城市軌道交通運(yùn)營管理作業(yè)

1、基于輪軸和雷達(dá)傳感器的列車測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真劉喜文 修金富 張哲山 宇文天（中南大學(xué)交通院交通設(shè)備與控制工程專業(yè)1402班）摘 要 設(shè)計(jì)了一種輪軸速度傳感器和雷達(dá)速度傳感器相結(jié)合的列車測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)測(cè)速輪對(duì)空轉(zhuǎn)滑行造成的輪軸速度傳感器測(cè)速測(cè)距誤差問題，建立了空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)判斷模型和空轉(zhuǎn)滑行過程中的列車速度和走行距離誤差校正模型。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了該測(cè)速測(cè)距仿真系統(tǒng)，通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。該系統(tǒng)提高了列車測(cè)速測(cè)距的精度和可靠性。關(guān)鍵詞 列車測(cè)速測(cè)距；輪軸速度傳感器；雷達(dá)速度傳感器；空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)；誤差校正城市軌道交通列車的車載控制器（），負(fù)責(zé)完成車載列車自動(dòng)防護(hù)（）和列車自

2、動(dòng)運(yùn)行（）的功能。車載 的主要功能是根據(jù)列車即時(shí)速度和走行距離控制列車運(yùn)行間隔，防止列車超速運(yùn)行，保障列車運(yùn)行安全；車載 的主要功能是根據(jù)列車即時(shí)速度和走行距離控制列車舒適、節(jié)能、高效地運(yùn)行。因此，列車速度和走行距離信息是保證 正常工作的基本參數(shù)，其精度和可靠性直接影響列車運(yùn)行的安全和效率。城市軌道交通列車普遍采用輪軸速度傳感器來實(shí)時(shí)測(cè)量列車運(yùn)行速度和走行距離。輪軸速度傳感器經(jīng)濟(jì)實(shí)用、技術(shù)成熟，通過測(cè)量車輪轉(zhuǎn)速可以較為準(zhǔn)確地得到列車運(yùn)行速度和走行距離。但是一旦測(cè)速輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行，車輪轉(zhuǎn)速和列車實(shí)際運(yùn)行速度之間就會(huì)出現(xiàn)較大偏差，導(dǎo)致輪軸速度傳感器測(cè)速測(cè)距誤差顯著增大，并且依靠輪軸速度傳感器自身

3、無法有效解決該問題。鐵路運(yùn)營部門為了盡量避免空轉(zhuǎn)滑行的發(fā)生，對(duì)列車的運(yùn)行采取了一定的黏著控制措施，可以在很大程度上避免嚴(yán)重的空轉(zhuǎn)滑行，但是大量較微弱的空轉(zhuǎn)滑行仍然存在。正是這些較微弱且較高頻率發(fā)生的空轉(zhuǎn)滑行造成的列車測(cè)速測(cè)距誤差，構(gòu)成了基于輪軸速度傳感器的列車測(cè)速測(cè)距方法定位誤差的主要部分。針對(duì)該問題，現(xiàn)有方式一般是采用軌旁輔助定位設(shè)備（例如查詢應(yīng)答器等）向列車提供點(diǎn)式位置信息，修正輪軸傳感器的測(cè)距累積誤差。但這種方式的缺點(diǎn)也很明顯，其無法提供速度校正，建設(shè)和維護(hù)成本高且不支持線路的動(dòng)態(tài)配置變化。為了提高列車自主定位能力，本文在現(xiàn)有的基于輪軸速度傳感器的列車測(cè)速測(cè)距方法中引入多普勒測(cè)速雷達(dá)，采

4、用二者組合構(gòu)建測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，建立空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)及誤差校正計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)空轉(zhuǎn)滑行的有效檢測(cè)和誤差校正，達(dá)到提高列車測(cè)速測(cè)距精度和可靠性的目的。傳感器組合方案.1輪軸速度傳感器輪軸速度傳感器可以將車輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成和列車運(yùn)行速度成比例的電脈沖，通過對(duì)脈沖信號(hào)的采集即可計(jì)算得到列車即時(shí)速度和走行距離。本文采用車載 型輪軸脈沖測(cè)速儀，其測(cè)速范圍為。列車速度和走行距離計(jì)算公式為：·····式中：列車速度，；車輪每轉(zhuǎn)一圈傳感器所發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)；車輪直徑，；本周期脈沖測(cè)量值；測(cè)速周期，；列車走行距離，。由于輪軸速度傳感器測(cè)量的是車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度，當(dāng)列車正

5、常運(yùn)行時(shí)，車輪轉(zhuǎn)速和列車運(yùn)行速度基本相同；但當(dāng)車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行時(shí)，車輪轉(zhuǎn)速和列車實(shí)際運(yùn)行速度之間會(huì)出現(xiàn)較大偏差，導(dǎo)致輪軸速度傳感器測(cè)速測(cè)距誤差顯著增大，而且測(cè)距誤差會(huì)隨著列車運(yùn)行累積而增加。.2雷達(dá)速度傳感器多普勒雷達(dá)（）測(cè)速是通過安裝在機(jī)車底部的車載雷達(dá)向軌面發(fā)射電磁波并接收反射回來的回波信號(hào)，基于多普勒頻移效應(yīng)原理通過測(cè)量雷達(dá)發(fā)射波和反射波的頻率差（多普勒頻移量）便可計(jì)算得到列車的即時(shí)速度，對(duì)速度積分可求得列車走行距離。本文采用型車載雷達(dá)，測(cè)速范圍為。測(cè)速計(jì)算公式為：·式中：多普勒頻移量，；雷達(dá)發(fā)射波與軌道平面夾角，（°）；雷達(dá)發(fā)射波波長，。由于雷達(dá)測(cè)速不依賴車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，

6、因此完全不受輪對(duì)空轉(zhuǎn)滑行的影響，測(cè)速誤差主要由列車縱向振動(dòng)以及雷達(dá)安裝角度誤差造成。輪軸速度傳感器和多普勒雷達(dá)具有較好的互補(bǔ)性，列車高速運(yùn)行時(shí)由于多普勒效應(yīng)明顯雷達(dá)測(cè)速精度較高，而高速時(shí)輪對(duì)空轉(zhuǎn)滑行較低速時(shí)更頻繁，因此輪軸速度傳感器精度相對(duì)偏低；列車低速運(yùn)行時(shí)輪軸速度傳感器精度較高，而雷達(dá)由于多普勒頻移效應(yīng)不明顯精度偏低。隨著多普勒測(cè)速雷達(dá)價(jià)格降低、體積減小、精度提高，其在軌道交通列車測(cè)速測(cè)距領(lǐng)域已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。輪軸速度傳感器和雷達(dá)速度傳感器是一種較為理想的車載傳感器組合方案。車載測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)1系統(tǒng)硬件采用個(gè)輪軸傳感器和個(gè)雷達(dá)傳感器的冗余配置以提高系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖所示，其中信號(hào)

7、采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器信息的同步采集和預(yù)處理。由于輪軸和雷達(dá)傳感器都屬于高頻連續(xù)相對(duì)定位，故需要低頻非連續(xù)絕對(duì)定位信息進(jìn)行輔助。在本設(shè)計(jì)中采用地面應(yīng)答器作為參考定位系統(tǒng)，一是為列車提供初始位置信息，二是利用應(yīng)答器提供的精確位置信息對(duì)車載測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。圖測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)2系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件主要是對(duì)測(cè)速傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的算法模型完成空轉(zhuǎn)滑行的檢測(cè)和誤差校正，同時(shí)接收地面應(yīng)答器提供的精確位置信息完成對(duì)算法性能的評(píng)估。系統(tǒng)軟件功能模塊總體結(jié)構(gòu)如圖所圖軟件功能模塊結(jié)構(gòu)3 未發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行時(shí)的列車速度和走行距離計(jì)算模型在列車未發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行時(shí)， 以輪軸速度傳感

8、器的測(cè)速值作為依據(jù)，計(jì)算所需的列車速度和走行距離，根據(jù)功能可分為 速度走行距離計(jì)算模型和 速度走行距離計(jì)算模型3.1速度走行距離計(jì)算模型分別安裝在兩軸上的個(gè)輪軸傳感器的測(cè)速值必然存在差異，首先需要對(duì)兩軸的測(cè)量速度取平均值，計(jì)算公式如下：， ， 式中：，第測(cè)速周期輪軸傳感器 測(cè)量的列車速度，；，第測(cè)速周期輪軸傳感器 測(cè)量的列車速度，；，第測(cè)速周期輪軸傳感器測(cè)量的列車速度，。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)輪軸速度傳感器的脈沖信號(hào)在采集時(shí)存在向零取整導(dǎo)致測(cè)速值出現(xiàn)跳變的問題，采用下式消除該誤差：， ， 式中：，第測(cè)速周期輪軸速度傳感器測(cè)量的列車速度，。車載 的主要功能是精確控車，不要求列車速度為安全速度，因此根據(jù)

9、式（）和（）得到的，即為車載 系統(tǒng)所使用的列車速度。根據(jù)列車牽引計(jì)算公式，車載 所使用的列車走行距離為：式中：截止上一測(cè)速周期的列車走行距離；測(cè)速周期。 速度走行距離計(jì)算模型車載 的主要功能是保障列車運(yùn)行安全，要求列車速度為安全速度，即包含了各種誤差因素的列車速度值。根據(jù)分析可知， ， 中存在的誤差主要由以下項(xiàng)組成:， ， ， ，式中：， 第測(cè)速周期的測(cè)速誤差，；， 第測(cè)速周期輪軸傳感器固有測(cè)量誤差所造成的測(cè)速誤差，；， 第測(cè)速周期輪徑誤差所造成的測(cè)速誤差，；， 第測(cè)速周期未檢測(cè)到的空轉(zhuǎn)滑行所造成的測(cè)速誤差，。根據(jù)式（）和（）可得車載 使用的列車安全速度為：， ， ，車載 使用的列車安全走行距

10、離為： 空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)模型車輪空轉(zhuǎn)是由于列車牽引力大于等于黏著力，輪軌間的黏著狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致車輪加速旋轉(zhuǎn)而列車不前進(jìn)的現(xiàn)象，多發(fā)生在列車牽引加速階段。車輪滑行與空轉(zhuǎn)的機(jī)理相似，是由于列車制動(dòng)力大于等于黏著力，輪軌間的黏著狀態(tài)被破壞，車輪被閘瓦“抱死”導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度急劇下降的現(xiàn)象，多發(fā)生在列車制動(dòng)減速階段。顯而易見，由于輪軸速度傳感器是通過測(cè)量車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度從而得到列車運(yùn)行速度和走行距離，當(dāng)輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行時(shí)，輪軸速度傳感器的測(cè)速測(cè)距誤差會(huì)顯著增大，無法給 提供準(zhǔn)確的列車速度和走行距離信息，直接影響列車運(yùn)行安全和效率。空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)方法主要有加（減）速度檢測(cè)、速度差檢測(cè)和滑行率檢測(cè)種。但上述檢測(cè)方

11、法在實(shí)際使用中都是基于輪軸傳感器自身測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的，通過比較不同測(cè)速周期的輪軸傳感器測(cè)量值完成空轉(zhuǎn)滑行的檢測(cè)。但研究現(xiàn)狀已表明，僅根據(jù)輪軸速度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)并不足以完全區(qū)分列車正常運(yùn)行時(shí)牽引或制動(dòng)引起的加速度改變和空轉(zhuǎn)滑行造成的加速度改變。為了進(jìn)一步提高空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)精度，本文基于上述空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，通過比較不同類型的速度傳感器得到的列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成空轉(zhuǎn)滑行的檢測(cè)。4.1 加（減）速度檢測(cè)第測(cè)速周期輪軸傳感器測(cè)量的列車速度為， ，結(jié)合上一周期列車速度可得根據(jù)輪軸傳感器計(jì)算的本周期列車加速度， 為：， ， 式中：，上一周期列車速度，。第測(cè)速周期雷達(dá)傳感器測(cè)量的列車速度為， ，結(jié)合

12、上一周期列車速度可得根據(jù)雷達(dá)傳感器計(jì)算的本周期列車加速度為：， ， 兩種傳感器計(jì)算的本周期列車加速度差值為，。若超過設(shè)定的門限值，則認(rèn)為列車發(fā)生了空轉(zhuǎn)滑行，即當(dāng) 時(shí)，列車發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行；當(dāng) 時(shí)，列車未發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行。速度差檢測(cè)第 測(cè)速周期輪軸傳感器測(cè)量的列車速度為，雷達(dá)傳感器測(cè)量的列車速度為，兩種傳感器 計(jì) 算 的 本 周 期 列 車 速 度 差 值 為 ，。若超過設(shè)定門限值，則認(rèn)為列車出現(xiàn)了空轉(zhuǎn)滑行，即 當(dāng) VV 時(shí)，列車發(fā)生空轉(zhuǎn)滑 行；當(dāng) VV時(shí)，列車未發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行?；新蕶z測(cè)由于雷達(dá)傳感器測(cè)速不受輪對(duì)空轉(zhuǎn)滑行的影響，因此在雷達(dá)傳感器正常工作時(shí)，即可認(rèn)為第 測(cè)速周期的列車運(yùn)行速度為。第測(cè)速周期

13、列車滑行率 為：， ，× ， ，×，設(shè)定空轉(zhuǎn)時(shí)滑行率門限值為，滑行時(shí)滑行率門限值為，當(dāng)， ，時(shí)認(rèn)為列車未發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行；當(dāng)， 時(shí)判定列車發(fā)生空轉(zhuǎn)；當(dāng)，時(shí)判定列車發(fā)生滑行?？辙D(zhuǎn)滑行判斷加（減）速度檢測(cè)法的檢測(cè)靈敏度最高，速度差和滑行率檢測(cè)法相對(duì)偏低，在空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)時(shí)以加（減）速度檢測(cè)法為主，速度差和滑行率檢測(cè)法為輔。為了準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行，將列車的運(yùn)動(dòng)過程細(xì)分為個(gè)階段：空轉(zhuǎn)階段、滑行階段、牽引情況下黏著良好階段、制動(dòng)情況下黏著良好階段、牽引情況下黏著不確定階段和制動(dòng)情況下黏著不確定階段。列車每個(gè)測(cè)速周期 計(jì)算得到的速度差為V，加（減）速度差為 a，滑行率為。設(shè)定加（減）速

14、度差門限值為，速度差門限值為V，空轉(zhuǎn)時(shí)滑行率門限值為，滑行時(shí)滑行率門限值為，。 牽引情況下黏著良好階段若a，且種檢測(cè)方法均未檢測(cè)出空轉(zhuǎn)滑行，判斷條件為：， 且a，VV，p，。制動(dòng)情況下黏著良好階段若a，且種檢測(cè)方法均未檢測(cè)出空轉(zhuǎn)滑行，判斷條件為：a， 且a，VV，p，。牽引情況下黏著不確定階段若a，且加（減）速度檢測(cè)法未檢測(cè)到空轉(zhuǎn)，而速度差和滑行率檢測(cè)法其中之一檢測(cè)到空轉(zhuǎn)，判斷條件 為：a， 且a，VV或p，。制動(dòng)情況下黏著不確定階段若a，且加（減）速度檢測(cè)法未檢測(cè)到滑行，而速度差和滑行率檢測(cè)法其中之一檢測(cè)到滑行，判斷條件 為：a， 且a，VV或p，。空轉(zhuǎn)階段若a，且加（減）速度檢測(cè)法檢測(cè)出空

15、轉(zhuǎn)或速度差和滑行率檢測(cè)法同時(shí)檢測(cè)出空轉(zhuǎn)，判斷條件為：a，且a，或，VV且p，?；须A段若，且加（減）速度檢測(cè)法檢測(cè)出滑行或速度差和滑行率檢測(cè)法同時(shí)檢測(cè)出滑行，判斷條件 為：a，且a，或VV且p，。在兩種黏著不確定階段，本文采用速度插值積分法對(duì)列車速度和走行距離誤差進(jìn)行補(bǔ)償。具體方法為，首先記錄該階段開始和結(jié)束時(shí)刻的列車速度，然后根據(jù)該階段的持續(xù)時(shí)間以及開始和結(jié)束時(shí)刻的速度值進(jìn)行線性插值，將相關(guān)數(shù)值作為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的補(bǔ)償速度，最后對(duì)補(bǔ)償速度進(jìn)行積分，計(jì)算得出列車走行距離。 發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行時(shí)的列車速度和走行距離校正模型 速度走行距離校正模型在列車空轉(zhuǎn)滑行過程中，輪軸速度傳感器的測(cè)速值已無法正確反映列車的

16、實(shí)際運(yùn)行速度，此時(shí)以雷達(dá)傳感器的測(cè)速值作為本周期車載 使用的列車速度，即。車載 使用的列車走行距離為：，·（13 ） 式中：截止上一測(cè)速周期的列車走行距離，；第測(cè)速周期雷達(dá)傳感器測(cè)量的列車速度，。 速度走行距離校正模型在發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行后，由于列車速度計(jì)算依據(jù)是雷達(dá)傳感器的測(cè)量值，因此考慮雷達(dá)傳感器的測(cè)速誤差來計(jì)算車載 所需的列車安全速度和走行距離。根據(jù)分析可知，中存在的誤差主要由以下項(xiàng)組成：， ， ， ，（14 ）式中：，第測(cè)速周期的雷達(dá)測(cè)速誤差，；1，第測(cè)速周期雷達(dá)傳感器固有測(cè)量誤差所造成的測(cè)速誤差，；2，第測(cè)速周期列車振動(dòng)所造成的雷達(dá)測(cè)速誤差，；3，第測(cè)速周期雷達(dá)安裝角度誤差所造成的測(cè)速誤差，。1，具體取值可由雷達(dá)傳感器的性能指標(biāo)得到，本文采用DRS05a型車載雷達(dá)，測(cè)速精度在車速小于100時(shí)為±0.4，大于100時(shí)為±0.4。2，和3，具體取值范圍可通過試驗(yàn)確定。根據(jù)和式（）可得車載 使用的列車安全速度為：， ， ，（ ）車載 使用的列車安全走行距離為：，·（ ） 6結(jié)語本文設(shè)計(jì)了一種輪軸速度傳感器和雷達(dá)速度傳感器相結(jié)合的列車測(cè)距測(cè)速系統(tǒng)，根據(jù)雷達(dá)傳感器測(cè)速不受輪對(duì)空轉(zhuǎn)/滑行影響的特