专利名称：电力牵引列车接近判别方法
技术领域：
本发明是应用于铁路电力牵引线路列车接近的安全防护与安全警示领域中，涉及铁路安全生产与防护作业、嵌入式系统技术、信号获取与处理、电子装置抗干扰技术等多个领域，具体是采用信号处理方法对采集到的铁路电力牵引线路信号进行时域与频域两方面的信号分析，超视距准确判别列车接近过程，并发出警示信息提示施工人员及时下线避让，确保铁路线路的检修、施工作业人员的人身安全，提高了作业人员工作效率。
背景技术：
随着国民经济和铁路建设的飞速发展，我国铁路已经进入高速电气化铁路时代，铁路运输对重载、闻速、闻效等方面的要求不断提闻，电力牵引机车、闻铁、动车组成为电气化铁路运输的主要车型，车速的不断提高以及车流密度的增大使铁路线路维护和作业人员的人身安全防护成为确保铁路安全生产的重要任务，铁路相关部门要求上线路检修作业，必须设专人瞭望防护，确保线路检修作业人员的人身安全，杜绝险情，及时撤离线路以保证列车的正常运行。但是受到铁·路线路环境的影响，光照强度、气候因素、涵洞、弯道线路以及线路周围的树木、建筑物都会阻碍视线，产生防护盲区。如果作业地点离这些盲区较近，则会存在安全隐患，危及作业人员的人身安全。另外，铁路运力紧张，为保证高效运输，列车的开行密度较以往大大提高，过去的“开天窗”检修作业，虽然充分保证了人身安全，但是也降低了列车的运输效率，如何既保证人身安全又不影响运输效率是目前铁路工务、车辆、机务、电务部门检修生产作业都需要面临的重要问题，列车接近自动报警器成为专人瞭望防护手段的有效补充。目前的列车接近报警器的主要工作原理可分为监测点触发和振动测量两种。监测点触发型列车接近报警器是将报警器监测端布置在离施工地点数公里之外，当列车通过报警器时触发报警器，报警器通过有线或无线网络将报警信号传递到施工地点，通过扬声器进行警告输出。这种方法的缺点是施工人员往往要徒步数公里去放置和回收报警器检测端，并且要调试网络线路，特别是无线传输会受到地形和气候的影响，发送接收装置要配备功率放大设备，成本很高。振动测量型列车接近报警器是将报警器放置于施工现场，通过测量振动信号的强弱判别列车接近，但是由于电气化铁路的枕木、道砟等都采用了吸能减震设计，极大地削弱了振动信号的强度，使得振动测量型列车接近报警器的工作效果不能尽如人意。
发明内容
本发明应用了和现有的列车接近报警器不同的工作原理和分析方法。从原理上，由于电力牵引型列车在行进过程中，需要连接接触网将电能转化为机械能驱动列车，接触网、列车以及钢轨形成一个闭合回路，在列车接近过程中钢轨上的电流会逐渐增大，因此检测钢轨上的电流变化特征可以准确的判断电力牵引机车的接近。在分析方法中，对电磁感应型传感器采集到的轨道电路信号进行数字化，将数字化后的信号进行时域分析、频域分析或同时进行时域分析和频域分析，得出列车接近信号的时域和频域特征，利用自适应的方法对时域和频域特征进行判断，以确定列车接近过程。本发明方法是由信号采集模块1、存储模块2、时域自适应幅度分析模块3、时域滑动窗口分析模块4、时域接近判决模块5、自适应工频频谱强度分析模块6、工频频谱滑动窗口分析模块7、频域接近判决模块8和时、频域综合接近判决模块9构成。本发明方法中，信号采集模块I用于采集轨道电路信号，随即用存储模块2将采集到的轨道电路信号存储起来，即将信号采集模块采集的轨道电路信号存储到嵌入式系统的数据存储器中或是PC机的内存中，进而对轨道电路信号进行数字化，将数字化后的信号进行时域分析、频域分析或时、频域综合分析，得出列车接近信号的时域和频域特征，利用自适应的方法对时域和频域特征进行判断，实现列车接近判决。时域分析时，由于无列车接近时轨道信号幅度平稳且幅值很低，列车接近时信号幅度会逐渐提高，因此时域分析采用了轨道信号时域幅度超过设定门限的判断方法，即根据施工地点的信号幅度强度自适应设置幅度门限，当轨道信号时域幅度超过幅度门限时，判决结果为有列车接近，如不超过幅度门限则判决结果为无列车接近。轨道信号时域幅度衡量依据选自幅值、峰峰值、最大值、平均值或能量值以及其中任意两种或两种以上的任意组合。轨道信号时域幅度超过设定门限的判断方法是通过自适应幅度分析模块3和时域接近判决模块5实现的。时·域自适应幅度分析模块3通过统计无列车接近时平稳状态下的信号平均幅度，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数得到自适应幅度门限，当轨道信号时域幅度超过设定门限后判决有列车接近。更优化的判断方法是通过自适应幅度分析模块
3、时域滑动窗口分析模块4和时域接近判决模块5实现。时域自适应幅度分析模块3通过统计无列车接近时平稳状态下的信号平均幅度，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数得到自适应幅度门限，在获得的自适应幅度门限条件基础上，附加幅度逐渐提升约束，时域滑动窗口分析模块4利用滑动窗口技术逐块统计轨道信号时域幅度强度值，确保时间顺序上的各窗口中时域幅度强度逐渐提高，窗口中时域幅度强度的衡量标准选自窗口中时域幅度的绝对值之和、平均值、能量值以及其中两种或两种以上组合，当窗口中时域幅度强度值超过设定门限后判决有列车接近。欧洲如英法等主要国家、日本和我国的电气化铁路均采用了单相25kv50Hz或60Hz的电力供应，机车牵引电路的频率为工频频率(50Hz或60Hz)。本发明方法就是利用了电气化铁路采用的工频交流供电方式的频率特性，求得工频点处的频谱强度，信号在工频点处的频谱强度衡量依据可选自傅立叶谱的模值、实部值、虚部值、离散余弦变换系数、小波变换系数、功率谱或者自相关函数以及其中任意两种或两种以上的组合，当工频点处频谱强度达到自适应工频点处频谱强度门限后判决列车接近。轨道信号在工频点处频谱强度超过设定门限的判断方法是通过自适应工频频谱强度分析模块6和频域接近判决模块8实现的。自适应工频频谱强度分析模块6通过计算无列车接近时信号在工频点处平均频谱强度，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数获得自适应工频频谱强度门限，当轨道信号工频频谱强度达到自适应工频频谱强度门限后判决有列车接近。更优化的判断方法通过自适应工频频谱强度分析模块6、工频频谱滑动窗口分析模块7和频域接近判决模块8实现。自适应工频频谱强度分析模块6通过计算无列车接近时信号在工频点处平均频谱强度，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数获得自适应工频频谱强度门限，在获得自适应工频频谱强度门限的基础上，附加工频点处频谱强度的逐渐提升约束，工频频谱滑动窗口分析模块7利用滑动窗口技术逐块统计轨道信号工频频谱强度值，确保时间顺序上的各窗口中工频频谱强度逐渐提高，窗口的工频频谱强度的衡量标准选自窗口中工频频谱的绝对值之和、平均值、能量值以及其中两种或两种以上组合，当满足窗口中工频频谱强度超过自适应工频频谱强度门限后判决有列车接近。除分别采用轨道信号时域幅度超过设定门限判断方法或轨道信号在工频点处频谱强度超过设定门限的判断方法独立判决列车接近之外，更优的选择是轨道信号时域幅度超过设定门限判断方法与轨道信号在工频点处频谱强度超过设定门限判断方法合使用，当轨道信号时域幅度和工频点处频谱强度同时超过设定门限时实现列车接近判决。
图1为本发明的电力牵引列车接近判别方法原理框图。图中I是信号采集模块、2是存储模块、3是时域自适应幅度分析模块、4是时域滑动窗口分析模块、5是时域接近判决模块、6是自适应工频频谱强度分析模块、7是工频频谱滑动窗口分析模块、8是频域接近判决模块、9是时、频域综合接近判决模块。
具体实施方式
:下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。图中I是信号采集模块、2是存储模块、3是时域自适应幅度分析模块、4是时域滑动窗口分析模块、5是时域接近判决模块、6是自适应工频频谱强度分析模块、7是工频频谱滑动窗口分析模块、8是频域接近判决模块和9是时、频域综合接近判决模块构成。本实施例中时域分析采用轨道信号时域幅度超过设定门限的判断方法，幅度指标采用峰峰值表示。轨道信号时域峰峰值超过设定门限的判断方法是通过自适应幅度分析模块3和时域接近判决模块5实现的。时域自适应幅度(本实施例中幅度指标采用峰峰值表示)分析模块3通过统计无列车接近时平稳状态下的信号平均峰峰值，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数得到自适应峰峰值门限，当根据时域接近判决5轨道信号时域峰峰值超过设定门限后判决有列车接近。更优化的判断方法是通过自适应幅度分析模块3、时域滑动窗口分析模块4和时域接近判决模块5实现，幅度指标采用峰峰值表示。时域自适应幅度(本实施例中幅度指标采用峰峰值)分析模 块3通过统计无列车接近时平稳状态下的信号平均峰峰值，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数得到自适应峰峰值门限，为得到更为准确可靠的判决结果，在获得的自适应峰峰值门限条件基础上，附加峰峰值逐渐提升约束，时域滑动窗口分析模块4利用滑动窗口技术逐块统计轨道信号时域峰峰值的平均值，确保时间顺序上的各窗口中时域峰峰值的平均值逐渐提高，并根据时域接近判决模块5窗口中时域峰峰值的平均值超过设定门限后判决有列车接近。频域分析中利用了电气化铁路采用的工频交流供电方式的频率特性，中国的工频频率为50Hz，通过频域分析方法求得工频频率50Hz点的频谱强度，本实施例中频谱由信号进行傅立叶变换的幅度特性获得，当傅立叶谱50Hz处模值达到自适应傅立叶谱50Hz处模值门限后判决列车接近。本实施例中采用轨道信号在傅立叶谱50Hz处模值超过设定门限的判断方法是通过自适应工频频谱强度分析模块6和频域接近判决模块8实现的。自适应工频频谱强度(本实施例中工频频谱指标用傅立叶谱50Hz处模值)分析模块6通过计算无列车接近时信号在傅立叶谱50Hz处平均模值，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数获得自适应傅立叶谱50Hz处模值门限，当根据频域接近判决模块8轨道信号在傅立叶谱50Hz处模值达到自适应傅立叶谱50Hz处模值门限后判决有列车接近。更优化的判断方法通过自适应工频频谱强度(本实施例中工频频谱指标采用傅立叶谱50Hz处模值)分析模块6、工频频谱滑动窗口分析模块7和频域接近判决模块8实现。自适应工频频谱强度分析模块6通过计算无列车接近时信号在傅立叶谱50Hz处平均模值，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数获得自适应傅立叶谱50Hz处模值门限，在获得自适应傅立叶谱50Hz处模值门限的基础上，附加傅立叶谱50Hz处模值逐渐提升的约束，工频频谱滑动窗口分析模块7利用滑动窗口技术逐块统计信号傅立叶谱在50Hz处的模值的平均值，确保时间顺序上的各窗口中傅立叶谱50Hz处模值的平均值逐渐提高，并根据频域接近判决模块8窗口的傅立叶谱50Hz处模值的平均值达到自适应傅立叶谱50Hz处模值门限后判决有列车接近。在时域上轨道信号时域峰峰值超过设定门限的判断方法和频域上轨道信号在傅立叶谱50Hz处模值超过设定门限的判断方法都可以独立判决列车接近的基础上，为了进一步提高可靠性，将二者结合起来，即将时域上轨道信号时域峰峰值超过设定门限的判断方法和频域上轨道信号在傅立叶谱50Hz处模值超过设定门限的判断方法结合使用，实现列车接近判决。本发明中的实施例仅是对本发明做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。尽 管本文较多的使用了轨道信号时域幅度超过设定门限的判断方法和轨道信号在工频点处频谱强度超过设定门限的判断方法等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:由信号采集模块(I)、存储模块(2)、时域自适应幅度分析模块(3)、时域滑动窗口分析模块(4)、时域接近判决模块(5)、自适应工频频谱强度分析模块￠)、工频频谱滑动窗口分析模块(7)、频域接近判决模块(8)和时、频域综合接近判决模块(9)构成。
2.根据权利要求1所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:判断有列车接近的依据为轨道信号在工频点处频谱强度超过设定门限或轨道信号时域幅度超过设定门限或轨道信号时域幅度和工频点处频谱强度同时超过设定门限。
3.根据权利要求2所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:信号在工频频率点处的频谱强度衡量依据选自傅立叶谱的模值、实部值、虚部值、离散余弦变换系数、小波变换系数、功率谱或者自相关函数以及其中任意两种或两种以上的组合。
4.根据权利要求2所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:对轨道信号在工频点处频谱强度超过设定门限的判断方法通过自适应工频频谱强度分析模块(6)和频域接近判决模块(8)实现。更优化的判断方法通过自适应工频频谱强度分析模块￠)、工频频谱滑动窗口分析模块(7)和频域接近判决模块(8)实现。
5.根据权利要求1所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:自适应工频频谱强度分析模块(6)通过计算无列车接近时信号在工频点处平均频谱强度，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数获得自适应工频频谱强度门限，当轨道信号工频频谱强度达到自适应工频频谱强度门限后判决有列车接近。
6.根据权利要求1所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:方法中工频频谱滑动窗口分析模块(7)利用滑动窗口技术逐块统计轨道信号工频频谱强度值，确保时间顺序上的各窗口中工频频谱强度逐渐提高；工频频谱强度的衡量标准选自窗口中工频频谱的绝对值之和、平均值、能量值以及其中两种或两种以上组合。
7.根据权利要求2所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:轨道信号时域幅度超过设定门限的判断方法通过自适应幅度分析模块(3)和时域接近判决模块(5)实现。更优化的判断方法通过自适应幅度分析模块(3)、时域滑动窗口分析模块(4)和时域接近判决模块(5)实现。
8.根据权利要求2所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:轨道信号时域幅度衡量依据选自幅值、峰峰值、最大值、平均值或能量值以及其中任意两种或两种以上的任意组合。
9.根据权利要求1所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:时域自适应幅度分析模块(3)通过统计无列车接近时平稳状态下的信号平均幅度，并以此为基础乘以一个大于I的常数系数得到自适应幅度门限。当轨道信号时域幅度超过自适应幅度门限时，时域分析判决结果为有列车接近。
10.根据权利要求1所述的电力牵引列车接近判别方法，其特征在于:方法中时域滑动窗口分析模块(4)利用滑动窗口技术逐块统计轨道信号时域幅度强度值，确保时间顺序上的各窗口中时域幅度强 度逐渐提高；时域幅度强度的衡量标准选自窗口中时域幅度的绝对值之和、平均值、能量值以及其中两种或两种以上组合。
全文摘要
本发明公开了一种电力牵引列车接近判别方法。本发明由信号采集模块1、存储模块2、时域自适应幅度分析模块3、时域滑动窗口分析模块4、时域接近判决模块5、自适应工频频谱强度分析模块6、工频频谱滑动窗口分析模块7、频域接近判决模块8和时、频域综合接近判决模块9构成。本发明利用自适应的方法对轨道电路信号进行时域和频域特征判断，以确定列车接近过程。时域上采用轨道信号时域幅度超过设定门限的判断方法，频域上采用轨道信号在工频点处频谱强度超过设定门限的判断方法；更优的判断方法是将时域上轨道信号时域幅度超过设定门限的判断方法与频域上轨道信号在工频点处频谱强度超过设定门限的判断方法结合起来，实现列车接近判决。
文档编号B61L25/02GK103223958SQ20131012838
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者李林, 李英伟, 张涛, 弓晓萌, 孙宇鹏, 魏建福, 王浩实, 魏鑫 申请人:北京灵众博通科技有限公司