專利名稱：基于鋼軌形變/應力參數的車輛測速方法
技術領域：
本發明涉及一種測量軌道交通系統中車輛運行速度的方法，尤其 涉及一種基于鋼軌的形變或應力參數實現的軌道交通車輛速度測量方 法，屬于列車運行監測技術領域。
背景技術：
在軌道交通系統中，對列車運行速度的監控是確保列車安全正點運 行的重要因素。現有技術中一般使用雷達測速、激光測速或車載測速設 備來測量列車的運行速度。但這些設備都存在一定的使用缺陷。例如對 于激光和雷達測速設備而言，在沙塵和雨雪天氣下會受到空氣中異物的 干擾，影響測量的精度。采用雷達測速還會產生電磁干擾，影響鐵路無 線信號系統中關鍵信息的傳遞。使用車載測速設備也存在車地之間的通 信是否暢通的問題，地面指揮系統并不是在任何情況下都能方便地采集
到列車速度數據。
鑒于現有車輛測速技術所存在的不足，人們先后提出一些改進的
列車運行速度測量方案。例如在公開號為CN1769845的中國發明專利 申請中，提出了一種沿軌道移動物體位置和速度的檢測方法。其技術 方案是基于擋板式透光擋光原理判斷物體相對移動，設計一個定位測 速系統對沿軌道移動的物體進行定位和測速。但是，該技術方案是基 于透光擋光的原理實現的，在抗干擾性方面仍然存在不足。
另外，在公開號為CN1676389的中國發明專利申請中，公開了一種 基于光纖光柵的鐵路監控系統。該系統中，將光纖的一部分附著在鐵 路的一對軌道之一上。對應于該部分光纖所附著的軌道特性的變化， 光纖本身的特性也發生變化。通過接收和分析變更的光信號，就可以 利用光信號中包含的信息來確定所附著軌道的特性變化。因為火車車 軸之間的實際分離間隔通常是公知的，通過應用連續車軸通過具體布 雷格光柵所花的時間周期，該系統可以很容易地確定火車的瞬時速度。
但是，上述鐵路監控系統只是大略地提出了利用光纖光柵進行車輛 測速的技術思路，并沒有提供具體的實現方案。而且，在該發明中，將
光纖直接附著在軌道上進行有關參數的監測(參見該專利申請的圖2)， 這種直接測量方式很容易導致出現光纖被飛石擊毀的情況。從事直接測 量的傳感器也容易脫落或失效，不宜長期使用。因此在實際操作中，上 述發明專利申請所提供的直接測量方式是不可取的。
經過研究，本發明人認為鋼軌上的應力和形狀變化是與車輪運動位 置相對應的。通過測量鋼軌形變或應力參數的傳感器實時測量鋼軌在 車輛運行方向上的不同位置應力或形狀變化發生的時間差，就可以得 到列車通過速度的數據。但是，現有技術中對鋼軌形變參數的測量一 直僅用于鋼軌制造和維護以及建立輪軌受力模型，并沒有用在車輛的 速度測量方法之中。
另外，由于對鋼軌之類的彈性體而言，其形變和內部的應力成正比， 測量形變就相當于測量應力，為方便起見，在下文中統一采用測量形變 參數的表述。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術方案所存在的不足和國內高速輪 軌系統的實際需求，提供一種基于鋼軌的形變或應力參數實現的軌道交 通車輛速度測量方法。該方法不僅測量精度高，而且抗干擾能力強。 為實現上述的發明目的，本發明采用下述的技術方案 一種基于鋼軌形變/應力參數的單測量點車輛測速方法，其特征在
于
在測量點上布置形變/應力傳感器，測定列車各輪對經過該測量點 的時間間隔，經過比對車廂型號和轉向架型號得到各輪對之間的長度 間隔，讓對應的長度間隔除以時間間隔就得到列車通過該測量點的速 度。
其中，通過所述形變/應力傳感器測量的形狀/應力變化曲線的峰 值點確定列車各輪對通過測量點的時刻，所述峰值點通過如下方法確 定首先，計算當前時刻的曲線離散導數，根據當前時刻的曲線離散 導數與采樣數據的符號進行判斷比較，如果兩者符號不同則可以認為 產生了一個曲線拐點，該曲線拐點就是用于計算輪對通過測量點時刻 的峰值點。
所述方法在實施時，在同一測量點上間隔不遠處分別安裝兩個形 變/應力傳感器，根據兩個形變/應力傳感器反應的先后獲得車輛的運行
方向信息。
一種基于鋼軌形變/應力參數的多測量點車輛測速方法，其特征在
于
在鋼軌延伸方向上布置兩個測量點，分別布置形變/應力傳感器； 所述形變/應力傳感器分別對同一輪對的經過時刻進行記錄；將兩個測 量點相距的長度除以兩次記錄時刻之差就得到列車經過該段距離的平 均速度。
其中，在兩個測量點分別計算經過的輪對數目，輪對數相同的計 數就確定是同一輪對。
兩組傳感器針對每一輪對分別記錄計軸數變化的具體時刻，并標 注該時刻所對應的輪對數；在傳感器的記錄數據中，將兩組傳感器分 別對同一輪對產生同一計軸數的時刻進行相減以得到時間。
或者，分析兩個傳感器測量點的狀態序列變化，對00 10 110100 序列，即判斷為有車輪由第一測量點到第二測量點，計軸數加1;對 00 01 11 10 OO序列，即判斷有車輪由第二測量點到第一測量點，計 軸數減l，從而確定兩組傳感器感應的信號是同一個輪對。
在確定輪對經過時刻時，首先計算當前時刻的曲線離散導數，根 據當前時刻的曲線離散導數與采樣數據前期導數的符號進行判斷比 較，如果兩者符號不同則可以認為產生了一個曲線拐點，該曲線拐點 就是峰值發生的時刻。
在確定兩個測量點相距的長度時，針對不同的鋼軌型號和傳感器 安裝方式，在仿真系統上測量出不同受力情況下的誤差數據，并制作 成誤差修正表格；在實際測量時，根據形狀變化的大小查表得到長度 誤差修正值。
或者，首先建立不同的鋼軌型號和傳感器安裝方式下與形狀變化 相關的誤差曲線的計算函數，在實際測量時，利用該函數計算得到相 應的長度誤差修正值。
本發明所提供的軌道交通車輛測速方法可以通過測量鋼軌的形變 或應力參數來間接得到列車行駛速度，從而避免現有車地通信所存在 的可靠性低的問題。同時，傳感器采用電應變片或光纖光柵，既可以 避免天氣的干擾也不會干擾現有道旁已有的電磁系統。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。 圖1是單測量點車輛測速方法的實施示意圖； 圖2是多測量點車輛測速方法的實施示意圖3是多測量點車輛測速方法中，傳感器的布置方式示意圖； 圖4是計軸條件方法所要求的理想波形曲線圖； 圖5是計軸條件方法中，形變誤差的示例圖。
具體實施例方式
鋼軌在列車車輪的重力作用下會出現形狀上的變化。因此，通過 在兩個沿列車運行方向分布、距離為L的測量點上布置形變/應力傳感 器，測量不同測量點在相同輪對下的形變感應，得到列車車輪通過距 離L的時間T;或者，在同一測量點測量鋼軌在不同輪對下的形變感 應，對形變感應出現的時間差進行測量，得到列車車輪通過標準輪距 的時間T，從而得到列車的運行速度V。這就是本發明的基本實現思路。
上述用于感應鋼軌形狀變化的傳感器可以是安裝在鋼軌上的光纖 光柵、電應變片或者其他感應形狀應力變化的傳感器。它們可以采用 本申請人另案申請的"鋼軌形變/應力參數間接測量裝置"進行安裝， 從而實現對鋼軌形變/應力參數的間接測量。如果采用光纖光柵傳感器
也可以用前述公開號為CN1676389的中國發明專利申請中所描述的安 裝方式進行安裝，從而實現對形變/應力參數的直接測量。考慮到工程 實施的便利性等多方面因素，本發明人建議優選"鋼軌形變/應力參數 間接測量裝置"來具體實施本發明。
在工程實踐中，為避免微弱干擾和/或非車輪因素的形變干擾，對 傳感器采集的變化數據應設置恰當的門限閾值予以過濾。這是本領域 技術人員都能輕易完成的工作，在此就不詳細贅述了。
本發明所提供的基于鋼軌形變/應力參數的車輛測速方法有兩種 實施方案，分別是單測量點測速方法和多測量點測速方法。下面分別 予以詳細的說明。
一.單測量點測速方法
圖1是單測量點的測速示意圖，其中橫坐標是根據列車編組和車 廂參數計算出的整列車輪距，縱坐標是傳感器感應輪對的時間，曲線 的斜率就是車輛運行速度。
在單測量點上布置形變傳感器之后，首先測定列車各輪對經過該
測量點的時間間隔。由于所要測量的列車編組的車廂型號和轉向架型 號是可以通過行車時刻表和列車編組信息的信息渠道及時獲得的，經 過比對車廂型號和轉向架型號就可以得到各輪對之間的長度間隔。在 得到有關的時間間隔之后，讓對應的長度間隔除以時間間隔就可以計 算出列車通過該測量點的速度。這種測速方法的優點是計算簡單，結 果也比較準確。但不足之處在于需要事先得到列車的編組信息。通過 列車的編組信息和車廂、轉向架型號數據可以進一步得到轉向架的輪 距參數和位置參數，從而算出輪對之間的長度間隔。
在實踐中，如果要求做到速度的實時測量，需要及時將傳感器的 有關數據傳送給計算機，因此對通信保障措施的要求比較高。由于任 何的信息錯誤或通信故障都會影響測量結果的準確性，甚至無法獲得 結果。因此，該測量方案的可靠性相對較低，可以用在不需要考慮車 輛運行方向、安全要求也比較低的場合下。
在實施上述單測量點測速方法的過程中，比較理想的方式是在站 房或者調度室設置專用的計算機。該計算機一方面與列車調度指揮系 統進行連接，以獲取列車調度指揮系統中車次數據庫的信息；另一方 面與形變傳感器進行連接，以獲取車輛輪對經過傳感器的時間信息。 車次數據庫中存放的是特定時刻通過測量點的列車編組信息(即通過 時間段，第一輛什么車，第二輛什么車等等)。另外，在計算機或列車
調度指揮系統中還需要設置車輛輪對間距數據庫。該數據庫存放各種 車輛的輪對間距信息。以一列普通車皮為例，包括第一輪對到相鄰車 鉤距離、第一輪對到第二輪對的距離、第二輪對到第三輪對的距離、 第三輪對到第四輪對距離、第四輪對到相鄰車鉤距離、車皮類型編號等。
在計算時間T時，每個輪對通過測量點的時刻就是形狀(或應力) 變化曲線的峰值點所在的時刻。峰值點的判斷可以參見本發明人另案 申請的"基于鋼軌形變/應力參數的車輛計軸方法"中提到的拐點計算
方法。該拐點計算方法的基本實現過程是這樣的首先，計算當前時 刻的曲線離散導數。具體而言，將當前采樣數據與前一時刻的采樣數 據的差值除以當前采樣數據就可以獲得當前的曲線離散導數。在判斷 曲線拐點時，根據當前時刻的曲線離散導數與采樣數據的符號進行判 斷比較，如果兩者符號不同則可以認為產生了一個曲線拐點。該曲線
拐點就是用于計算輪對通過測量點時刻的峰值點。相鄰的峰值點所處 時刻的差值就是車輛通過某一輪對間隔距離的時間。
在實施單測量點測速方法時，為了在測量車輛運行速度的同時獲 取車輛的運行方向信息，可以在同一測量點上間隔不遠處分別安裝兩 個形變傳感器，根據兩個形變傳感器反應的先后可以獲得車輛的運行方 向信息。另外，如果分別采集兩個形變傳感器的測量數據，加以平均 后作為傳感器的測量數據輸出，將可以大大減少測量誤差的發生概率。
二.多測量點測速方法
參見圖2所示，在鋼軌延伸方向上布置兩個測量點。兩個測量點 相距的長度為L，它們分別對同一輪對的經過時刻進行記錄，兩次記
錄時刻之差為列車經過距離L的時間T。將長度L除以時間T，就可以 得到列車經過該段距離的平均速度。這一關系反映在圖2中，其中根
據不同測量點對同 一 輪對的感應時刻和測量點之間距離的對應關系繪 制的曲線斜率就是車輛的運行速度。
需要說明的是，上述測量方法得到的是列車在 一 段時間內的平均 速度。當列車勻速運動時，所測量的速度就是列車的瞬時速度，但當 列車加速或減速運動時，只有在測量距離L相對于V的測量精度足夠 短時，所測量的運行速度V才能近似認為等于列車當時的瞬時速度。
上述多測量點測速方法雖然在原理上比較簡單，但在具體實施時 仍然存在一些問題需要解決。下面分別給予詳細的說明。
首先要解決的問題是同輪對的識別問題。 一列列車有許多輪對， 只有取相同輪對的形變感應信號才可以計算時間間隔T，否則就會出 現計算錯誤。要解決這個問題，比較簡單的方法是計軸數方法，即在 兩個測量點分別計算經過的輪對數目(具體計算方法可以參考本發明 人另案申請的"基于鋼軌形變/應力參數的車輛計軸方法")，輪對數相 同的計數就表示是同一輪對。例如，如果第一組計軸傳感器的計軸數 從5變為6，當第二組計軸傳感器的計軸數也從5變為6時，就可以 知道這兩次形變感應是同一輪對產生的。
采用上述的計軸數方法時，傳感器布置方式如圖3所示，在每個 測量點分別布置兩個傳感器。這樣傳感器數目最少需要4個才能完成 測速(如果僅采用兩個傳感器，在確定列車不改變方向的時候也可以 完成測速)。
另外一個解決同輪對識別問題的方法是計軸條件方法。該方法最 少需要兩個傳感器，分別布置在兩個傳感器測量點。其感應信號的分 布應該符合圖4所示的理想波形曲線圖。圖4中，fl是預先設定的門
限，設定的門限要滿足車輪壓在第一個傳感器測量點A的(0 t2時 間段)狀態是Ol，壓在兩個傳感器測量點之間(t2 t3時間段)狀態 是11，即同一車輪壓在兩組傳感器之間，兩個傳感器同時顯示，壓在 第二個傳感器測量點B的(t3 t4時間段)狀態是10。傳感器測量點 的距離和門限閾值的設定要按照上述的理想狀態來設置，尤其是要使 其兩個傳感器測量點能在(t2 t3時間段)同時感應出同一車軸的變 化，實現11狀態。這樣可以解決在傳感器點附近變向行駛的問題。
在傳感器測量點的感應信號滿足上述條件之后，分析兩個傳感器 測量點的狀態序列變化，對00 10 11 01 OO序列，即判斷為有車輪由A 測量點到B測量點，計軸數加l;對00 01 11 10 00序列，即判斷有車輪 由B測量點到A測量點，計軸數減1。通過這種方法，可以確定兩組傳 感器感應的信號是同一個輪對，兩組傳感器感應的時間差就是待測時間 T。該時間T實際就是從01到10狀態的時間差或從10到01狀態的時間 差。
根據上述識別同輪對方法的不同，時間T的計算方法也不相同。 對于計軸數方法，兩組傳感器針對每一輪對分別記錄計軸數變化 的具體時刻，并標注該時刻所對應的輪對數。然后在傳感器的記錄數 據中，將兩組傳感器分別對同一輪對產生同一計軸數的時刻進行相減 就可以得到所需的時間T。
對于計軸條件方法，首先計算當前時刻的曲線離散導數。具體而 言，將當前采樣數據與前一時刻的采樣數據的差值除以當前采樣數據 就可以獲得當前的曲線離散導數。在判斷曲線拐點時，根據當前時刻 的曲線離散導數與采樣數據的符號進行判斷比較，如果兩者符號不同 則可以認為產生了一個曲線拐點。該曲線拐點就是峰值發生的時刻。 對于同一次計軸事件，參見圖4所示，分別記錄兩個傳感器測量數據 出現的峰值時刻U與t4， tl與t4的時間差就是所測量的時間T。 接下來，詳細說明本車輛測速方法中對距離L的測量問題。 對于前面提到的計軸數方法而言，參見圖3所示，可以取兩組計 軸傳感器上的相同位置為測量點，例如分別取每一組計軸傳感器中兩
個傳感器所在位置的中間點作為測量點，兩個測量點之間的距離就是 測速所需的距離L。
對于計軸條件方法而言，距離L的測量問題就比較復雜。這主要
是因為計軸條件方法中，距離L是依賴于如圖4所示的波形曲線峰值
點(拐點)進行相關判斷的。在根據波形曲線進行判斷的過程中，傳 感器比較容易確定的是鋼軌形狀或應力變化最大的點(因車輛行駛速 度不同，確定其他點的測量誤差比較大)。但根據有關的受力分析，鋼 軌梁式結構中僅僅有幾個特定點可以作為測量點(更進一步的說明請 參見本發明人的在先專利申請"鋼軌形變/應力參數間接測量裝置")。
這樣，參見圖5所示的形變誤差示例，輪軌的接觸點與形狀變化最大 的點之間可能會存在一定的距離。這是因為雖然輪軌接觸點受到的外 力最大，但由于存在鋼軌內應力、軌枕支撐力等多方面的作用，實際 上無論是鋼軌的拉伸形變還是側向形變，其最大點都和受力點之間存 在一些距離。對于拉伸形變而言，只有在兩軌枕正中間的位置進行測 量，輪軌接觸點才與形變最大點重合；對于側向形變而言，只有在軌 枕支撐點所在的位置進行測量，輪軌接觸點才與形變最大點重合。
另外，實踐中辨別來車方向都是基于兩個計軸傳感器在同一時間感 應同一車軸的情況。如果兩個計軸傳感器的距離大于轉向架的軸距長度，
當轉向架的兩個車軸同時落入兩個傳感器測量點之間時，傳感器就無法 辨別某個輪對對它們的受力情況，不能辨別來車方向。因此，傳感器測 量點之間的距離必須小于轉向架的軸距長度。由于轉向架的軸距長度并 不是一個較大的數值，因此距離L的測量誤差不能被忽略。
針對上述的問題，可以采用兩種方法予以解決第一種方法是針 對不同的鋼軌型號和傳感器安裝方式，在仿真系統上測量出不同受力 情況下的誤差數據，并制作成誤差修正表格。使用時，根據形狀變化 的大小査表得到長度誤差修正值。另一種方法是建立不同的鋼軌型號 和傳感器安裝方式下，與形狀變化相關的誤差曲線的計算函數。使用 中時，利用該函數計算得到相應的長度誤差修正值。
下面介紹本發明中識別車輛運行方向的方法。
在多測量點測速方法中，無論計軸數方法還是計軸條件方法都可 以根據兩個傳感器測量點反應的先后來獲得車輛的運行方向信息。對于 計軸數方法，也可以通過計軸數的變化情況確定車輛運行方向。例如，開始狀態下兩組計軸數都為5，然后第一組計軸產生變化，計軸數變
為6，而后第二組計軸數也變化為6，就可以判斷車輛運行方向為從第
一組傳感器向第二組傳感器方向運行。當然，實際情況可能會更復雜 一些，但原理是一樣的。
在測量過程中，出現車輛運行方向出現變化的情況時，對于計軸 數方法，當列車僅僅經過其中的第一組計軸傳感器時，由于計軸數會 發生反向的變化(原來增大的減小、減小的增大)，如果第二組計軸傳 感器沒有該計軸事件的時間記錄，則應消除第一組計軸傳感器的時間 記錄，不再計算這個計軸事件背后的車輛運行速度。對于計軸條件方 法則不存在這樣的問題。
以上對本發明所提供的基于鋼軌形變/應力參數的車輛測速方法進行 了詳細的說明。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本發明實質精 神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構成對本發明專利權 的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權利要求
1. 一種基于鋼軌形變/應力參數的單測量點車輛測速方法，其特征在于在測量點上布置形變/應力傳感器，測定列車各輪對經過該測量點的時間間隔，經過比對車廂型號和轉向架型號得到各輪對之間的長度間隔，讓對應的長度間隔除以時間間隔就得到列車通過該測量點的速度。
2. 如權利要求1所述的基于鋼軌形變/應力參數的單測量點車輛 測速方法，其特征在于通過所述形變/應力傳感器測量的形狀/應力變化曲線的峰值點確 定列車各輪對通過測量點的時刻，所述峰值點通過如下方法確定首 先，計算當前時刻的曲線離散導數，根據當前時刻的曲線離散導數與 采樣數據的符號進行判斷比較，如果兩者符號不同則可以認為產生了 一個曲線拐點，該曲線拐點就是用于計算輪對通過測量點時刻的峰值 點。
3. 如權利要求1所述的基于鋼軌形變/應力參數的單測量點車輛 測速方法，其特征在于所述方法在實施時，在同一測量點上間隔不遠處分別安裝兩個形 變/應力傳感器，根據兩個形變/應力傳感器反應的先后獲得車輛的運行 方向信息。
4. 一種基于鋼軌形變/應力參數的多測量點車輛測速方法，其特 征在于在鋼軌延伸方向上布置兩個測量點，分別布置形變/應力傳感器； 所述形變/應力傳感器分別對同一輪對的經過時刻進行記錄；將兩個測 量點相距的長度除以兩次記錄時刻之差就得到列車經過該段距離的平 均速度。
5. 如權利要求4所述的基于鋼軌形變/應力參數的多測量點車輛 測速方法，其特征在于-在兩個測量點分別計算經過的輪對數目，輪對數相同的計數就確 定是同一輪對。
6. 如權利要求5所述的基于鋼軌形變/應力參數的多測量點車輛 測速方法，其特征在于兩組傳感器針對每一輪對分別記錄計軸數變化的具體時刻，并標 注該時刻所對應的輪對數；在傳感器的記錄數據中，將兩組傳感器分 別對同一輪對產生同一計軸數的時刻進行相減以得到時間。
7. 如權利要求4所述的基于鋼軌形變/應力參數的多測量點車輛測速方法，其特征在于分析兩個傳感器測量點的狀態序列變化，對00 10 11 01 00序歹ij ， 即判斷為有車輪由第一測量點到第二測量點，計軸數加1;對00 01 11 10 OO序列，即判斷有車輪由第二測量點到第一測量點，計軸數減l， 從而確定兩組傳感器感應的信號是同一個輪對。
8. 如權利要求7所述的基于鋼軌形變/應力參數的多測量點車輛 測速方法，其特征在于在確定輪對經過時刻時，首先計算當前時刻的曲線離散導數，根 據當前時刻的曲線離散導數與采樣數據前期導數的符號進行判斷比 較，如果兩者符號不同則可以認為產生了一個曲線拐點，該曲線拐點 就是峰值發生的時刻。
9. 如權利要求7所述的基于鋼軌形變/應力參數的多測量點車輛測速方法，其特征在于在確定兩個測量點相距的長度時，針對不同的鋼軌型號和傳感器 安裝方式，在仿真系統上測量出不同受力情況下的誤差數據，并制作成誤差修正表格；在實際測量時，根據形狀變化的大小查表得到長度 誤差修正值。
10. 如權利要求7所述的基于鋼軌形變/應力參數的多測量點車輛 測速方法，其特征在于在確定兩個測量點相距的長度時，首先建立不同的鋼軌型號和傳 感器安裝方式下與形狀變化相關的誤差曲線的計算函數，在實際測量 時，利用該函數計算得到相應的長度誤差修正值。
全文摘要
本發明公開了一種基于鋼軌形變/應力參數的車輛測速方法。該方法中，通過在兩個沿列車運行方向分布、距離為L的測量點上布置形變傳感器，測量不同測量點在相同輪對下的形變感應，得到列車車輪通過距離L的時間；或者在同一測量點測量鋼軌在不同輪對下的形變感應，對形變感應出現的時間差進行測量，得到列車車輪通過標準輪距的時間，從而得到列車的運行速度。采用本發明，可以避免現有車地通信所存在的可靠性低的問題。同時，傳感器采用電應變片或光纖光柵，既可以避免天氣的干擾也不會干擾現有道旁已有的電磁系統。
文檔編號G01P3/64GK101377524SQ20071012115
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月30日 優先權日2007年8月30日
發明者呂志東, 李明華, 袁軍國, 斌 辛 申請人:北京佳訊飛鴻電氣股份有限公司