[发明专利]一种基于机器视觉的城轨列车定位与测速方法

说明书

本发明公开了一种基于机器视觉的城轨列车定位与测速方法，该方法通过高帧频工业相机拍摄轨道线路和定点设置的视觉信标，采用改进的YOLO算法对图像进行实时处理，得到轨枕计数，实现城轨列车的定位和测速。本发明实现了对所拍摄高帧频图像的实时处理，连续跟踪列车的位置信息和速度信息，定位精度0.1米，测速精度达到0.1km/h，可实现城轨列车在120km/h运行时的轨枕计数、定位和测速。

技术领域

本发明属于轨道交通领域。

背景技术

近年来，我国对铁路客运专线及城市轨道交通的投入力度不断加大，轨道交通地位日益提高。轨道车辆运行的位置信息是轨道交通车辆行驶、检测、维护的基础数据，其研究的重要性日益突显。随着人工智能技术的兴起，机器视觉、故障检测与诊断、无人驾驶等新技术在轨道交通行业的应用得到了蓬勃发展。为了保证列车的安全运行，更好地服务于车辆编组、调度、检测、维护等工作，研究一种车载高精度、实时、连续、自主定位的独立设备具有重要的理论和现实意义。

列车运行定位技术的基本功能是通过传感技术自动获取列车在线路上运行的位置信息、速度信息和区段占用信息。通常认为列车是沿轨道径向的一维运动，通过测量列车与线路基准参考点之间的距离，便可以实现列车的定位和跟踪。

当前列车定位技术主要采用下列方法，各自都有一定的利弊，达不到高精度、实时、连续、自主定位和跟踪的要求。

(1)基于测速的列车定位方法

通过不断获取列车的实时运行速度并积分得到列车运行的里程，该方法属于自主惯性导航，目前常用的测速方法主要有两种，一种是轮速法测速，另一种采用多普勒测速仪。

列车运行时轮对转动并带动编码器旋转，轮速法通过测量编码器脉冲频率和脉冲计数来计算车速和里程，工作原理简单、实现方便，计算基于轮对与轨道之间的纯滚运动和轮对几何尺寸。轮速法测速存在明显的缺陷：【1】当列车运行过程中发生轮对空转、蠕动、打滑时(例如刹车)，会产生较大的测量误差；【2】磨损会改变轮对的几何尺寸，基于轮对几何尺寸测量列车里程会产生较大的测量误差；【3】轮对转动的角度过小，导致不能产生脉冲，产生累积误差。

将多普勒测速仪安装在列车底部，通过测量发射信号和反射信号的频率变化得到列车的运行方向和速度，再通过积分获取列车的运行里程。此方法基于独立测速设备，不涉及轮对的运动和磨损情况，但也存在明显的缺点：【1】多普勒测速对环境要求较高，环境不够平整导致电波散射，造成较大的测量误差；【2】通常多普勒测速仪采用俯视安装，需要对安装角度带来的测量误差进行修正；【3】通过积分获取列车运行里程造成较大的累积误差；【4】实验表明，列车低速行驶时多普勒测速仪具有较大的误差。

(2)基于查询应答器的列车定位方法

通过车载查询器读取地面应答器(信标)内置的位置信息实现列车的点定位。其优点是技术成熟(城轨已广泛使用)、定位精度高，在复线轨道上能正确区分不同的股道，特别适合消除列车定位过程中产生的累积误差。基于查询应答器的列车定位方法也存在明显的缺陷：【1】只能点定位，无法实现实时、连续定位；【2】沿轨道线路密集布设应答器成本太高，且当应答器位于无人区时，难以保养和维护。通常应答器都设置在城轨站点附近，两套应答器可能相距数公里以上。

(3)基于轨道电路的列车定位方法

轨道电路每个区段的起点和终点都设置有计轴器，通过获取计轴器的状态可以确定列车所在的轨道电路区段。该方法的优点是技术成熟、可靠性强，但定位误差大，无法实时准确给出列车在区段内的具体位置和速度信息。

(4)基于GPS/BDS的列车定位方法

卫星定位原理简单，可实现全天候全时段工作。但易受自然环境影响，运行在山区或者隧道的列车，存在定位盲区，目前的定位精度无法区分复线股道。城轨主要运行在地下隧道，卫星导航的精确度、可靠性、可用性受到质疑。

发明内容