此可以判断在以共振解调信号出现最大值的时刻为准的预设时间段之后是否出现数值大于n倍的最大值的共振解调信号，如果是，则判定为持续障碍物撞击模式，否则，判定为完全弹飞模式。

具体地，在判定为持续障碍物撞击模式时，为了便于工作人员采取策略去除障碍物，本申请还继续对持续障碍物撞击模式进行细化：

具体地，请参照图3，图3为本发明提供的一种振动加速度信号的重积分在完全贴合模式时的示意图。

在完全贴合模式下，振动加速度信号的最大值一定是大于第二预设值的，且共振信号中的振动加速度信号的重积分的最大值大于第三预设值，且重积分均为负值(以振动加速度信号的最大值往后的时间段内)。其中，这里的第五预设值可以根据排障器的实际刚度和现场试验得到，可以为但不仅限于3mm。

请参照图4，图4为本发明提供的一种共振解调信号在重复追击模式时的示意图。

在该种模式下，由于是重复追击，在预设时间段之后的时间段内出现的数值大于n倍的最大值的共振解调信号的次数较多，且各个共振解调信号的最大值(无论是正方向还是负方向上的)在预设范围(可以是在预设值一定范围例如±10％内波动)内，且上述共振解调信号在正方向上的个数和在负方向上的个数差不多。

因此，当上述共振解调信号在负方向上的最大值的绝对值的平均值与其在正方向上的最大值的绝对值的平均值的差值小于第三预设值时，则可以判定为重复追击模式，其中，这里的第三预设值根据实际情况来取值，例如可以取0.05倍的最大值，本申请在此不做特别的限定。

当然，这里还可以通过排除法来判定。在排除了完全贴合模式后，再判断是否是若即若离模式，如果不是，则说明是重复追击模式。

具体地，请参照图5，图5为本发明提供的一种共振解调信号在若即若离模式时的示意图。

在该种模式下，共振解调信号会出现正负不对称的多簇冲击，且正方向的冲击小于负方向的冲击，且整体呈衰减趋势。

基于此，可以认为当判断得到共振解调信号在负方向的信号的数值总和超过其在正方向的信号的数值总和的预设倍数时，判定为若即若离模式。其中，这里的预设倍数可以根据实际情况来取值，本申请在此不做特别的限定。

另外，还可以认为当出现的数值大于n倍的最大值的共振解调信号在负方向上的最大值的绝对值的平均值与其在正方向上的最大值的绝对值的平均值的差值大于第四预设值时，此时为若即若离模式，其中，这里的第四预设值可以根据实际情况来取值，例如可以取但不仅限于0.2倍的最大值。

综上，本申请提供的障碍物识别方法可以区分多种撞击模式，识别精准。

作为一种优选地实施例，还包括：

当确定障碍物为持续性障碍物时，发出警报。

发出警报，以便列车工作人员进行相应操作。具体地，这里的警报可以为声音报警也可以为指示灯报警还可以为声光报警，报警级别也可根据实际情况设置，如根据障碍物持续时间的长短分别发出不同的报警级别，例如持续存在1s时发出预警，3s内障碍物还存在，则发出报警，本申请在此不做特别的限定。

请参照图6，图6为本发明提供的一种列车撞击障碍物的模拟示意图，用小球模拟障碍物，用长方体模拟排障器，仿真模型小球与横梁材料属性均为弹性模量210gpa，泊松比0.3，其中球的密度78600kg/m3，梁的为7860kg/m3，其中小球的质量为8.89e-4t，直径为5mm，梁的尺寸为80mm*10mm，厚度为2.5mm，冲击速度均为10m/s。

请参照图7-9，其中，图7为排障器上的信号采集单元采集到的振动信号的示意图，横坐标单位为秒/s、纵坐标单位为mm/s2；图8为对图7中的振动信号带通滤波后得到的振动加速度信号的示意图；图9为对图8中的振动加速度信号积分得到的重积分的示意图。

对此次撞击进行定性识别，具体地，判断图8中的振动加速度信号的最大值是否大于第二预设值，这里假设第二预设值为5g，则定性识别结果为真。然后再对图9进行撞击模式分析，得到的分析结果为：振动加速度信号的重积分大于第三预设值，且重积分结果均为负值，则撞击模式为完全贴合模式，此时执行报警操作。

请参照图10，图10为本发明提供的一种识别轨道上障碍物的系统的结构示意图，该系统包括：

信号采集单元1，用于获取列车的振动信号；

定性识别单元2，用于根据振动信号进行撞击定性识别，以确定轨道上是否存在障碍物。

作为一种优选地实施例，定性识别单元2还用于，当撞击定性识别为真时，触发撞击模式识别单元3；

撞击模式识别单元3，用于根据振动信号进行撞击模式识别；

障碍物确定单元4，用于根据识别得到的撞击模式确定障碍物是否是持续性障碍物。

具体地，这里的信号采集单元1包括传感器，这里的传感器至少1个并安装于排障器的中部。

作为一种优选地实施例，这里的传感器为2个，并分别安装于排障器两侧且位于轨道的正上方。

作为一种优选地实施例，这里的传感器为3个，并分别安装于排障器的两侧及中间，且位于轨道的上方。

本申请对于传感器的具体个数不做特别的限定，根据实际情况来定。

作为一种优选地实施例，定性识别单元2包括：

共振解调单元，用于对振动信号进行共振解调处理，得到共振解调信号；

带通滤波器，用于对振动信号进行带通滤波处理，得到振动加速度信号；

第一判断单元，用于判断共振解调信号的最大值是否大于第一预设值，或者，判断振动加速度信号的最大值是否大于第二预设值；

如果是，则撞击定性识别为真，并触发撞击模式识别单元，否则，撞击定性识别为假。

作为一种优选地实施例，撞击模式识别单元3具体用于判断在以共振解调信号出现最大值的时刻为准的预设时间段之后是否出现数值大于n倍的最大值的共振解调信号，如果是，则判定为持续障碍物撞击模式，否则，判定为完全弹飞模式，其中，n为不大于1的正数。

作为一种优选地实施例，撞击模式识别单元3还用于：

当判断得到振动加速度信号的最大值大于第二预设值且振动加速度信号的重积分的数值大于第三预设值，且重积分结果均为负值，判定为完全贴合模式；

当判断得到共振解调信号在负方向的信号的数值总和超过其在正方向的信号的数值总和的预设倍数时，判定为若即若离模式；

否则，判定为重复追击模式。对于本发明提供的系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明提供的系统结构简单，不需要复杂的机械装置，采用传感器可以实现在线实时动态检测。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。