基于雷達測量的鐵路站場車輛精確定位系統(tǒng)

蔡家軍

(中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，武漢 430074)

1 概述

鐵路集裝箱運輸可以減少貨物的損耗和損失，保證運輸質量。集裝箱多式聯(lián)運具有產業(yè)鏈長、高效快捷、集約經濟、安全可靠等優(yōu)勢，是貨物運輸發(fā)展的重要方向。鐵路集裝箱在裝卸作業(yè)自動化過程中需要鐵路裝載車輛的精確定位，目前鐵路的裝載車輛是一個無源的物體，需要采用適用高效的動態(tài)定位方法和誤差精度滿足鐵路集裝箱裝卸自動化的需要。

為解決傳統(tǒng)的鐵路集裝箱裝卸作業(yè)車輛定位的問題，本文提出一種新型基于雷達測量技術的鐵路無源車輛車號識別及精確定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合集裝箱裝卸中轉作業(yè)中鐵路停留狀態(tài)下的機車車輛精確定位，也適應其他用途的靜止鐵路車輛的精確定位。

雷達測量技術運用與鐵路站場的車輛位置測量，可以有多種方案。用于單一股道整體連接停留狀態(tài)車列車輛定位的兩點距離測量方案（一維）；用于多股道整體連接狀態(tài)車列車輛定位的平面距離測量方案（二維）；用于多股道站場任意停留狀態(tài)車列車輛定位的立體距離測量方案（三維）。由于運用環(huán)境的差異，系統(tǒng)需要根據現場需求確定不同的技術方案。

2 系統(tǒng)結構與功能

鐵路車站設鐵路車輛定位系統(tǒng)，用于鐵路裝卸作業(yè)中車輛定位和車號識別；系統(tǒng)由鐵路車號自動識別系統(tǒng)（ATIS），激光測距儀或雷達測距儀、網絡通信系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

圖1 鐵路車輛計算機定位系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structural diagram of computer positioning system for railway vehicles

在鐵路的車站入口端或到發(fā)線、編組線、裝卸線等線路股道兩端入口端設置車號地面識別系統(tǒng)（AEI）或視頻車號識別系統(tǒng)。

車號識別系統(tǒng)用于鐵路列車或調車作業(yè)運行進入車站時，在車站或股道兩端入口檢測點設置AEI。采集記錄下所有機車或車輛通過該點的時間、地點、運行方向（進站或出站）、車輛型號、車號、編組排列順序。

在停留車輛的站場需要測量的到發(fā)線（含正線）、編組線、裝卸線、倒裝線入口兩端或站場正面、背面位置設置自動測距儀（激光測距儀或雷達測距儀等），用于連續(xù)不間斷測量被測車站線路上停留車輛與參考坐標點的距離。

一維測距儀測量數據是一個線路股道兩端檢測點距車列兩端車輛停車位置與參考坐標點的距離，通過計算可以得到檢測線路兩端參考坐標距最近車輛的位置。

二維測距儀測量數據是一個平面檢測范圍內站場所有線路車列兩端車輛停車位置和參考點的二維圖像，通過計算可以得到檢測范圍內每一線路兩端參考坐標距車列最近車輛的位置。

三維測距儀測量數據是一個平面檢測范圍內站場所有線路兩端車輛停車位置和參考點的三維圖像，通過計算可以得到檢測范圍內每一線路兩端參考坐標距最近車輛的位置。車輛之間的間隔、間隔距離及每一車輛的位置坐標。

3 系統(tǒng)定位方法

列車及車輛進入車站。鐵路列車或調車由機車和車輛組成，按照運輸計劃從車站端口進入車站，車站（或股道）入口端的ATIS 的AEI 采集記錄所有機車車輛通過該點的時間、地點、運行方向、車輛型號、車號、編組排列順序信息；通過鐵路運輸系統(tǒng)傳遞給車站現車系統(tǒng)。測距儀將測試儀起測點距被測量股道車輛的距離傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。

1）測量范圍

監(jiān)控系統(tǒng)預先存儲車站場電子地圖，站場電子地圖包含了車站的各種地物圖形數據（如通道、涵洞、橋梁、天橋等）、精確的鐵路線路里程坐標（誤差為cm 級）、附屬設施以及股道、轉線道岔、信號機、絕緣節(jié)、警沖標、車擋和站臺其他相關屬性數據，以及測量點與參考坐標點的距離等物理數據。

監(jiān)控系統(tǒng)預先存儲鐵路所有型號機車車輛的標準長度表，以及對應的車輛車號。車輛車鉤有緩沖功能（彈簧），車輛在擠壓狀態(tài)和拉伸狀態(tài)時，車輛的兩個車鉤內側測量長度較標準長度有所變化，這個變化在一個已知的限制范圍。

2）一維測量方法

一維測距儀傳送的測量數據是鐵路線路兩端測量點到線路兩端被測最近車輛的距離；因為是列車整體到達，車輛用于裝卸車作業(yè)，設定為車輛連續(xù)緊密連接，沒有隔開中斷連接。

測量數據測得線路兩端測量點至被測線路最近車輛的距離LT和LW及一個股道內車輛緊密連接的總長度L1和線路兩端最近車輛端部的位置坐標。

L1=LZ-LT-LW(LZ為兩端測距儀的相距距離，已知；LT為測量點與車頭距離，LW為測量點與車尾距離)，如圖2 所示。

圖2 一維測距儀測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of 1-D range finder measurement

3）二維測量方法

二維測距儀雷達測距儀或攝像機，測量車站兩端平面范圍內測試儀起測點距所有被測量股道最近車輛的距離圖像或視頻圖像，因為列車是整體到達，車輛用于裝卸車作業(yè)，停車的線路可以是一個直線段，也可以是一個曲線段，設定所有車輛是固定連接，沒有空檔隔開的。

根據平面測量和視頻圖像分析，可以得到平面測量系統(tǒng)測量范圍內的各股道車列兩端的測量數據及每一個股道內車輛緊密連接的總長度L1和線路兩端最近車輛端部的位置坐標。

L1=LZ-LT-LW(LZ為兩端測距儀的相距距離，已知；LT為測量點與車頭距離，LW為測量點與車尾距離)，如圖3 所示。

圖3 二維測距儀測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of 2-D range finder measurement

4）三維測量方法

三維測距儀（或雷達測距儀）測量站場范圍內四個測試儀起測點距所有被測量股道車輛的距離圖像，車輛之間的間隔、間隔距離及每一車輛或車組的位置坐標。測距儀將上述測量數據傳送給監(jiān)控系統(tǒng)，車站檢測范圍內所有車輛是任意停放沒有限制。

一股道車輛停車可以有間隔的分成若干車組，通過三維掃描可以測量分離間隔距離，可以測量得到每一車組的兩端位置坐標，計算出每一車組的長度和每一車組的排列順序。

根據三維測距系統(tǒng)測量和視頻圖像分析，監(jiān)控系統(tǒng)可以得到三維測量系統(tǒng)測量范圍內各股道車列測試儀起測點距所有被測量股道最近車輛的距離，車輛之間的間隔、間隔距離、車輛長度，測得的數據得到一個股道內第一組車列車輛連接的總長度L1，第二組車列車輛連接的總長度L2以及后面更多車列的長度及車列之間的分離間隔距離lk(測)和線路兩端最近車輛端部的位置坐標。如圖4 所示。

圖4 三維測距儀測量示意圖Fig.4 Schematic diagram of 3-D range finder measurement

5）一維、二維測量計算方法

根據鐵路車站現車系統(tǒng)提供的被測股道所有車輛型號、車輛車號和連接順序，查詢各個車輛的標準長度ln(n=1 ～n 車輛排列順序)并按標準車輛長度計算出被測股道停留所有車輛的計算標準長度之和（lt為車頭長度，為已知）

當測量長度L1>計算長度L2，車輛緩沖器處于拉伸狀態(tài)。測量差別較大時，車列中車輛可能處于分離狀態(tài)（是一種特殊情況，不滿足本項目測量列車時連接狀態(tài)的設定要求）；

當測量長度L1<計算長度L2，車輛緩沖器處于壓縮狀態(tài)；

當測量長度L1=計算長度L2（允許誤差范圍內），車輛緩沖器處于自由狀態(tài)；

根據測量得到長度誤差，平均分攤至測量范圍內的所有車輛，得到每一車輛的分攤誤差；用于修正定位精度。

根據測量得到的列車兩端坐標定位，根據已知車型、車號得到車輛標準長度、分攤誤差和車輛在股道內的排列順序，逐車推算車列內所有車輛兩端中線的鐵路里程坐標。

ln'=ln+Δε(n=1 ～n 車輛排列順序，ln'為車輛最終精確長度)

鐵路里程坐標通過與監(jiān)測子系統(tǒng)內部的電子地圖，可以換算為GPS/BD 定位坐標。

6）三維測量計算方法

根據鐵路車站現車系統(tǒng)提供的被測股道所有車輛型號、車輛車號和連接順序，查詢各個車輛的標準長度ln（n=1 ～n 車輛排列順序)并按標準車輛長度計算出被測股道停留第一組車列所有車輛的計算標準長度之和（lt為車頭長度，為已知），第二組車列所有車輛的計算標準長度之和為以及更多車列的所有車輛的計算標準長度之和。

當測量長度L1>計算長度L1'，車輛緩沖器處于拉伸狀態(tài)。測量差別較大時，車列中的車輛可能處于分離狀態(tài)。

當測量長度L1<計算長度L1'，車輛緩沖器處于壓縮狀態(tài)。

當測量長度L1=計算長度L1'（允許誤差范圍內），車輛緩沖器處于自由狀態(tài)。

根據測量得到長度誤差，平均分攤至測量范圍內的所有車輛，得到每一車輛的分攤誤差，用于修正定位精度。

根據測量得到的車列或車組兩端坐標定位，根據已知車型、車號得到的車輛標準長度、分攤誤差和車輛在股道內的排列順序，逐車推算第一組車列內所有車輛兩端中線的鐵路里程坐標。

ln'=ln+Δε(n=1 ～n 車輛排列順序，ln'為車輛最終精確長度)

按上述方法可以逐車推算第二組及更多車列內所有車輛兩端中線的鐵路里程坐標。

7）運算結果

鐵路無源車輛定位系統(tǒng)根據激光雷達測距儀、車號識別系統(tǒng)測得的數據，通過計算機技術計算出每列車輛兩端中線的鐵路線路坐標和大地物理精確位置坐標，從而得到被測量股道機車車輛的車號、停車順序、精確定位信息。

監(jiān)控系統(tǒng)得到每列無源機車車輛車號所對應的精確位置坐標，形成一組（機車車輛車號、車輛停車順序、車輛端部精確位置坐標）數據信息上傳至鐵路車站自動化裝卸系統(tǒng)。以便鐵路車站自動化裝卸系統(tǒng)對鐵路車輛的集裝箱自動化裝卸作業(yè)，節(jié)約了集裝箱自動化裝卸作業(yè)時間。

4 結束語

在基于集裝箱自動化裝卸作業(yè)方式下提出一種基于雷達測量的新型鐵路無源車輛車號識別及精確定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合鐵路港灣站集裝箱裝卸中轉作業(yè)中鐵路停留狀態(tài)下機車車輛精確定位，也適應其他用途的靜止鐵路車輛的精確定位。

該方案是基于鐵路車號識別系統(tǒng)、車輛編組及現車系統(tǒng)和測距儀的配合推算每一列車輛在股道中的精確定位，其定位精度滿足裝卸自動化的作業(yè)定位精度要求。