CTCS3-300T列控車載設(shè)備速度跳變分析

李澤光

李澤光:北京鐵路局石家莊電務(wù)段 工程師 050000 石家莊

列車測(cè)速、測(cè)距的基本功能是在任何時(shí)刻、任何地方都能精確、及時(shí)地確定列車的具體速度和位置，包括列車運(yùn)行安全的相關(guān)間隔、速度等信息。列車測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在:地面控制中心根據(jù)列車的位置信息進(jìn)行間隔控制，保證列車運(yùn)行的安全間隔;車載設(shè)備根據(jù)列車的位置和速度信息，通過速度模式控制曲線對(duì)列車進(jìn)行控制。因此，列車測(cè)速、測(cè)距在整個(gè)運(yùn)行控制系統(tǒng)中有著非常重要的作用。

速度跳變就是動(dòng)車組在運(yùn)行過程中，速度發(fā)生抖動(dòng)，突然升高的現(xiàn)象，特別是在動(dòng)車組勻速行駛過程中較為明顯，影響測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)的精度。另外，如果司機(jī)將動(dòng)車組速度控制在接近ATP制動(dòng)曲線附近時(shí)，一旦發(fā)生速度跳變，將導(dǎo)致動(dòng)車組停車制動(dòng)，嚴(yán)重影響司機(jī)操作和乘客乘坐的舒適性。

1 300T型ATP設(shè)備測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)組成

列車的測(cè)速方式多種多樣，例如輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速、GPS系統(tǒng)測(cè)速、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)速等，其中輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速和雷達(dá)測(cè)速是高速鐵路的主流測(cè)速技術(shù)。無(wú)論采用哪種測(cè)速方式，核心目標(biāo)均是為了提高測(cè)量精度和可靠性。

300T型ATP設(shè)備的測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)包括2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速傳感器、2個(gè)雷達(dá)測(cè)速傳感器、2個(gè)SDU設(shè)備和1個(gè)SDP設(shè)備，測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。無(wú)論車載設(shè)備使用哪一系工作，均使用同一套測(cè)速系統(tǒng)單元，如果測(cè)速系統(tǒng)單元故障，將直接導(dǎo)致車載設(shè)備不能正常工作。

圖1 測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)組成示意圖

2 測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)工作原理

CTCS3-300T型ATP設(shè)備測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)以轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速傳感器作為參照基準(zhǔn)，以雷達(dá)作為主要信號(hào)源，綜合了轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速傳感器信號(hào)較穩(wěn)定，以及雷達(dá)測(cè)速不受車輪空轉(zhuǎn)、打滑影響的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速

通過測(cè)量車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)獲得列車速度信息，車輪的轉(zhuǎn)速乘以車輪的周長(zhǎng)就是列車的直線運(yùn)動(dòng)速度。因此，通過采集安裝在輪軸上轉(zhuǎn)速傳感器中的輪軸脈沖，利用該脈沖頻率就能計(jì)算列車當(dāng)前的速度。

CTCS3-300T型ATP設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速采用的是霍爾傳感器。根據(jù)霍爾效應(yīng)，在輪軸齒輪上方安裝霍爾元件，當(dāng)齒輪不同的部位經(jīng)過霍爾元件時(shí)，霍爾元件將產(chǎn)生不同的霍爾電壓，通過測(cè)量霍爾電壓變化的頻率就可以計(jì)算出輪軸頻率。

2.2 雷達(dá)測(cè)速

多普勒雷達(dá)測(cè)速是一種直接測(cè)量速度和距離的方法，不需要通過車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的信息間接測(cè)量速度，可有效避免因車輪空轉(zhuǎn)、滑行和由于車輪磨耗導(dǎo)致輪徑改變而帶來(lái)的誤差。

雷達(dá)傳感器測(cè)速技術(shù)的基本原理是:在列車上安裝多普勒雷達(dá)，雷達(dá)天線始終向軌面發(fā)射電磁波，經(jīng)過軌面反射回天線。由于列車和軌面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)多普勒頻移原理，在發(fā)射波和反射波之間產(chǎn)生頻移，其頻率差即為多普勒頻率fd，通過測(cè)量頻移就可以計(jì)算出列車的運(yùn)行速度，進(jìn)一步計(jì)算出列車運(yùn)行的距離。

?Katherine O’Donovan，“‘Real’Mothers for Abandoned Children”，Law ＆ Society Review，347(36)，2002，pp．361～363．

通過數(shù)學(xué)運(yùn)算及公式的簡(jiǎn)化，fd正比于機(jī)車速度v和天線波束方向與水平地面夾角α的余弦值:其中:fc為雷達(dá)工作頻率;v為列車速度;c為光速;α為天線輻射角度。

通過對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，求出多普勒頻率fd，從而可以根據(jù)公式(1)，求出機(jī)車的速度v:

2.3 300T型ATP設(shè)備測(cè)速、測(cè)距

1．正常情況下，4個(gè)傳感器(2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速傳感器、2個(gè)雷達(dá))同時(shí)工作，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速傳感器用來(lái)測(cè)量輪軸的轉(zhuǎn)速，雷達(dá)用來(lái)測(cè)量列車的直線運(yùn)動(dòng)速度，4個(gè)傳感器均輸出脈沖信號(hào)。

2．2個(gè)SDU設(shè)備是完全相同的，每個(gè)SDU設(shè)備分別連接了1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速傳感器和1個(gè)雷達(dá)測(cè)速傳感器。SDU設(shè)備負(fù)責(zé)將測(cè)速傳感器送來(lái)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。

3．SDP設(shè)備同時(shí)連接了2個(gè)SDU，從而獲得了4個(gè)傳感器的脈沖頻率信息。

4．SDP負(fù)責(zé)速度、距離的計(jì)算處理，分別計(jì)算出4個(gè)傳感器測(cè)量的速度信息(帶有置信區(qū)間)，每個(gè)速度信息包含了標(biāo)稱值Vnom、最大值Vmax和最小速度Vmin。

5．CTCS3-300T的測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)工作時(shí)，首先判定各傳感器有效性，采用有效的傳感器進(jìn)行計(jì)算;然后對(duì)速度信息進(jìn)行融合，選用有效傳感器(雷達(dá)+速傳)中的標(biāo)稱速度最大值，作為系統(tǒng)標(biāo)稱速度。

3 速度跳變統(tǒng)計(jì)及原因分析

石家莊電務(wù)段對(duì)300T型ATP設(shè)備速度跳變問題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。段內(nèi)共配屬安裝13組300T型ATP設(shè)備，表1只統(tǒng)計(jì)了8組動(dòng)車，另外沒有統(tǒng)計(jì)在3 km/h范圍內(nèi)的速度跳變。不難發(fā)現(xiàn)300T型ATP設(shè)備速度跳變現(xiàn)象普遍存在。

表1 速度跳變統(tǒng)計(jì)表

轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速采用霍爾傳感器計(jì)數(shù)方式，相對(duì)穩(wěn)定;而雷達(dá)測(cè)速采用多普勒效應(yīng)，受外界影響較大。通過數(shù)據(jù)分析也可以發(fā)現(xiàn)，速度跳變主要由雷達(dá)引起，具體原因分析如下。

1．雷達(dá)硬件故障。300T型ATP的測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)共有4路信號(hào)輸入(2路轉(zhuǎn)速傳感器，2路測(cè)速雷達(dá))，系統(tǒng)工作時(shí)首先判定并采用有效的傳感器速度信息進(jìn)行計(jì)算，然后通過對(duì)速度信息進(jìn)行融合，計(jì)算出ATP系統(tǒng)的顯示速度。如果雷達(dá)本身徹底故障，不再進(jìn)行信號(hào)輸出，ATP測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)就不會(huì)采用該信號(hào)進(jìn)行速度信息融合計(jì)算，所以不會(huì)對(duì)ATP系統(tǒng)的速度造成影響，也不會(huì)造成速度抖動(dòng)。但是，雷達(dá)故障后是通過自身檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)判斷能否夠恢復(fù)工作，如果此時(shí)ATP測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)認(rèn)為該雷達(dá)輸出信號(hào)有效，并將其采用進(jìn)行融合計(jì)算，而雷達(dá)測(cè)速信號(hào)在恢復(fù)過程中輸出不穩(wěn)定，這時(shí)就很容易造成ATP系統(tǒng)的速度抖動(dòng)。

例如某一次數(shù)據(jù)記錄顯示，該車?yán)走_(dá)2存在長(zhǎng)達(dá)6'55″無(wú)有效輸出，而且恢復(fù)時(shí)，雷達(dá)2測(cè)速比轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)速偏高達(dá)208 cm/s(7.5 km/h)，比雷達(dá)1測(cè)速高達(dá)96 cm/s(3.6 km/h)。通過該車的測(cè)速、測(cè)距數(shù)據(jù)記錄可以看出，雷達(dá)故障后存在輸出時(shí)有時(shí)無(wú)、輸出數(shù)值偏高等現(xiàn)象，對(duì)ATP測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)融合計(jì)算造成影響，導(dǎo)致ATP系統(tǒng)速度跳變。

2．雷達(dá)天線輻射角度誤差。通過公式(2)可以看出，雷達(dá)測(cè)速與雷達(dá)天線輻射的角度α密切相關(guān)，輻射角度誤差將直接導(dǎo)致測(cè)速誤差，雷達(dá)輻射角度誤差主要有2個(gè)方面原因。

1)安裝誤差。在實(shí)際安裝雷達(dá)天線過程中，不可避免的存在安裝角度偏差，包括測(cè)量基準(zhǔn)面和測(cè)量工具的誤差。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)雷達(dá)天線安裝存在0.5°的誤差角時(shí)，將導(dǎo)致雷達(dá)0.7% ～1.5%的測(cè)量誤差。

2)振動(dòng)誤差。列車在運(yùn)行過程中不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)會(huì)造成雷達(dá)松動(dòng)，從而引起更大的角度偏差。另外，振動(dòng)產(chǎn)生的分量，對(duì)雷達(dá)測(cè)速精度也產(chǎn)生一定的影響。

3．雷達(dá)天線表面不清潔。雷達(dá)天線表面被污物遮擋，特別是在冰雪天氣時(shí)，雷達(dá)天線表面被冰雪覆蓋，將直接導(dǎo)致ATP設(shè)備速度跳變，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行。

4 預(yù)防措施及建議

針對(duì)上述導(dǎo)致300T型ATP設(shè)備速度跳變的原因分析，提出如下措施及建議，降低速度跳變的幅值范圍，減少對(duì)行車的影響。

1．針對(duì)雷達(dá)硬件故障，加強(qiáng)對(duì)300T型ATP設(shè)備數(shù)據(jù)的分析，對(duì)司機(jī)反饋或記錄測(cè)速雷達(dá)故障的信息進(jìn)行重點(diǎn)確認(rèn)，如發(fā)現(xiàn)雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間沒有輸出，則應(yīng)更換雷達(dá)。

2．根據(jù)雷達(dá)角度誤差產(chǎn)生的原因，從2個(gè)方面對(duì)角度誤差進(jìn)行改善。

1)提高安裝精度，加強(qiáng)狀態(tài)檢查。雷達(dá)安裝時(shí)，通過提高測(cè)量基準(zhǔn)面精度和測(cè)量工具精度，提高雷達(dá)的安裝精度;定期對(duì)雷達(dá)安裝狀態(tài)進(jìn)行檢查，對(duì)雷達(dá)安裝角度進(jìn)行測(cè)量。但是，雷達(dá)天線安裝在動(dòng)車組車底，受作業(yè)環(huán)境的限制，總會(huì)存在安裝誤差問題。

2)通過技術(shù)、算法改進(jìn)，減少角度誤差對(duì)測(cè)速產(chǎn)生的影響。采用前后2個(gè)雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低安裝角度誤差帶來(lái)的測(cè)速、測(cè)距影響。

具體做法是將2個(gè)天線固定在結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、精密加工的剛性支架上，保證2副天線束波夾角不變;然后通過算法將2副天線測(cè)得的速度進(jìn)行融合，可以得到較為精確的真實(shí)速度估算值，具體算法有平均值法、角度自適校正法等。這些方法可有效降低角度誤差對(duì)測(cè)速帶來(lái)的影響，對(duì)振動(dòng)誤差也有一定的改善。

3．對(duì)于雷達(dá)天線表面不清潔問題，應(yīng)加強(qiáng)二方面工作。

1)加強(qiáng)雷達(dá)表面清潔工作，遇冰雪天氣時(shí)，對(duì)雷達(dá)表面進(jìn)行打蠟，減少結(jié)冰現(xiàn)象;

2)對(duì)300T型ATP設(shè)備測(cè)速、測(cè)距融合算法進(jìn)行優(yōu)化，通過最優(yōu)信息融合估計(jì)法，重點(diǎn)對(duì)雷達(dá)工作不穩(wěn)定情況進(jìn)行優(yōu)化，減少對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

4．加強(qiáng)雷達(dá)參數(shù)標(biāo)定。根據(jù)目前300T型ATP設(shè)備測(cè)速、測(cè)距工作原理，以轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速傳感器作為參照基準(zhǔn)，在更換雷達(dá)后或者雷達(dá)測(cè)速誤差總是偏大等情況下，及時(shí)進(jìn)行雷達(dá)參數(shù)標(biāo)定，使雷達(dá)測(cè)速與轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速傳感器相匹配，減少速度跳變幅值。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，300T型ATP設(shè)備測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)的速度跳變現(xiàn)象不能完全消除，但是通過采取有針對(duì)性的措施，可大大緩解速度跳變的幅度范圍，減少了對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊憽Ａ硗?，在軟件?yōu)化、數(shù)據(jù)算法等方面還有很大潛力，希望未來(lái)能夠徹底解決速度跳變問題。

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