基于UWB定位技术的铁路货运车辆调车编组方法和系统与流程

基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组方法和系统
技术领域
1.本发明涉及定位技术领域，特别是涉及一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组方法和系统。


背景技术：

2.货运调车场站编组长期使用人工计划，即使使用了信息化软件，也只是人工编排，实时打印调出单，无法实时获取车辆及巡检维护人员的位置及轨迹信息。货运列车会按照调度停在轨道上，停放轨道和数量根据调度情况随时变动，巡检人员也会在指定的时间段和路线对指定列车进行检视，查看列车情况。因此，对自动化获取机车和车辆位置信息并进行管控有迫切的需求。同时，也有采用基于gps/北斗等卫星定位系统的调车系统，但由于卫星定位的特点，存在依赖差分定位站、接触网遮挡、定位周期不满足车辆连挂等缺陷，无法适应货运调车场站的实际需求。
3.因此，如何设计一种能够实时获取机车和车辆的实时位置，在机车和待编组车辆接近时，实时反馈给机车驾驶室，确保车辆挂靠速度低于设定范围，保障调车安全的基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组的方法和系统，成为本领域所要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组方法和系统，本发明能够实时获取机车和车辆的实时位置，在机车和待编组车辆接近时，实时反馈给机车驾驶室，确保车辆挂靠速度低于设定范围，保障调车安全。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组方法，该方法包括以下步骤：
7.获取定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间；
8.获取各个定位基站的坐标；
9.根据所述定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间和所述各个定位基站的坐标，得到所述定位标签的坐标；
10.根据所述定位标签的坐标进行调车编组。
11.可选的，所述根据所述定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间和所述各个定位基站的坐标，得到所述定位标签的坐标，具体包括：
12.根据下式得到定位标签的坐标：
[0013][0014]
其中，d
i,1
为第i个定位基站到第1个定位基站的距离，c是uwb电磁波的传播速度，δti为定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间，di为定位标签到达第i个定位基站的距离，i为正整数，d1为定位标签到达第1个定位基站的距离，(xi,yi)为第i个定位基站的坐标，(x1,y1)为第1个定位基站的坐标，(x,y)为定位基站的坐标。
[0015]
可选的，还包括：
[0016]
利用几何精度因子校正定位误差；所述几何精度因子的计算公式如下：
[0017][0018]
其中，gdop为几何精度因子，为定位误差x方向上的方差，为定位误差y方向上的方差。
[0019]
可选的，还包括：
[0020]
对所述定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间和所述各个定位基站的坐标进行滤波、平滑、坐标变换、位置呈现和数据存储。
[0021]
可选的，还包括：
[0022]
筛出定位区域以外的定位信息，具体包括：
[0023]
判断定位标签位置的反射折射等距离信息数据是否输出伪距，且输出坐标为定位区域内；
[0024]
若是，则筛出定位信息；
[0025]
若否，则保留。
[0026]
本发明还提供了一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组系统，该系统包括：
[0027]
若干个定位基站、uwb引擎服务器、定位标签和控制中心；
[0028]
其中，若干个所述定位基站布置在货运车站的四周，用于接收定位标签发射的脉冲信号；
[0029]
所述定位标签匹配安装在机车车头和待编组车辆上，用于发射脉冲信号，所述定位标签具有唯一id标识；
[0030]
若干个所述定位基站通过通信基站和部署在控制中心的uwb引擎服务器连接通讯；
[0031]
所述uwb引擎服务器根据定位基站通过通信基站传送过来的定位数据，通过在运行的定位采集程序和电子地图程序进行部署配置，再通过系统服务程序将所述定位数据进行加工处理，得到所述定位标签的坐标；
[0032]
所述控制中心与所述uwb引擎服务器连接，用于根据所述定位标签的坐标进行调车编组。
[0033]
可选的，所述定位标签使用电池供电，使用磁吸方式固定。
[0034]
可选的，还包括：定位数据采集/存储服务器，用于对所述定位数据进行算法滤波、平滑、坐标变换、位置呈现、数据存储。
[0035]
可选的，还包括：筛出模块，用于筛出定位区域以外的定位信息，具体包括：
[0036]
判断定位标签位置的反射折射等距离信息数据是否输出伪距，且输出坐标为定位区域内；
[0037]
若是，则筛出定位信息；
[0038]
若否，则保留。
[0039]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0040]
本发明提供了一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组方法和系统，本发明基于uwb技术，依靠多个基站覆盖范围内二维精准测距以及三角定位原理，实现对调车机
车和连挂车厢进行精准的定位，进而确定目标列车在列车运行轨道上位置，在编组车站可以确保列车停靠位置准确，并可进一步判断目标列车是否完整，以确保目标列车编组完整。uwb技术可以比其他定位方式更加准确的给出列车占用的轨道范围，避免车站上方接触轨、车辆等做成的多径和伪距问题，从而保障调车编组拥有更加良好的运行环境，实现智能调车。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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。
[0042]
图1为本发明实施例1提供的一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组方法的流程图；
[0043]
图2为定位基站与目标节点的定位图；
[0044]
图3为本发明实施例2提供的一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组系统的布置图。
具体实施方式
[0045]
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，所描述的实施例仅仅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。
[0046]
为提升安全生产及实现调车编组的精准快速管理，货运调车场站对实时获取机车及货运车厢的实时位置和相对距离信息有迫切的需求。货运列车会按照调度停在股道上，停放股道和数量根据调度情况随时变动。为实现上述安全目标，需要对机车，和各货运车厢进行实时精准定位，但车厢产权属于不同单位，无法在所有车厢安装定位装置。
[0047]
定位目标无法装载定位装置情况下，需实现监控运动的机车(车头)及货运车厢与静止的货运车厢编组时的运行速度，并实时反馈给机车，确保挂靠时相对速度低于设定阈值。
[0048]
本发明的目的是提供一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组方法和系统，本发明能够实时获取机车和车辆的实时位置，在机车和待编组车辆接近时，实时反馈给机车驾驶室，确保车辆挂靠速度低于设定范围，保障调车安全。而且，本发明使用uwb技术，通过在铁路车站布设有限数量的基站，实时精确地车辆位置，提升车辆的接发、编解、车辆整备、检修巡检的科学性，提升调车安全与管理效率。可准确判定机车和车列所在股道。
[0049]
与本发明有关的关键术语解释如下：
[0050]
1、uwb(ultra wide band)——超宽带
[0051]
2、股道——指火车站内带编号的轨道，用于确定列车停靠的具体位置。
[0052]
3、调车——根据有关规定将车辆编成车列或车组。
[0053]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0054]
实施例1：
[0055]
请参阅图1，本发明提供了一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组方法，该方法包括以下步骤：
[0056]
s1：当机车和待编组车辆进入定位区域后，获取定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间；
[0057]
s2：获取各个定位基站的坐标；
[0058]
s3：根据所述定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间和所述各个定位基站的坐标，得到所述定位标签的坐标；
[0059]
s4：根据所述定位标签的坐标进行调车编组。
[0060]
在步骤s3中，所述根据所述定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间和所述各个定位基站的坐标，得到所述定位标签的坐标，具体包括：
[0061]
根据下式得到定位标签的坐标：
[0062][0063]
其中，d
i,1
为第i个定位基站到第1个定位基站的距离，c是uwb电磁波的传播速度，δti为定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间，di为定位标签到达第i个定位基站的距离，i为正整数，d1为定位标签到达第1个定位基站的距离，(xi,yi)为第i个定位基站的坐标，(x1,y1)为第1个定位基站的坐标，(x,y)为定位基站的坐标。
[0064]
将进行移位，得到：
[0065]di
＝d
i,1
+d1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0066]
将公式(2)两边平方，得到：
[0067][0068]
将公式(3)展开，得到：
[0069][0070]
二维定位主要原理为tdoa，也就是通过测量定位标签到达n个已知位置坐标的基站的距离差，来计算定位标签的坐标。
[0071]
距离差实际会画出双曲线，确定解需要多个双曲线方程(至少3个基站)。
[0072]
由公式(4)可得：
[0073][0074]
由于求解非线性方程组在程序中不便计算，需进一步整理公式。
[0075]
对安装在车站的多个基站的位置坐标进行逐个代入
[0076]
令i＝1，则d
1,1
＝0，得：
[0077][0078]
公式(5)-公式(6)，得：
[0079][0080]
整理公式，得：
[0081][0082]
令：
[0083][0084]
可得下面公式(10)：
[0085][0086]
因为要用基站构成的矩形将车站区域全部包含在内，所以安装在车站的基站最少为4个，通过计算3个到达时间差来计算位置。
[0087]
当i＝2,3时，
[0088][0089][0090]
公式(11)除以公式(12)，得到机车和车辆待求坐标x与y的线性关系：
[0091][0092]
因此，得到：
[0093][0094]
令：
[0095][0096]
则有：
[0097]
y＝a0x+a1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0098]
将公式(16)代入到如下公式(17)中，
[0099]
得：
[0100][0101]
变换得：
[0102][0103]
令：
[0104][0105]
则有：
[0106][0107]
两边同时平方得到：
[0108][0109]
将公式(22)展开得：
[0110][0111]
变换得：
[0112][0113]
令：
[0114][0115]
利用上述公式，可得到2个解，但对于实际需要定位的机车和连挂车辆，真实的位置坐标只有1个，所以依赖已知车站的地理信息，可将超出测量范围的值视为无效解。如果两个解接近并且合理，取他们的中间值。得到的有效解将视作待定位车辆的真实位置。
[0116]
基于上述方案产生的定位结果会由于距离测量等因素产生误差。即上述算法的前提是取得4-5个部署在调车车站的uwb定位基站的坐标信息，4个基站位置的选择，由于调车系统需要精确获取机车和连挂车辆的位置，距离如果产生偏离将使调车编组行为产生严重错误。加入第5个基站后，通过在多个三角形中优选最优解，可以得到最佳的定位精度。因此，还包括：
[0117]
利用几何精度因子校正定位误差；所述几何精度因子的计算公式如下：
[0118][0119]
其中，gdop为几何精度因子，为定位误差x方向上的方差，为定位误差y方向上的方差。
[0120]
需要说明的是，部署基站前精准测量调车区域的关键点坐标，如矩形区域的四个角，中心点，以及各股道间距。预先将关键点坐标作为已知位置，将待部署基站放置在预先选定的四个角，同时增加的基站通过软件仿真，通过上述基站几何配置的有效性得出放置的最佳位置。
[0121]
如图2所示，s为目标节点，a，b，o为基站，当α1＝α2＝α3时，基站的位置会重叠或者靠近，对目标节点的估计不够准确；当目标节点距离基站较远时α
1-α3,α
3-α2,α
1-α2会变小，导致定位误差增加；若固定基站o和目标节点s，增加基站a、基站b与基站o的距离，定位误差
将会减少。
[0122]
具体的，本发明还包括：
[0123]
对所述定位标签发射的脉冲信号到达各个定位基站的时间和所述各个定位基站的坐标进行滤波、平滑、坐标变换、位置呈现和数据存储。
[0124]
另外，还包括：
[0125]
筛出定位区域以外的定位信息，具体包括：
[0126]
判断定位标签位置的反射折射等距离信息数据是否输出伪距，且输出坐标为定位区域内；
[0127]
若是，则筛出定位信息；
[0128]
若否，则保留。
[0129]
需要说明的是，uwb定位时通常对多个基站围成的矩形或多边形区域进行定位覆盖，对超出区域的位置信息不采纳，但由于无线信号传输特点，边界外的车辆uwb信号会被定位基站收到，如果反射折射等距离信息数据输出伪距，且输出坐标为区域内，此部分数据就需要抛出，避免给调车系统造成误判。对输出坐标进行与定位三角形区域内外对比和接收有效计算点数量判定，可有效将多个基站围成的矩形或多边形区域外的机车和车辆定位信息筛出。
[0130]
而且，在本发明中，通过uwb测距获取的机车和连挂车厢为坐标(xuwb，yuwb)，经过转换为调车系统坐标(xobj,yn)，其中xobj为标签所在股道的标识距离，yn为所在股道数。其中股道数与实际定位坐标的y轴通过设定股道中心间距的方法实现。
[0131]
在uwb引擎服务器端设定股道中心间距，可根据场站定位情况精准判定机车和车厢所处股道数，且系统可灵活部署在各个地形条件和股道数量的车站，只需要在服务器端更改股道中心间距和判定阈值。
[0132]
实施例2：
[0133]
请参阅图3，本发明提供了一种基于uwb定位技术的铁路货运车辆调车编组系统，该系统包括：
[0134]
若干个定位基站、uwb引擎服务器、定位标签和控制中心；
[0135]
其中，若干个所述定位基站布置在货运车站的四周，用于接收定位标签发射的脉冲信号；
[0136]
所述定位标签匹配安装在机车车头和待编组车辆上，用于发射脉冲信号，所述定位标签具有唯一id标识；
[0137]
若干个所述定位基站通过通信基站和部署在控制中心的uwb引擎服务器连接通讯；
[0138]
所述uwb引擎服务器根据定位基站通过通信基站传送过来的定位数据，通过在运行的定位采集程序和电子地图程序进行部署配置，再通过系统服务程序将所述定位数据进行加工处理，得到所述定位标签的坐标；
[0139]
所述控制中心与所述uwb引擎服务器连接，用于根据所述定位标签的坐标进行调车编组。
[0140]
具体的，所述定位标签使用电池供电，使用磁吸方式固定。
[0141]
具体的，还包括：定位数据采集/存储服务器，用于对所述定位数据进行算法滤波、
平滑、坐标变换、位置呈现、数据存储。
[0142]
具体的，还包括：筛出模块，用于筛出定位区域以外的定位信息，具体包括：
[0143]
判断定位标签位置的反射折射等距离信息数据是否输出伪距，且输出坐标为定位区域内；
[0144]
若是，则筛出定位信息；
[0145]
若否，则保留。
[0146]
如图3所示，定位基站的数据通过场站的以太网连接，数据汇入定位采集服务器。车辆定位卡与基站通过uwb射频脉冲实现实时精准定位。由于需要对定位数据进行算法滤波、平滑、坐标变换、位置呈现、数据存储等，控制中心放置一台定位数据采集/存储服务器，将数据实时处理后按照约定的格式和字段上传后台系统。
[0147]
本发明通过在车场周围部署uwb定位基站，实现车场精准实时定位系统，可以对进入场站的车辆进行实时定位，并回传到监控中心，具备全场站监控的能力。标签卡对外发送一次uwb信号，在标签定位距离内的所有基站都会收到无线信号，如果有两个已知坐标点的基站收到信号，标签和基站的距离间隔不同，因此这两个收到信号的时间节点是不一样的，根据数学关系，到已知两点为常数的点，一定处于以这两点为焦点的双曲线上。
[0148]
定位目标向多个基站发送信号，从第一个接收到信号的基站处开始计时，分别记录下信号到达其余各个基站的时刻。这些时刻便是第一个接收到信号的节点与其余节点信号到达的时间差，根据这些时间差可以列出双曲线方程组。目标位置将位于以两个接收基站为焦点的双曲线某一分支上。确定目标二维坐标需要两个或以上双曲线方程，两个双曲线交点即为定位目标的二维位置坐标。因此一个定位点最少需要3个基站。在通常情况下，一般两个双曲线会交于两点，但利用已知地理位置可剔除其中不符合要求的一点。
[0149]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0150]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。