基于輪軸和雷達傳感器的列車測速測距系統(tǒng)設計與仿真

陶漢卿

(柳州鐵道職業(yè)技術學院電子技術學院,545616,柳州∥講師)

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基于輪軸和雷達傳感器的列車測速測距系統(tǒng)設計與仿真

陶漢卿

(柳州鐵道職業(yè)技術學院電子技術學院,545616,柳州∥講師)

設計了一種輪軸速度傳感器和雷達速度傳感器相結合的列車測速測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對測速輪對空轉/滑行造成的輪軸速度傳感器測速測距誤差問題,建立了空轉/滑行檢測判斷模型和空轉/滑行過程中的列車速度和走行距離誤差校正模型。在實驗室環(huán)境下搭建了該測速測距仿真系統(tǒng),通過仿真試驗驗證了模型的有效性。該系統(tǒng)提高了列車測速測距的精度和可靠性。

列車測速測距; 輪軸速度傳感器; 雷達速度傳感器; 空轉/滑行檢測; 誤差校正

Author′s address School of Electronic Engineering,Liuzhou Railway Vocational Technical College,545616,Liuzhou,China

城市軌道交通列車的車載控制器(VOBC)，負責完成車載列車自動防護(ATP)和列車自動運行(ATO)的功能。車載ATP的主要功能是根據(jù)列車即時速度和走行距離控制列車運行間隔,防止列車超速運行,保障列車運行安全;車載ATO的主要功能是根據(jù)列車即時速度和走行距離控制列車舒適、節(jié)能、高效地運行。因此，列車速度和走行距離信息是保證VOBC正常工作的基本參數(shù),其精度和可靠性直接影響列車運行的安全和效率。

城市軌道交通列車普遍采用輪軸速度傳感器來實時測量列車運行速度和走行距離。輪軸速度傳感器經(jīng)濟實用、技術成熟,通過測量車輪轉速可以較為準確地得到列車運行速度和走行距離。但是一旦測速輪對發(fā)生空轉/滑行,車輪轉速和列車實際運行速度之間就會出現(xiàn)較大偏差,導致輪軸速度傳感器測速測距誤差顯著增大,并且依靠輪軸速度傳感器自身無法有效解決該問題。鐵路運營部門為了盡量避免空轉/滑行的發(fā)生,對列車的運行采取了一定的黏著控制措施,可以在很大程度上避免嚴重的空轉/滑行,但是大量較微弱的空轉/滑行仍然存在。正是這些較微弱且較高頻率發(fā)生的空轉/滑行造成的列車測速測距誤差,構成了基于輪軸速度傳感器的列車測速測距方法定位誤差的主要部分[1]。針對該問題,現(xiàn)有方式一般是采用軌旁輔助定位設備(例如查詢/應答器等)向列車提供點式位置信息,修正輪軸傳感器的測距累積誤差。但這種方式的缺點也很明顯,其無法提供速度校正,建設和維護成本高且不支持線路的動態(tài)配置變化[2]。

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速測距方法中引入多普勒測速雷達,采用二者組合構建測速測距系統(tǒng)。在此基礎上,建立空轉/滑行檢測及誤差校正計算模型,實現(xiàn)對空轉/滑行的有效檢測和誤差校正,達到提高列車測速測距精度和可靠性的目的。

1 傳感器組合方案

1.1 輪軸速度傳感器

輪軸速度傳感器可以將車輪轉速轉換成和列車運行速度成比例的電脈沖,通過對脈沖信號的采集即可計算得到列車即時速度和走行距離。本文采用車載HS221G1A型輪軸脈沖測速儀,其測速范圍為0～20 kHz。列車速度和走行距離計算公式為[3]:

(1)

(2)

式中:

v——列車速度,m/s;

N——車輪每轉一圈傳感器所發(fā)出的脈沖個數(shù);

D——車輪直徑,m;

Δn——本周期脈沖測量值;

T——測速周期,s;

ΔS——列車走行距離,m。

由于輪軸速度傳感器測量的是車輪轉動速度,當列車正常運行時,車輪轉速和列車運行速度基本相同;但當車輪發(fā)生空轉/滑行時,車輪轉速和列車實際運行速度之間會出現(xiàn)較大偏差,導致輪軸速度傳感器測速測距誤差顯著增大,而且測距誤差會隨著列車運行累積而增加。

1.2 雷達速度傳感器

多普勒雷達(Doppler radar)測速是通過安裝在機車底部的車載雷達向軌面發(fā)射電磁波并接收反射回來的回波信號,基于多普勒頻移效應原理通過測量雷達發(fā)射波和反射波的頻率差(多普勒頻移量)便可計算得到列車的即時速度,對速度積分可求得列車走行距離。本文采用DRS05a型車載雷達,測速范圍為0.2～600 km/h。測速計算公式為[3]:

(3)

式中:

fr——多普勒頻移量,Hz;

θ——雷達發(fā)射波與軌道平面夾角,(°);

λ——雷達發(fā)射波波長,m。

由于雷達測速不依賴車輪轉動,因此完全不受輪對空轉/滑行的影響,測速誤差主要由列車縱向振動以及雷達安裝角度誤差造成。輪軸速度傳感器和多普勒雷達具有較好的互補性,列車高速運行時由于多普勒效應明顯雷達測速精度較高,而高速時輪對空轉/滑行較低速時更頻繁,因此輪軸速度傳感器精度相對偏低;列車低速運行時輪軸速度傳感器精度較高,而雷達由于多普勒頻移效應不明顯精度偏低。隨著多普勒測速雷達價格降低、體積減小、精度提高,其在軌道交通列車測速測距領域已經(jīng)得到了實際應用。輪軸速度傳感器和雷達速度傳感器是一種較為理想的車載傳感器組合方案。

2 車載測速測距系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件

采用2個輪軸傳感器和2個雷達傳感器的冗余配置以提高系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示,其中信號采集模塊實現(xiàn)對各個傳感器信息的同步采集和預處理。由于輪軸和雷達傳感器都屬于高頻連續(xù)相對定位,故需要低頻非連續(xù)絕對定位信息進行輔助。在本設計中采用地面應答器作為參考定位系統(tǒng),一是為列車提供初始位置信息,二是利用應答器提供的精確位置信息對車載測速測距系統(tǒng)的測量結果進行評估。

圖1 測速測距系統(tǒng)硬件結構

2.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要是對測速傳感器的測量數(shù)據(jù)進行計算處理,實現(xiàn)本文所設計的算法模型完成空轉/滑行的檢測和誤差校正,同時接收地面應答器提供的精確位置信息完成對算法性能的評估。系統(tǒng)軟件功能模塊總體結構如圖2所示[4]。

圖2 軟件功能模塊結構

3 未發(fā)生空轉/滑行時的列車速度和走行距離計算模型

在列車未發(fā)生空轉/滑行時,VOBC以輪軸速度傳感器的測速值作為依據(jù)，計算所需的列車速度和走行距離,根據(jù)功能可分為ATO速度/走行距離計算模型和ATP速度/走行距離計算模型[5]。

3.1 ATO速度/走行距離計算模型

分別安裝在兩軸上的2個輪軸傳感器的測速值必然存在差異,首先需要對兩軸的測量速度取平均值,計算公式如下:

(4)

式中:

vta 1,i——第i測速周期輪軸傳感器1測量的列車速度,m/s;

vta 2,i——第i測速周期輪軸傳感器2測量的列車速度,m/s;

vta,i——第i測速周期輪軸傳感器測量的列車速度,m/s。

在此基礎上,針對輪軸速度傳感器的脈沖信號在采集時存在向零取整導致測速值出現(xiàn)跳變的問題,采用下式消除該誤差:

(5)

式中:

vta,i-1——第i-1測速周期輪軸速度傳感器測量的列車速度,m/s。

車載ATO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)式(4)和(5)得到的vATO,i即為車載ATO系統(tǒng)所使用的列車速度。

根據(jù)列車牽引計算公式,車載ATO所使用的列車走行距離為:

sATO,i=si-1+vATO,i·T

(6)

式中:

si-1——截止上一測速周期的列車走行距離,m;

T——測速周期,s。

3.2 ATP速度/走行距離計算模型

車載ATP的主要功能是保障列車運行安全,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,vATO,i中存在的誤差主要由以下3項組成:

ver,i=ver 1,i+ver 2,i+ver 3,i

(7)

式中:

ver,i——第i測速周期的測速誤差,m/s;

ver 1,i——第i測速周期輪軸傳感器固有測量誤差所造成的測速誤差,m/s;

ver 2,i——第i測速周期輪徑誤差所造成的測速誤差,m/s;

ver 3,i——第i測速周期未檢測到的空轉/滑行所造成的測速誤差,m/s。

根據(jù)式(5)和(7)可得車載ATP使用的列車安全速度為:

vATP,i=vATO,i+ver,i

(8)

車載ATP使用的列車安全走行距離為:

sATP,i=si-1+vATP,i·T

(9)

4 空轉/滑行檢測模型

車輪空轉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,導致車輪加速旋轉而列車不前進的現(xiàn)象,多發(fā)生在列車牽引加速階段。車輪滑行與空轉的機理相似,是由于列車制動力大于等于黏著力,輪軌間的黏著狀態(tài)被破壞,車輪被閘瓦“抱死”導致車輪轉動速度急劇下降的現(xiàn)象,多發(fā)生在列車制動減速階段。顯而易見,由于輪軸速度傳感器是通過測量車輪轉動速度從而得到列車運行速度和走行距離,當輪對發(fā)生空轉/滑行時,輪軸速度傳感器的測速測距誤差會顯著增大,無法給VOBC提供準確的列車速度和走行距離信息,直接影響列車運行安全和效率。

空轉/滑行檢測方法主要有加(減)速度檢測、速度差檢測和滑行率檢測3種[6]。但上述檢測方法在實際使用中都是基于輪軸傳感器自身測量數(shù)據(jù)進行的,通過比較不同測速周期的輪軸傳感器測量值完成空轉/滑行的檢測。但研究現(xiàn)狀已表明，僅根據(jù)輪軸速度傳感器的測量數(shù)據(jù)并不足以完全區(qū)分列車正常運行時牽引或制動引起的加速度改變和空轉/滑行造成的加速度改變[1]。為了進一步提高空轉/滑行檢測精度,本文基于上述空轉/滑行檢測方法進行改進,通過比較不同類型的速度傳感器得到的列車運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成空轉/滑行的檢測。

4.1 加(減)速度檢測

第i測速周期輪軸傳感器測量的列車速度為vta,i,結合上一周期列車速度可得根據(jù)輪軸傳感器計算的本周期列車加速度ata,i為:

(10)

式中:

vtr,i-1——上一周期列車速度,m/s。

第i測速周期雷達傳感器測量的列車速度為vrad,i,結合上一周期列車速度可得根據(jù)雷達傳感器計算的本周期列車加速度為:

(11)

4.2 速度差檢測

4.3 滑行率檢測

由于雷達傳感器測速不受輪對空轉/滑行的影響,因此在雷達傳感器正常工作時,即可認為第i測速周期的列車運行速度vtr,i為vrad,i。第i測速周期列車滑行率λi為:

(12)

設定空轉時滑行率門限值為λslip,lim,滑行時滑行率門限值為λslide,lim,當λslip,lim<λi<λslide,lim時認為列車未發(fā)生空轉/滑行;當λi≤λslip,lim時判定列車發(fā)生空轉;當λi≥λslide,lim時判定列車發(fā)生滑行。

4.4 空轉/滑行判斷

加(減)速度檢測法的檢測靈敏度最高,速度差和滑行率檢測法相對偏低,在空轉/滑行檢測時以加(減)速度檢測法為主,速度差和滑行率檢測法為輔。為了準確判斷是否發(fā)生空轉/滑行,將列車的運動過程細分為6個階段:空轉階段、滑行階段、牽引情況下黏著良好階段、制動情況下黏著良好階段、牽引情況下黏著不確定階段和制動情況下黏著不確定階段[7-8]。

列車每個測速周期T計算得到的速度差為Δvi,加(減)速度差為Δai,滑行率為λi。設定加(減)速度差門限值為alim,速度差門限值為vlim,空轉時滑行率門限值為λslip,lim,滑行時滑行率門限值為λslide,lim。

4.4.1 牽引情況下黏著良好階段

若ata,i>0且3種檢測方法均未檢測出空轉/滑行,判斷條件為:ata,i>0且Δai

4.4.2 制動情況下黏著良好階段

若ata,i<0且3種檢測方法均未檢測出空轉/滑行,判斷條件為:ata,i<0且Δai

4.4.3 牽引情況下黏著不確定階段

若ata,i>0且加(減)速度檢測法未檢測到空轉,而速度差和滑行率檢測法其中之一檢測到空轉,判斷條件為:ata,i>0且Δai

4.4.4 制動情況下黏著不確定階段

若ata,i<0且加(減)速度檢測法未檢測到滑行,而速度差和滑行率檢測法其中之一檢測到滑行,判斷條件為:ata,i<0且Δai

4.4.5 空轉階段

若ata,i>0,且加(減)速度檢測法檢測出空轉或速度差和滑行率檢測法同時檢測出空轉,判斷條件為:ata,i>0且Δai≥alim，或Δvi≥vlim且λi≤λslip,lim。

4.4.6 滑行階段

若ata,i<0,且加(減)速度檢測法檢測出滑行或速度差和滑行率檢測法同時檢測出滑行,判斷條件為:ata,i<0且Δai≥alim，或Δvi≥vlim且λi≥λslide,lim。

在兩種黏著不確定階段,本文采用速度插值積分法[7-8]對列車速度和走行距離誤差進行補償。具體方法為,首先記錄該階段開始和結束時刻的列車速度,然后根據(jù)該階段的持續(xù)時間以及開始和結束時刻的速度值進行線性插值,將相關數(shù)值作為對應時刻的補償速度,最后對補償速度進行積分，計算得出列車走行距離。

5 發(fā)生空轉/滑行時的列車速度和走行距離校正模型

5.1 ATO速度/走行距離校正模型

在列車空轉/滑行過程中,輪軸速度傳感器的測速值已無法正確反映列車的實際運行速度,此時以雷達傳感器的測速值作為本周期車載ATO使用的列車速度,即vATO,i=vrad,i。車載ATO使用的列車走行距離為:

sATO,i=si-1+vrad,i·T

(13)

式中:

si-1——截止上一測速周期的列車走行距離,m;

vrad,i——第i測速周期雷達傳感器測量的列車速度,m/s。

5.2 ATP速度/走行距離校正模型

在發(fā)生空轉/滑行后,由于列車速度計算依據(jù)是雷達傳感器的測量值,因此考慮雷達傳感器的測速誤差來計算車載ATP所需的列車安全速度和走行距離。

根據(jù)分析可知,vrad,i中存在的誤差主要由以下3項組成:

ver,i，R=ver 1,i，R+ver 2,i，R+ver 3,i，R

(14)

式中:

ver,i，R——第i測速周期的雷達測速誤差,m/s;

ver 1,i，R——第i測速周期雷達傳感器固有測量誤差所造成的測速誤差,m/s;

ver 2,i，R——第i測速周期列車振動所造成的雷達測速誤差,m/s;

ver 3,i，R——第i測速周期雷達安裝角度誤差所造成的測速誤差,m/s。

ver 1,i，R具體取值可由雷達傳感器的性能指標得到,本文采用DRS05a型車載雷達,測速精度在車速小于100 km/h時為±0.4 km/h,大于100 km/h時為±0.4%。ver 2,i，R和ver 3,i，R具體取值范圍可通過試驗確定。

根據(jù)vATO,i=vrad,i和式(14)可得車載ATP使用的列車安全速度為:

vATP,i=vATO,i+ver,i，R

(15)

車載ATP使用的列車安全走行距離為:

sATP,i=si-1+vATP,i·T

(16)

6 仿真驗證

在實驗室環(huán)境下搭建了該測速測距仿真系統(tǒng),通過模擬產(chǎn)生列車運行數(shù)據(jù),對本文所建立模型的性能進行驗證。采用輪軸傳感器和雷達傳感器作為速度信號的采集輸入,系統(tǒng)平臺的信號采集周期為100 ms,采集周期誤差±3 ms。仿真系統(tǒng)顯示界面如圖3所示,某上部可以顯示傳感器測速值、列車當前速度和走行距離以及空轉/滑行工況下的列車校正速度和走行距離等參數(shù);下部可以動態(tài)模擬列車運行,列車從應答器1處開始運行,到應答器2處模擬運行結束。

在仿真系統(tǒng)運行過程中,通過對相關參數(shù)的記錄(見表1),可以直觀看出,本文所設計的空轉/滑行檢測及誤差校正模型發(fā)揮了作用,對列車運行過程發(fā)生的空轉/滑行進行了有效檢測，并校正了空轉/滑行造成的列車速度和走行距離誤差。

表1 列車測速測距仿真系統(tǒng)試驗結果

7 結語

本文設計了一種輪軸速度傳感器和雷達速度傳感器相結合的列車測速測距系統(tǒng)。根據(jù)雷達傳感器測速不受輪對空轉/滑行影響的特點,基于該測速測距系統(tǒng),建立了空轉/滑行檢測及誤差校正計算模型。最后通過仿真試驗驗證了本文所建立模型的有效性,提高了列車測速測距的精度和可靠性。由于試驗條件的限制,實驗室環(huán)境下的模擬仿真并不能完全真實地反映列車的實際運行狀態(tài),因此搭建車載試驗環(huán)境以及獲取車載試驗結果是下一步工作的方向。

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Design and Simulation of Train Speed and Distance Measurement System Based on Tachometer and Doppler Radar

TAO Hanqing

A train speed and distance measurement system based on tachometer and Doppler radar is designed. Since the wheel slip/slide will cause errors of tachometer in speed and distance measurement, a slip/slide detection and error correction model based on train speed and distance measurement system is established. The simulation system of this model is built in laboratory environment and the simulation results have verified the validity of the model, which could improve the independent positioning capability of train position system.

train speed and distance measurement; tachometer; radar velocity sensor; slip/slide detection; error correction

U 231.6

10.16037/j.1007-869x.2017.05.014

2016-03-13)