一种列车人工驾驶数据采集处理系统

技术领域

本发明涉及列车运行数据采集处理技术领域，尤其涉及列车人工驾驶数据的采集处理。

背景技术

控制算法是列车自动驾驶系统的关键技术之一，直接关系列车自动驾驶安全、平稳、准点、节能目标实现。货运列车由于其载重量大、编组复杂、自由车钩连接、制动力离散等特点，自动驾驶控制具有多样性和复杂性。优秀的列车司机能够操纵列车实现安全、平稳、准点、节能地运行，因此研究货运列车自动驾驶控制算法的前提是获得优秀列车司机的驾驶操纵过程，并实现数字化和大数据化。

采集货运列车实际运行过程中的司机驾驶操作数据以及列车运行状态数据，对货运列车自动驾驶研究具有以下好处：1)通过分析熟练司机的驾驶数据，可以提取列车驾驶操作策略，形成列车自动驾驶操作模型；2)借助真实场景中的驾驶数据，可以更快地验证和完善自动驾驶关键控制算法，从而加速货运列车自动驾驶研发工作。通过安装人工驾驶数据采集处理系统进行数据采集，综合进行数据处理分析，并研究形成优秀司机驾驶模型，可以为货运列车自动驾驶关键控制算法研究提供坚实的基础。

目前尚未有对列车人工驾驶过程中的各种数据进行全面采集处理的设备和方法，目前对列车人工驾驶过程中信息的采集比较片面，不能反映人工驾驶过程中列车运行的全貌；也没有专门对司机的驾驶操纵动作(包括对司控器以及自动制动阀、单独制动阀的操纵)进行全面记录，因此现有技术采集的列车运行状态数据不能与司机的驾驶操纵对应起来；也没有对采集的数据进行融合、处理、分析，无法反映各种采集数据之间的内在联系。

发明内容

本发明的目的是提供一种列车人工驾驶数据采集处理系统和方法，能够对列车人工驾驶过程中的各种数据进行全面采集，并进行数据融合、处理分析，以形成优秀司机驾驶模型。

本发明提供了一种列车人工驾驶数据采集处理系统，包括：系统主机，电流、电压传感器，柴油机转速传感器，气体压力传感器，速度传感器，视频记录仪，司控器状态采集电路，卫星定位模块，卫星接收天线；其中，

所述电流、电压传感器分别用于检测牵引电动机的电流、电压；

柴油机转速传感器和速度传感器分别用于检测柴油机转速和列车运行速度；

气体压力传感器用于检测列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力；

视频记录仪用于记录自动制动阀和单独制动阀的操作，系统主机通过图像分析解析出自动制动阀和单独制动阀手柄所处的位置；

司控器状态采集电路用于检测司控器方向手柄和控制手柄的位置；

卫星接收天线将卫星信号传输至卫星定位模块，卫星定位模块计算列车的实时位置；

所述系统主机将牵引电动机电流、电压、柴油机转速、列车速度、列车位置、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力、方向手柄和控制手柄的位置、自动制动阀和单独制动阀手柄的位置进行数据融合、处理分析，以形成优秀司机驾驶模型。

本发明的技术优势是：1)相较于现有技术，本发明对列车人工驾驶过程中的信息的采集更加全面，包括对牵引操作、制动操作、列车运行状态(速度、位置、牵引电动机电流、电压、柴油机转速、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力)的采集，而以往对列车人工驾驶过程中信息的采集比较片面，不能反映人工驾驶过程中列车运行的全貌。2)本发明设计的司控器状态采集电路既可以保证司机操纵数据采集的高实时性，又不影响机车控制系统的正常工作，不影响司机操作方向手柄或控制手柄时对列车的控制，从而在采集人工驾驶数据的过程中保障了列车行车安全。3)本发明通过比对时间戳、使用位置融合计算算法、将列车位置与铁路线路数据中的具体里程进行匹配、将采集的信息与线路参数(包括坡度、曲线)进行匹配等手段，来对采集的所有信息进行数据融合、处理分析，能够全面反映各种信息之间的内在联系，从而为自动驾驶关键控制算法研究提供坚实的基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的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，还可以根据这些图获得其他的图。

图1是列车人工驾驶数据采集处理系统结构示意图；

图2是司控器状态采集电路示意图；

图3是高阻并接采集电路示意图；

图4是有源并接采集电路示意图；

图5是司机制动操作采集功能示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的图，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的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种列车人工驾驶数据采集处理系统。如图1所示，所述列车人工驾驶数据采集处理系统包括：系统主机，电流、电压传感器，柴油机转速传感器，气体压力传感器，速度传感器，视频记录仪，司控器状态采集电路，卫星定位模块，卫星接收天线，电源模块。

所述电流、电压传感器分别用于检测牵引电动机的电流、电压。根据本发明的一个实施例，分别在机车的前、后转向架上选择一台牵引电动机进行电流采集，2个电流传感器分别安装在2台牵引电动机输入电流线缆上，电流传感器将检测到的牵引电动机电流按比例转换成直流电流信号输出，输出的电流信号再经测量电阻转换为电压信号后送入系统主机的模拟量采集板；电压传感器安装在6台并联牵引电动机的输入端，将检测到的牵引电动机电压按照比例转换为直流电压信号送入系统主机的模拟量采集板。

柴油机转速传感器将柴油机转速信号送入系统主机的负责频率测量的IO采集板。优选地，柴油机转速信号先进入调理板转换成所述负责频率测量的IO采集板能够处理的信号电平。

气体压力传感器用于检测列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力。根据本发明的一个实施例，共设置四个气体压力传感器，包括1个列车管压力传感器、1个机车制动缸压力传感器、2个均衡风缸压力传感器；所述气体压力传感器将检测到的压力转换成直流电压信号送入系统主机的模拟量采集板。

速度传感器用于检测列车运行速度，速度信号送入系统主机的负责频率测量的IO采集板。

视频记录仪用于记录自动制动阀和单独制动阀的操作。根据本发明的一个实施例，在两端司机室各设一个视频记录仪；对于记录的视频，系统主机的CPU板通过图像分析解析出司机操作，即分辨出自动制动阀和单独制动阀手柄所处的位置。

司控器状态采集电路包括方向手柄采集电路和控制手柄采集电路，分别用于采集司控器方向手柄和控制手柄的位置。采集到的位置信号送入系统主机的负责数字量输入的IO采集板。优选地，所述采集到的位置信号先经过调理板转换成所述负责数字量输入的IO采集板能够处理的信号电平。

司控器状态采集电路接入机车电路后，必须确保列车运行安全，即确保司控器状态采集电路的接入不会影响司机操作对列车的控制。经过反复研究和大量实验，本发明设计的司控器状态采集电路不影响机车控制系统的正常工作，不影响司机操作方向手柄或控制手柄时对列车的控制。根据本发明的一个实施例，所述司控器状态采集电路如图2所示。

司控器方向手柄的位置(前牵、前制、后牵、后制)可通过检测触点1-4的状态来判断。触点1-4分别与方向继电器HKf2、HKf1以及工况继电器HKg1、HKg2连接，本发明选择检测方向继电器HKf2的辅助开关2Hkf以及工况继电器HKg2的辅助开关2Hkg的状态，以检测触点1-4的状态，从而判断司控器方向手柄的位置。使辅助开关2Hkf、2Hkg(包括常闭触点和常开触点)的第一端与机车110V电源连接，第二端为采集信号的输出端。以往的司控器方向手柄位置检测方法是在触点1-4的接线上直接并接检测电路，这种直接并接的做法可能影响触点1-4所在线路的正常工作，从而影响司机操作方向手柄时对列车的控制。本发明的司控器方向手柄位置检测方法与直接并接的做法相比，不会给触点1-4所在线路造成隐患，不会影响司机正常操作。

司控器控制手柄的位置(1、降、保、升)可以通过检测触点5-8的状态来判断。由于触点5位于机车110V电源向触点1、2供电的回路中，因此当能检测到触点1、2的状态时，触点5必然是闭合的，反之当检测不到触点1、2的状态时，说明触点5是断开的。因此可根据司控器状态采集电路能否获得方向信号(即能否检测到触点1、2的状态)来推断触点5的状态。触点6与通用继电器1ZJ串联，当触点6闭合时，机车110V电源向通用继电器1ZJ供电，通用继电器1ZJ线圈得电导致其常开触点闭合，因此触点6状态的采集方案为：使通用继电器1ZJ的空闲常开触点的第一端与机车110V电源连接，第二端为采集信号的输出端，当所述空闲常开触点闭合时，所述采集信号的输出端输出110V电平信号。触点7、8与机车控制系统连接，它们所在的回路不存在继电器，因此直接从触点7、8的第一端引出检测信号，即分别在触点7、8的第一端连接并接采集电路。

优选地，触点1-4、6-8状态的采集信号，即方向手柄和控制手柄的位置信号，先被送入调理板，转换成负责数字量输入的IO采集板能够处理的信号电平，再发送给所述负责数字量输入的IO采集板。

在触点7、8的第一端连接所述并接采集电路可能影响机车控制系统的正常工作，从而影响司机操作控制手柄时对列车的控制。为解决这一问题，本发明设计了特殊的采集电路，包括高阻并接采集电路和有源并接采集电路，可采用二者之一，即可解决上述问题。优选地，所述高阻并接采集电路或有源并接采集电路均设置在所述调理板中。

根据本发明的一个实施例，所述高阻并接采集电路如图3所示。电阻R1的第一端接电阻R2的第一端以及比较器U1的负输入端“-”，电阻R2的第二端接电阻R3的第一端并接地，电阻R3的第二端接比较器U1的正输入端“+”，电阻R3的所述第二端还分别连接电阻R4、R5的第一端，电阻R4的第二端接15V电源，电阻R5的第二端接比较器U1的输出端，电阻R5的所述第二端还连接电阻的R6的第一端，电阻R6的第二端接15V电源。电阻R1的所述第一端作为所述高阻并接采集电路的输入端，接收从触点7、8的第一端引出的检测信号，比较器U1的输出端作为所述高阻并接采集电路的输出端。所述电阻R1、R2的取值须使得所述高阻并接采集电路的输入阻抗不低于1M欧，这样才不会使所述机车控制系统误认为触点7、8的第一端接地(即所述高阻并接采集电路的接入不会拉低所述触点7、8第一端的电压)，从而保证高阻并接采集电路不对机车控制系统的正常工作产生影响。

根据本发明的一个实施例，所述有源并接采集电路如图4所示。二极管D1的阳极接机车110V电源，阴极接稳压二极管串(D2、D3)的阴极，稳压二极管串(D2、D3)的阳极接电阻R7的第一端，电阻R7的第二端接电阻R8的第一端以及二极管D5的阴极，二极管D5的阳极接二极管D4的阳极以及电阻R9的第一端，电阻R8的第二端接电容C1的一端，电容C1另一端接电阻R9的第一端，电阻R8的第二端还连接光耦U2中发光二极管的阳极，该发光二极管的阴极接电阻R9的第二端，光耦U2中受光三极管的发射极接地，该受光三极管的集电极接电阻R10的第一端，电阻R10的第二端接+12V电源。所述二极管D4的阴极作为所述有源并接采集电路的输入端，接收从触点7、8的第一端引出的检测信号，所述受光三极管的集电极作为所述有源并接采集电路的输出端。由于二极管D1的阳极接的是110V电源，而所述机车控制系统中的电路的供电电源也是110V，因此所述有源并接采集电路的接入不会拉低所述触点7、8第一端的电压，从而保证有源并接采集电路不对机车控制系统的正常工作产生影响。

卫星定位模块通过卫星接收天线接收来自卫星的信号，并通过4G网络实时接收差分定位服务提供的卫星定位差分数据，利用高精度差分定位算法计算出列车的实时位置信息(经度、纬度、海拔高度)，将实时位置信息送入系统主机的CPU板。

卫星接收天线在车顶安装，负责接收卫星信号，并将卫星信号传输至卫星定位模块。

电源模块包括：机车蓄电池、断路器、配线端子、开关电源。断路器起到短路保护及开关的作用；配线端子用于分线；开关电源用于将机车蓄电池输出的110VDC转换为相应设备所需的电压。电源模块为系统主机、视频记录仪供电：系统主机的供电需求为110VDC，因此系统主机直接连接至配线端子以接收机车蓄电池输出的110VDC；视频记录仪通过开关电源后连接至配线端子。

系统主机包括CPU板、模拟量采集板、负责数字量输入的IO采集板、负责频率测量的IO采集板、电源输出板、电源输入板、备用板。其中：CPU板完成对采集数据的预处理、组帧、存储、处理分析；模拟量采集板完成对牵引电动机电流、电压信号、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力信号的接收和调理；负责数字量输入的IO采集板完成对司控器方向手柄和控制手柄的位置信号的接收和调理；负责频率测量的IO采集板完成对列车速度信号、柴油机转速信号的接收和调理；电源输出板用于为各个传感器、卫星定位模块供电；电源输入板接收所述电源模块提供的110VDC，以满足系统主机的工作需要。

根据本发明的一个实施例，所述电流、电压传感器，柴油机转速传感器，气体压力传感器，速度传感器，视频记录仪，司控器状态采集电路，卫星定位模块采集的信息通过有线或无线的方式发送给所述系统主机。

本发明的列车人工驾驶数据采集处理系统能够完成对列车人工驾驶过程中的牵引操作、制动操作、列车运行状态(速度、位置、牵引电动机电流、电压、柴油机转速、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力)的采集，并且能够对牵引操作、制动操作、列车运行状态数据进行处理分析，从而形成优秀司机驾驶模型。所述处理分析由CPU板执行。

根据本发明的一个实施例，司机牵引操作采集功能包括：负责数字量采集的IO采集板将代表方向手柄和控制手柄位置的数字信号转换为适合CPU板处理的数字量格式；所述IO采集板具有多个输入通道，可以同时接收多路数字信号，对于每路数字信号，所述IO采集板能够同步处理这些信息，并将处理后的数据发送给CPU板。CPU板负责预处理从IO采集板传来的数据，并将预处理后的数字量，按照数据存储格式组帧后进行存储。

根据本发明的一个实施例，司机制动操作采集功能如图5所示，通过安装在司机室的视频记录仪采集和存储司机驾驶过程中自动制动阀和单独制动阀的操作，存储的视频应包含系统日历时间；卫星授时接收功能是指通过视频记录仪自带的卫星定位模块获取的卫星授时信息，对视频记录仪的系统时间进行校准，这样可以确保视频记录仪存储的视频数据具有准确的时间信息，以便在分析司机制动操作时，利用准确的时间信息，与采集的列车运行状态数据进行对齐。

根据本发明的一个实施例，列车速度和柴油机转速采集功能包括：负责频率测量的IO采集板接收来自速度传感器的速度信号和来自柴油机转速传感器的转速信号，并将这些信号转换为适合CPU板处理的数据格式；CPU板将得到的速度信号和转速信号按照数据存储格式组帧后进行存储。

根据本发明的一个实施例，列车位置信息采集功能包括：车顶安装的卫星接收天线负责接收卫星信号，并将信号传输至卫星定位模块；卫星定位模块负责接收来自卫星的信息，并通过高精度差分定位算法计算出列车的实时位置信息；通过4G网络差分定位服务，卫星定位模块可以实时接收到卫星定位差分数据，利用差分定位方式，能够进一步提高卫星定位精度，使列车位置信息更准确。优选地，卫星定位模块为亚米级精度，其能够提供更准确的列车位置信息，有助于根据人工驾驶操作、列车运行状态数据、铁路线路数据等综合进行自动驾驶关键控制算法研究。CPU板接收来自卫星定位模块的位置信息，并针对这些信息进行预处理，CPU板将预处理后的列车位置信息按照数据存储格式组帧后进行存储。

根据本发明的一个实施例，牵引电动机电流、电压采集功能包括：模拟量采集板接收来自电压传感器和电流传感器的电压信号，并将这些信号转换为适合CPU板处理的信息格式；CPU板将采集的电压和电流信息按照数据存储格式组帧后进行存储。

根据本发明的一个实施例，压力信息采集功能包括：模拟量采集板接收来自气体压力传感器的直流电压信号，并将这些信号转换为适合CPU板处理的信息；CPU板将压力信息按存储格式组帧后进行存储。

本发明的列车人工驾驶数据采集处理系统记录的所有数据均包括时间戳，优选地，所述时间戳的精度为毫秒级；数据采取周期记录方式，优选地，记录周期为50ms；数据存储具备高实时性，优选地，数据采集时间和存储数据中的时间戳偏差不超过50ms。

本发明还提供了一种列车人工驾驶数据采集处理方法。所述采集处理方法包括：采集列车人工驾驶过程中的牵引操作、制动操作、列车速度、列车位置、牵引电动机电流、电压、柴油机转速、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力，将上述采集的信息进行数据融合、处理分析，以形成优秀司机驾驶模型。

根据本发明的一个实施例，通过司控器状态采集电路实现所述牵引操作的采集；所述司控器状态采集电路包括方向手柄采集电路和控制手柄采集电路，分别用于采集司控器方向手柄和控制手柄的位置。根据本发明的另一个实施例，通过视频记录仪实现所述制动操作的采集；所述视频记录仪用于记录自动制动阀和单独制动阀的操作，对于记录的视频，CPU板通过图像分析解析出司机操作，即分辨出自动制动阀和单独制动阀手柄所处的位置。根据本发明的另一个实施例，通过卫星定位模块实现所述列车位置的采集；所述卫星定位模块通过卫星接收天线接收来自卫星的信号，并通过4G网络实时接收差分定位服务提供的卫星定位差分数据，利用高精度差分定位算法计算出列车的实时位置信息(经度、纬度、海拔高度)。根据本发明的另一个实施例，通过速度传感器实现所述列车速度的采集。根据本发明的另一个实施例，通过电流、电压传感器实现所述牵引电动机电流、电压的采集。根据本发明的另一个实施例，通过柴油机转速传感器实现所述柴油机转速的采集。根据本发明的另一个实施例，通过气体压力传感器实现所述列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力的采集。

本发明的列车人工驾驶数据采集处理方法采集的所有数据均包括时间戳。

要对人工驾驶过程进行总结分析，还需要对上述具有时间戳的数据进行数据融合，因此，进一步地，所述采集处理方法还包括：将司控器方向手柄和控制手柄位置、列车速度、列车位置、牵引电动机电流、电压、柴油机转速、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力、自动制动阀和单独制动阀手柄位置，依据时间戳进行对齐，即获得同一时刻点的上述数据。

考虑到卫星定位模块的定位精度以及卫星信号的稳定性，通过卫星定位模块采集的列车位置信息可能存在误差，因此，进一步地，所述采集处理方法还包括：利用采集的列车速度信息和列车位置信息，使用列车位置融合计算算法，计算出对应时刻点的列车位置；将使用融合计算算法计算出的各个时刻点的列车位置与铁路线路数据中的具体里程进行匹配，从而获得该位置的线路参数(包括坡度、曲线)。

为了分析人工驾驶过程中司机在不同线路条件下的操作以及列车在该线路条件和司机操作下的运行状态，进一步地，所述采集处理方法还包括：将司控器方向手柄和控制手柄位置、列车速度、牵引电动机电流、电压、柴油机转速、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力、自动制动阀和单独制动阀手柄位置与所述线路参数(包括坡度、曲线)进行匹配。

为了方便对人工驾驶数据的分析，进一步地，所述采集处理方法还包括：将各个时刻点的司控器方向手柄和控制手柄位置、列车速度、列车位置、牵引电动机电压、电流、柴油机转速、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力、自动制动阀和单独制动阀手柄位置，按照时间顺序进行排列，以表格方式显示并能够导出；分别以司控器方向手柄和控制手柄位置、列车速度、柴油机转速、列车管压力、机车制动缸压力、均衡风缸压力、自动制动阀和单独制动阀手柄位置为纵坐标，以时间或线路数据(包括里程和线路参数)为横坐标，绘制图形曲线；分别以牵引电动机总功率、柴油机转速、列车速度为纵坐标，以时间为横坐标，绘制图形曲线；以牵引电动机总功率为纵坐标，以柴油机转速为横坐标，绘制图形曲线。

为了形成优秀司机驾驶模型，进一步地，所述采集处理方法还包括：根据指定关键变量进行数据查询、数据筛选，根据指定规则进行数据自动分析。根据本发明的一个实施例，查询司控器控制手柄由“保”位变到“升”位时的列车速度、列车位置和线路参数(包括坡度、曲线)，以分析司机在何种情况下使列车加速。根据本发明的另一个实施例，筛选出牵引电动机总功率、柴油机转速、列车速度，以分析三者之间的关系。根据本发明的另一个实施例，分析自动制动阀手柄在制动区不同位置所施加的列车管减压量、列车管减压量与列车速度变化之间的关系。

上述实施例是提供给熟悉本领域的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明构思的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，这些修改或变化均落入本发明的保护范围。