城市軌道交通列車測(cè)速系統(tǒng)及算法比較研究

趙曉峰

（上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上?！胃呒?jí)工程師）

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的列車測(cè)速功能是安全關(guān)鍵功能，列車測(cè)速的準(zhǔn)度和精度直接關(guān)系到列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的安全性，這在移動(dòng)閉塞制式的CBTC（基于通信的列車控制）信號(hào)系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為突出。

列車測(cè)速系統(tǒng)，作為信號(hào)系統(tǒng)車載子系統(tǒng)的重要組成部分，由速度采集設(shè)備、接口單元和主處理單元組成。其中，速度采集設(shè)備主要是各種類型的傳感器，提供列車動(dòng)力學(xué)信息的感知能力；接口單元負(fù)責(zé)與速度采集設(shè)備接口，進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理；主處理單元負(fù)責(zé)運(yùn)行整個(gè)測(cè)速算法，計(jì)算列車的實(shí)際速度，檢測(cè)車輪打滑，并在一定條件下進(jìn)行補(bǔ)償。

1 速度采集設(shè)備

常用列車速度采集設(shè)備有車輪脈沖發(fā)生器（Wheel Impulse Generators，簡(jiǎn)為 WIG）、光脈沖發(fā)生器（Optical Pulse Generator，簡(jiǎn)為 OPG）、霍爾效應(yīng)傳感器（Hall－Effect Sensor，簡(jiǎn)為 HES）、多普勒雷達(dá)傳感器（Doppler Radar Sensor，簡(jiǎn)為 DRS）、加速度計(jì)（Accelerometer，簡(jiǎn)為ACC）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellites System，簡(jiǎn) 為GNSS）。

WIG 又稱測(cè)速電機(jī)，屬于無(wú)源接觸式傳感器，是城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用最早的速度采集設(shè)備，早在基于音頻軌道電路的ATC（列車自動(dòng)控制）系統(tǒng)時(shí)代就已經(jīng)是車載信號(hào)系統(tǒng)的必配測(cè)速設(shè)備。WIG 安裝在車軸軸端，不需要外接電源，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聯(lián)動(dòng)桿帶動(dòng)內(nèi)部轉(zhuǎn)子切割磁力線，通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比，經(jīng)過(guò)頻率－電壓變換后，把轉(zhuǎn)速變換為電壓，通過(guò)測(cè)量電壓的幅度得到列車實(shí)際速度。WIG 只在2000年以前開(kāi)通線路的列車上有所應(yīng)用，新建線路已不再使用。

OPG 屬于有源接觸式傳感器，是目前應(yīng)用最廣泛的速度采集設(shè)備，主要由光電模塊、光柵盤(pán)、傳動(dòng)軸等組成，常用類型是紅外反射式。OPG 也是安裝在車軸軸端，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)內(nèi)部光柵盤(pán)旋轉(zhuǎn)。光柵盤(pán)外邊緣有2圈過(guò)孔，每圈過(guò)孔可以達(dá)到200個(gè)，并且可以通過(guò)控制過(guò)孔的長(zhǎng)短來(lái)進(jìn)行編碼，因此有些信號(hào)廠商也稱OPG 為編碼里程計(jì)。OPG 工作時(shí)需要外接直流電源驅(qū)動(dòng)內(nèi)部紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生發(fā)射光，透過(guò)光柵盤(pán)過(guò)孔后在底面反射，然后由光敏管接收，轉(zhuǎn)換為方波電壓脈沖輸出至信號(hào)主機(jī)。OPG 輸出信號(hào)可以達(dá)到6路。由于存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)磨損、光柵遮擋丟脈沖等現(xiàn)象，OPG只能用于時(shí)速低于140 km 的列車［1］。使用 OPG的信號(hào)廠商有阿爾斯通、卡斯柯、西門(mén)子、安薩爾多、北京交控。

HES屬于有源非接觸式傳感器，與光脈沖發(fā)生器相比，體積更小、質(zhì)量更輕，但是安裝較為復(fù)雜，需要單獨(dú)制造配套的測(cè)速齒輪和軸蓋。測(cè)速齒輪屬于機(jī)械件，安裝在車軸軸端。軸蓋是罩在齒輪外面，固定在轉(zhuǎn)向架上。傳感器安裝在軸蓋一側(cè)的邊緣，與齒輪保持1 mm 左右的間距。HES工作時(shí)需要外接直流電源。當(dāng)列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)速齒輪與車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器利用霍爾效應(yīng)檢測(cè)到鋸齒，并將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出至信號(hào)主機(jī)。HES輸出信號(hào)一般只有2路。由于具備良好的防塵、防油、防脈沖丟失等特性，HES不僅在城市軌道交通領(lǐng)域有應(yīng)用，而且特別適合時(shí)速高于180 km 的城際鐵路列車［2］。

DRS是近幾年引入的輔助檢測(cè)車輪打滑的新型速度采集設(shè)備，主要由DSP（數(shù)字處理器）、檢波整形器、混頻器、高頻振蕩器、電磁波網(wǎng)絡(luò)器、天線等組成。DRS安裝在車下空間的車廂底部，天線朝向列車正向運(yùn)行的方向。DRS工作時(shí)需要外接直流電源。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，高頻振蕩器產(chǎn)生的24 GHz微波信號(hào)，大部分通過(guò)天線向外發(fā)射，小部分耦合到混頻器中作為本振信號(hào)。發(fā)射信號(hào)經(jīng)軌面反射后，再通過(guò)天線接收回到混頻器，混頻的結(jié)果是兩個(gè)頻率的差值，即多普勒頻移，該頻移正比于列車的運(yùn)動(dòng)速度；最后由DSP數(shù)字系統(tǒng)處理后通過(guò)串口發(fā)送至信號(hào)主機(jī)。微波信號(hào)的發(fā)射和接收回路通常為2路。DRS測(cè)速精度高，范圍廣，可以達(dá)到0.2～600 km／h。

ACC也是一種輔助檢測(cè)車輪打滑的設(shè)備，主要由懸臂質(zhì)量塊、力矩馬達(dá)、非接觸位移傳感器等組成，常用類型是力平衡伺服傾角式。ACC 安裝在車內(nèi)空間信號(hào)主機(jī)柜底部，工作時(shí)需要外接直流電源。懸臂質(zhì)量塊與力矩馬達(dá)的電樞連接，初始處于平衡狀態(tài)，當(dāng)列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸臂質(zhì)量塊離開(kāi)原來(lái)的平衡位置，非接觸位移傳感器檢測(cè)到該變化后，一方面激活力矩馬達(dá)的線圈，產(chǎn)生一個(gè)反作用力，從而使懸臂質(zhì)量塊與力矩馬達(dá)達(dá)到新的平衡；另一方面對(duì)外輸出電壓信號(hào)至信號(hào)主機(jī)。ACC輸出信號(hào)只有1路。

GNSS是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，列車通過(guò)連續(xù)接收衛(wèi)星發(fā)送的唯一編碼序列，計(jì)算當(dāng)前三維位置（經(jīng)度、緯度和高度）、速度、方向和時(shí)間信息。GNSS主要應(yīng)用于現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的列車定位追蹤，其實(shí)時(shí)測(cè)量的列車速度并未用于列車自動(dòng)防護(hù)功能，而只是作為運(yùn)營(yíng)調(diào)度的參考數(shù)據(jù)。

2 列車測(cè)速系統(tǒng)配置

絕大多數(shù)情況下，列車測(cè)速系統(tǒng)的接口單元和主處理單元，即信號(hào)系統(tǒng)車載主機(jī)，在每列車的兩端A1和A2各配置1套。每套車載信號(hào)主機(jī)均采用3取2架構(gòu)，兩端設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，并能夠互為熱備。個(gè)別信號(hào)廠商采用2取2架構(gòu)，兩端設(shè)備連接起來(lái)形成2乘2取2結(jié)構(gòu)。

列車測(cè)速系統(tǒng)通常采用多傳感器融合方式實(shí)現(xiàn)，在保證列車運(yùn)行安全性和可用性的前提下，配置不同類型和數(shù)量的速度采集設(shè)備［3］。

表1匯總了城市軌道交通領(lǐng)域主流信號(hào)廠商的列車測(cè)速系統(tǒng)配置方案。按實(shí)現(xiàn)方式來(lái)劃分，列車測(cè)速系統(tǒng)包括單端系統(tǒng)和雙端系統(tǒng)。單端系統(tǒng)是指車載信號(hào)主機(jī)僅使用本端的速度采集設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能的系統(tǒng)；雙端系統(tǒng)是指車載信號(hào)主機(jī)需要使用本端和另一端的速度采集設(shè)備才可實(shí)現(xiàn)完整測(cè)速功能的系統(tǒng)。在雙端系統(tǒng)中，另一端的速度信息是通過(guò)車載信號(hào)主機(jī)之間的車載網(wǎng)絡(luò)傳輸。

表1 列車測(cè)速系統(tǒng)配置表

速度采集設(shè)備的安裝位置見(jiàn)圖1（從車頂向下看），圖中所示速度計(jì)可以是OPG 或HES。單端系統(tǒng)的2個(gè)速度計(jì)安裝在一端車頭的制動(dòng)軸，且在車輛的兩側(cè)；雙端系統(tǒng)的2個(gè)速度計(jì)分別安裝在兩端車頭的制動(dòng)軸，并且在列車的兩側(cè)。其他設(shè)備在A2端的安裝方式與圖1相同。

圖1 速度采集設(shè)備安裝示意圖

圖2描繪了3取2的車載信號(hào)主機(jī)與速度采集設(shè)備的連接關(guān)系。圖2中所示速度計(jì)可以是OPG或HES。每一個(gè)速度計(jì)在連到接口單元后，都需要分成3路信號(hào)分別進(jìn)入接口處理器1、2、3。雷達(dá)傳感器的RS－485接口支持一主多從模式，因此也可以分為3路信號(hào)進(jìn)入接口處理器。加速度計(jì)通常采用一對(duì)一的接法。

圖2 列車測(cè)速系統(tǒng)連接圖

3 列車測(cè)速算法

列車測(cè)速算法，主要實(shí)現(xiàn)從速度采集設(shè)備輸入車載信號(hào)主機(jī)，到向列車自動(dòng)防護(hù)功能提供可信速度和距離信息的功能，包括原始運(yùn)動(dòng)信息測(cè)量、零速檢測(cè)與防護(hù)，以及車輪打滑判定與補(bǔ)償。

3.1 原始速度測(cè)量

OPG 的光柵盤(pán)有2圈過(guò)孔：時(shí)鐘脈沖孔和編碼孔，其中時(shí)鐘脈沖孔有100孔或200孔，編碼孔通常為100孔。OPG 的光電傳感器有5 個(gè)（C1－C5）。C1、C2和C3用于掃描時(shí)鐘脈沖孔，一方面可以檢測(cè)出孔數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出車輪實(shí)際速度；另一方面，根據(jù)其不同相位，可以判定車輪實(shí)際方向。C4用于掃描編碼孔，編碼孔長(zhǎng)短不一，車輪旋轉(zhuǎn)1周構(gòu)成1個(gè)假隨機(jī)序列，即編碼，不同車輪旋轉(zhuǎn)方向?qū)?yīng)不同的編碼。C5的描述見(jiàn)3.2節(jié)。

OPG 計(jì)算車輪實(shí)際速度的公式如下：

式中：

vmeasure——車輪實(shí)際線速度；

d——車輪直徑；

N——車輪旋轉(zhuǎn)1 周，光電傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；

wP——脈沖寬度，ms。

OPG 判定車輪實(shí)際方向的方法如下：

前進(jìn)方向——C1 信號(hào)從低電平轉(zhuǎn)高電平時(shí)，C2信號(hào)為低電平，C3信號(hào)為高電平；

后退方向——C1 信號(hào)從高電平轉(zhuǎn)低電平時(shí)，C2信號(hào)為高電平，C3信號(hào)為低電平。

僅當(dāng)C4的編碼通過(guò)校驗(yàn)，OPG 的原始速度測(cè)量才會(huì)被車載信號(hào)主機(jī)認(rèn)為有效。

與HES配套的測(cè)速齒輪有100 齒、110 齒和120齒。HES的霍爾效應(yīng)傳感器有2個(gè)（S1和S2），一方面可以檢測(cè)出齒輪數(shù)，另一方面則可以判定車輪實(shí)際方向。

HES計(jì)算車輪實(shí)際速度的公式與OPG 類似。

HES判定車輪實(shí)際方向的方法如下：

前進(jìn)方向——S1信號(hào)比S2信號(hào)快90°相位；

后退方向——S2信號(hào)比S1信號(hào)快90°相位。

DRS本身便可以完成原始速度測(cè)量，與車載信號(hào)主機(jī)采用RS－485串口通信，傳輸速率為192 00 Baud。根據(jù)用戶的需求，可以提供速度、距離、方向以及加速度。

ACC向車載信號(hào)主機(jī)提供加速度的正負(fù)和大小。ACC通常采用的比例因子是±5 V／g，測(cè)量范圍是±1g。值得注意的是，ACC所測(cè)量的加速度包含重力加速度沿列車所在坡道的分量，所以車載信號(hào)主機(jī)在使用該加速度時(shí)，需要進(jìn)行預(yù)處理，即：

在上坡時(shí)，列車加速度＝ACC 測(cè)量加速度＋重力加速度沿列車所在坡道的分量；

在下坡時(shí)，列車加速度＝ACC 測(cè)量加速度－重力加速度沿沿列車所在坡道的分量。

3.2 零速檢測(cè)與防護(hù)

當(dāng)列車速度低于0.5 km／h且在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到任何脈沖時(shí)，車載信號(hào)主機(jī)認(rèn)為該OPG 為零速?？紤]到OPG 也有可能是故障，所以車載信號(hào)主機(jī)還會(huì)參考另一個(gè)OPG 的脈沖信號(hào)。當(dāng)車載信號(hào)系統(tǒng)采取雙端方案（2個(gè)OPG 分置列車兩端車頭）時(shí)，每一端的車載信號(hào)主機(jī)的零速檢測(cè)都需要參考另一端的OPG 的C5信號(hào)。

使用HES的車載信號(hào)系統(tǒng)的零速檢測(cè)方法與OPG 類似，只是利用一端的2個(gè)HES即可完成零速判定，而不需要使用另一端的HES。

除了利用信號(hào)自身的速度采集設(shè)備判定零速之外，車載信號(hào)主機(jī)也從車輛的列車線采集VZC（零速狀態(tài)）。車載信號(hào)主機(jī)還通過(guò)零速繼電器VZS（零速命令）向車輛提供零速信號(hào)，用于控制列車門(mén)控電路和牽引使能電路。

3.3 車輪打滑判定與補(bǔ)償

車輪打滑分空轉(zhuǎn)和滑行2種情況?？辙D(zhuǎn)是指車輪速度大于列車速度，往往發(fā)生在列車牽引階段；滑行是指車輪速度小于列車速度，一般發(fā)生在列車制動(dòng)階段。不論OPG 還是HES均安裝在拖車的制動(dòng)軸，所以列車發(fā)生滑行的情況更多些。

車載信號(hào)主機(jī)判定車輪打滑的算法有車輛參數(shù)法和實(shí)時(shí)檢測(cè)法2種。車輛參數(shù)法是指打滑判定算法中使用車輛的粘著系數(shù)－滑移率曲線轉(zhuǎn)換出的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)判定車輪打滑。該方法適用于僅采用OPG或HES，而不使用其他速度采集設(shè)備的列車測(cè)速系統(tǒng)。實(shí)時(shí)檢測(cè)法是指打滑判定算法中使用實(shí)時(shí)檢測(cè)出的加速度與OPG 或HES計(jì)算得出的速度信息相比較來(lái)判定車輪打滑。使用DRS或ACC 的列車測(cè)速系統(tǒng)均使用該方法［4］。

3.3.1 車輛參數(shù)法的打滑判定算法

當(dāng)Astartspin＞Ameasure＞Atraction時(shí)，列車進(jìn)入牽引狀態(tài)，此時(shí)計(jì)算的距離：

D＝max［Dcycle（n－1），（1－Kspin）×Dmeasure］

當(dāng)Aendspin＞Ameasure＞Astartspin時(shí)，列車進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)計(jì)算的距離：

D＝Dcycle（n－1）

當(dāng)Ameasure＞Aendspin時(shí)，列車丟失位置，施加緊急制動(dòng)。

當(dāng)Astartslide＜Ameasure＜Abrake時(shí)，列車進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)計(jì)算的距離：

D＝min［Dcycle（n－1），（1＋Kslide）×Dmeasure］

當(dāng)Aendslide＜Ameasure＜Astartslide時(shí)，列車進(jìn)入滑行狀態(tài)，此時(shí)計(jì)算的距離：

D＝Dcycle（n－1）

當(dāng)Ameasure＜Aendslide時(shí)，列車丟失位置，施加緊急制動(dòng)。

以上式中：

Ameasure——列車測(cè)量得到的實(shí)際加／減速度；

Atraction——列車最大牽引加速度（考慮坡度）；

Abrake——列車最大制動(dòng)減速度（考慮坡度）；

Astartspin和Aendspin——空轉(zhuǎn)開(kāi)始和結(jié)束的門(mén)限值，基于粘著系數(shù)－滑移率曲線，并考慮列車實(shí)際速度計(jì)算得到；

Astartslide和Aendslide——分別為滑行開(kāi)始和結(jié)束的門(mén)限值，基于粘著系數(shù)－滑移率曲線［5］，并考慮列車實(shí)際速度計(jì)算得到；

Dcycle（n－1）——上一周期距離；

Dmeasure——列車測(cè)量得到的距離；

Kspin——列車最可能發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)的滑移率，一般取35%；

Kslide——列車最可能發(fā)生滑行時(shí)的滑移率，一般取15%。

3.3.2 實(shí)時(shí)檢測(cè)法的打滑判定算法

根據(jù)OPG 或HES測(cè)得的vwheel（車輪速度）計(jì)算出Awheel（車輪加速度），然后計(jì)算該值與DRS或ACC測(cè)得的Ameasure的差值：

Adiff＝Ameasure－Awheel

當(dāng)Adiff超過(guò)加速度打滑容限（考慮坡度）時(shí)，則認(rèn)為列車出現(xiàn)加速度打滑。

根據(jù)DRS或ACC測(cè)得的Ameasure計(jì)算出vreference，然后計(jì)算該值與OPG或HES測(cè)得的vmeasure的差值：

vdiff＝vmeasure－vreference

當(dāng)vdiff超過(guò)速度打滑容限（考慮加速度打滑等因素）時(shí)，則認(rèn)為列車出現(xiàn)速度打滑［6］。

當(dāng)出現(xiàn)速度打滑后，如果vdiff為負(fù)值，且｜Ameasure｜小于打滑門(mén)限值時(shí)，則認(rèn)為列車處于滑行狀態(tài)；如果vdiff為正值，且｜Ameasure｜小于打滑門(mén)限值時(shí)，則認(rèn)為列車處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。打滑門(mén)限值一般取0.3 m／s2。

采用實(shí)時(shí)檢測(cè)法的列車測(cè)速系統(tǒng)通常使用2個(gè)OPG 或HES，所以存在單輪打滑和雙輪打滑2種情況。

當(dāng)出現(xiàn)單輪打滑時(shí)，該算法使用未出現(xiàn)打滑的OPG 或HES測(cè)得的距離補(bǔ)償（賦值）出現(xiàn)打滑的車輪。當(dāng)出現(xiàn)雙輪打滑時(shí)，每個(gè)車輪使用本周期測(cè)得的加速度和上一周期的速度值計(jì)算得出補(bǔ)償速度，然后便可以計(jì)算補(bǔ)償?shù)木嚯x。

3.4 實(shí)際速度與允許速度、目標(biāo)速度的關(guān)系

實(shí)際速度是列車測(cè)速算法的輸出結(jié)果，是在原始速度測(cè)量基礎(chǔ)上，針對(duì)具體打滑工況進(jìn)行速度補(bǔ)償之后得到的計(jì)算值。允許速度，又稱ATP（列車自動(dòng)保護(hù)）限速，是在土建限速的基礎(chǔ)上，減去安全余量（5 km／h或10 km／h）后得到的列車限速。車載信號(hào)主機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)比較實(shí)際速度與允許速度，當(dāng)實(shí)際速度減去允許速度的差值大于超速容限后，列車會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。

目標(biāo)速度是在ATP或ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行）限速曲線的基礎(chǔ)上，為避免出現(xiàn)列車超速情況，限速曲線變化點(diǎn)采用提前減速計(jì)算得到的速度值。這通常發(fā)生在限速曲線從高速到低速的變化點(diǎn)。車載信號(hào)主機(jī)也會(huì)實(shí)時(shí)比較實(shí)際速度與目標(biāo)速度，如果列車處于有ATP防護(hù)的人工駕駛模式，當(dāng)實(shí)際速度減去允許速度的差值大于超速容限后，列車也會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)；如果列車處于ATO 模式，由于是信號(hào)系統(tǒng)控制列車，所以一般不會(huì)發(fā)生緊急制動(dòng)，但是在司機(jī)顯示屏上還是會(huì)提示目標(biāo)速度。

4 結(jié)語(yǔ)

速度采集設(shè)備種類繁多，性能各異。OPG 安裝簡(jiǎn)便，傳感器豐富，具備編碼校驗(yàn)功能，特別適合于城市軌道交通車輛最高時(shí)速不超過(guò)120 km 的應(yīng)用環(huán)境。HES構(gòu)造簡(jiǎn)潔，性能可靠，需要與測(cè)速齒輪配合安裝，不僅適用于城市軌道交通，也適用于城際鐵路，甚至高速鐵路。DRS測(cè)速精度高、范圍廣，功能強(qiáng)大，接口復(fù)雜，是理想的測(cè)速輔助設(shè)備。ACC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，性能穩(wěn)定，接口單一，是測(cè)量加速度信息的首選設(shè)備。

列車測(cè)速系統(tǒng)通常采用多傳感器信息融合技術(shù)，單端方案的系統(tǒng)架構(gòu)清晰明確，車載信號(hào)主機(jī)之間無(wú)須傳遞測(cè)速參考信息，更利于測(cè)速功能的實(shí)現(xiàn)。使用OPG 或HES，并搭配ACC是比較好的系統(tǒng)配置方式。

列車測(cè)速算法的設(shè)計(jì)思路不同，很難取舍。車輛參數(shù)法在車輛防滑控制研究的基礎(chǔ)上，提煉出信號(hào)系統(tǒng)判定車輪打滑的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，更好地體現(xiàn)了信號(hào)與車輛融合的趨勢(shì)。實(shí)時(shí)檢測(cè)法則是基于信號(hào)系統(tǒng)自身的速度采集設(shè)備判定車輪打滑，更加準(zhǔn)確，貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，但也提高了算法的復(fù)雜度。

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