城市軌道交通信號系統(tǒng)的典型測速定位方案比較

宋劍偉

(深圳地鐵建設(shè)集團公司，518035，深圳 ∥ 高級工程師)

從基于輪軌式測速定位的城市軌道交通項目來看，大多數(shù)測速定位系統(tǒng)都是采用“輪軸速度傳感器+非輪軸速度傳感器+應(yīng)答器”的多傳感器配置方案[1,5]。其中：輪軸速度傳感器基于輪軸技術(shù)，通常作為主要測速定位裝置；非輪軸速度傳感器主要用來處理空轉(zhuǎn)或打滑時列車的測速定位問題；應(yīng)答器一般用于列車定位初始化，并對列車進行重定位，用來減小列車的累積定位誤差。然而，由于受各種傳感器固有特性及測速定位方法等因素的制約，目前國內(nèi)外常用的列車組合測速定位方案都有各自特點和不足[1,5]。為滿足城市軌道交通信號系統(tǒng)測速定位功能高精度、高安全可靠性、低成本、易部署的要求，有必要從測量精度、成本、系統(tǒng)可靠性、設(shè)備安裝及安全性評估等方面對各測速定位方案進行詳細比較，從而得到具有發(fā)展優(yōu)勢的測速定位方案。

1 城市軌道交通典型測速定位方法

列車常用的測速方法可分為輪軸測速法和非輪軸測速法[2]。運用發(fā)電機原理的測速發(fā)電機及運用光電變換的脈沖速度傳感器，均采用輪軸測速法。利用多普勒效應(yīng)的測速雷達、加速度計、交叉感應(yīng)回線、計數(shù)軌枕、長定子齒槽檢測等[3]，均采用非輪軸測速法。目前，大多數(shù)城市軌道交通項目是基于輪軌式的系統(tǒng)，故本文以輪軸速度傳感器、多普勒雷達、加速度計為主要對象，從測量原理、誤差影響因素、失效模式及傳感器復(fù)雜度等方面對測速定位方案進行深入分析。

1.1 輪軸速度傳感器

常用的輪軸測速傳感器為運用發(fā)電機原理的測速發(fā)電機、運用光電變換的脈沖速度傳感器。

當(dāng)測速發(fā)電機與輪軸聯(lián)接時，利用發(fā)電機所產(chǎn)生的電壓頻率與列車速度成正比,有：

v=πDfd/Z

(1)

式中：

v——列車速度；

Z——發(fā)電機極數(shù)；

D——車輪直徑；

fd——發(fā)電機產(chǎn)生的頻率。

經(jīng)過頻率-電壓變換，把v轉(zhuǎn)換為電壓，輸出電壓和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。當(dāng)改變車輪旋轉(zhuǎn)方向時，輸出電壓的極性將發(fā)生相應(yīng)改變。

對于脈沖速度傳感器，車輪每轉(zhuǎn)1周，其發(fā)生器就會輸出一定數(shù)量的脈沖或方波信號。脈沖或方波的頻率與列車速度成正比：

v=πDfm/N

(2)

式中：

N——車輪旋轉(zhuǎn)1周所計脈沖數(shù)；

fm——輸出脈沖的頻率。

受自身測量精度及機械安裝等因素的影響，輪軸測速傳感器的測量結(jié)果會有一定的誤差。這類誤差一般比較小。

輪軸測速傳感器的主要誤差是由車輪的空轉(zhuǎn)打滑和輪徑磨損造成的誤差。這類誤差通常較大。

對于輪軌制式軌道交通，當(dāng)車輪和鋼軌之間的摩擦力不足時，就會發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)或打滑的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致實際測量的車輪速度與列車速度存在差異。這就是車輪空轉(zhuǎn)打滑造成的誤差。

列車在長期運行后，其測速輪徑因磨損而不斷減小，故用名義輪徑計算出來的列車速度也與列車實際速度存在一定的誤差。這就是輪徑磨損造成的誤差。這類誤差累積后會影響列車定位的精度。通過及時自動校準(zhǔn)輪徑的方法，可減少這類誤差。

輪軸測速法的技術(shù)比較成熟，其測速傳感器為通用的機電結(jié)構(gòu)，測量方式簡單，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠。但輪軸測速法由車輪空轉(zhuǎn)打滑造成的誤差比較大，尤其是在列車高速運行時，一次滑行造成的列車定位誤差能達10 m以上，進而使列車速度的測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

1.2 多普勒雷達

多普勒雷達是利用多普勒效應(yīng)來測量列車運行速度的方法。當(dāng)發(fā)射源(或接收者)相對介質(zhì)運動時，接收者接收到的電磁波的頻率和發(fā)射源的頻率不同，這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射源與接收者相向運動時，波被壓縮，波長變短，頻率變高；當(dāng)二者相背運動時，效應(yīng)相反。

多普勒雷達安裝在列車底部，其始終向軌面發(fā)射電磁波，且發(fā)射角為α，如圖1所示。

當(dāng)列車速度為v時，雷達以速度v平行于反射面(軌道)運動，則雷達的發(fā)射波與接收波之間的頻移fr為[4]：

(3)

式中：

F——雷達的工作頻率；

c——光速；

f1——反射面接收到的波頻率；

f2——雷達接收到的波頻率；

α1——雷達電磁波的發(fā)射角；

α2——雷達電磁波的入射角。

圖1 多普勒雷達工作原理

由于v?c，α1≈α2≈α，故fr與v沿發(fā)射方向的分量大小成正比，進而可以計算出列車運行的速度。如果列車為前進狀態(tài)，則反射的信號頻率高于發(fā)射信號頻率；反之，則低于發(fā)射信號頻率。由此可確定列車的運動方向。

多普勒雷達測速方法屬于非輪軸測速法，能有效克服空轉(zhuǎn)和打滑等因素造成的誤差，其技術(shù)也越來越成熟。但多普勒雷達易受雨雪天氣、軌道積雪結(jié)冰及軌道反射面變化等外部環(huán)境條件的影響,且軌道不平整引起的振動及安裝誤差也會引起測量誤差。多普勒雷達在列車低速運行(v≤5 km/h)時，多普勒效應(yīng)不明顯，誤差會比較大。此外，多普勒雷達內(nèi)部軟硬件相對比較復(fù)雜，其傳感器失效模式及故障分析難度較大。

1.3 加速度計

城市軌道交通信號系統(tǒng)常用的加速度計是基于力平衡伺服原理的加速度傳感器。當(dāng)列車在運動方向上存在加速度時，加速度計的內(nèi)部質(zhì)量平衡塊產(chǎn)生位移；將位移量用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出，即可獲得列車的加速度值。加速度計通常安裝在車載機柜下方的車體上。應(yīng)用加速度計可直接測量出車體的加速度，通過周期性測量列車的加速度，再根據(jù)以前累積下來的列車速度矢量和位置，即可計算前一段時間的列車總位移和當(dāng)前速度：

vk=vk-1+aTc

(4)

sk=sk-1+vkTc

(5)

式中：

a——列車當(dāng)前加速度；

vk——列車在第k周期的運行速度；

sk——列車在第k周期的累計位移；

Tc——測速定位算法的處理周期。

加速度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，能直接測量列車車體的加速度信息，在短時間內(nèi)具有較高的測量精度，可用于檢測輪軸速度傳感器的空轉(zhuǎn)打滑狀態(tài)。但加速度計測量結(jié)果受線路補償坡度誤差、加速度計安裝誤差、信號采集誤差及測速算法誤差等因素的影響[5]，會存在加速度測量誤差。由于列車的速度和位移總在累加，故長時間誤差累積后，加速度計的誤差會變大。

2 組合測速定位方案

由于每一種測速傳感器都有其固有的缺點，因此，單一的傳感器無法完全滿足城市軌道交通信號系統(tǒng)測速定位對安全性、精確性、實時性及應(yīng)用環(huán)境的要求。采用速度傳感器與多普勒雷達組合，或速度傳感器與加速度計組合等多種定位技術(shù)組合，能通過融合多種信息方式來進行冗余互補。這樣，一方面可以完成對速度的精確測量，另一方面可以檢測列車車輪的空轉(zhuǎn)打滑。利用輪軸速度傳感器、多普勒雷達或加速度計能測量出列車的速度或加速度信息，進而根據(jù)時間計算出列車的位移，從而獲得列車的相對定位信息。但定位誤差會隨著時間積累，必須每隔一定距離對列車定位進行修正。因此，城市軌道交通測速定位方案除了配置測速裝置，還需配置應(yīng)答器等絕對定位裝置。

目前，城市軌道交通信號系統(tǒng)典型的組合測速定位方案主要有速度傳感器+多普勒雷達+應(yīng)答器、速度傳感器+加速度計+應(yīng)答器、編碼里程計+應(yīng)答器及速度傳感器+應(yīng)答器等幾種。

2.1 方案一

方案一為速度傳感器+多普勒雷達+應(yīng)答器方案。在列車每端的不同車軸上安裝2個獨立的速度傳感器，以測量列車車輪的速度并進行相互校驗；在列車每端分別安裝1個多普勒雷達,與速度傳感器完成冗余的列車速度和走行距離計算及驗證；列車每端各設(shè)置1個應(yīng)答器天線，用來接收地面應(yīng)答器發(fā)送的報文，用于列車絕對定位計算。速度傳感器為主用速度測量設(shè)備。多普勒雷達作為輔助測速設(shè)備，主要用來檢測列車空轉(zhuǎn)和打滑，并進行測速誤差修正，從而獲得比較精確的速度及位置信息。

該測速定位方案技術(shù)比較成熟，工程項目應(yīng)用比較廣泛，線路上布置的應(yīng)答器也相對較少。方案一主要存在以下問題：①測量結(jié)果受環(huán)境影響比較大，惡劣天氣氣候下會引起多普勒雷達的誤差變大，甚至不可用；②多普勒雷達的相對價格較高，增加了整個車載系統(tǒng)的成本；③多普勒雷達的安裝較復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的實施及維護工作量；④多普勒雷達內(nèi)部軟硬件比較復(fù)雜，增加了車載測速算法安全評估的復(fù)雜性。

2.2 方案二

方案二為速度傳感器+加速度計+應(yīng)答器方案。在列車每端的不同車軸上安裝2個獨立的速度傳感器，以測量列車車輪的速度并進行相互校驗;在列車每端安裝2～3個加速度計，用來測量列車的加速度信息,比較多個加速度計的測量結(jié)果，以確認輸出的有效性，提供高可用性；在列車每端各安裝1個應(yīng)答器天線，用于列車絕對定位。在列車正常運行時，如沒有發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)打滑，則車載控制器利用速度傳感器的信息來計算列車的速度；如出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)打滑，則車載控制器根據(jù)空轉(zhuǎn)滑行開始前的列車速度，利用加速度計進行補償，來計算當(dāng)前的列車速度和位置，待空轉(zhuǎn)打滑結(jié)束后，再將速度和位移的測量切換回速度傳感器。

該測速定位方案技術(shù)比較成熟。加速度計結(jié)構(gòu)相對簡單，易于安裝，成本也相對較低，能提供比較精確的速度及位置信息，工程項目應(yīng)用比較廣泛。方案二主要存在以下問題：①加速度計在軌道不平整、列車過道岔或過曲線時，測量誤差及噪聲比較大，會引起測速系統(tǒng)誤判斷；②由于受線路補償坡度誤差、加速度計安裝誤差及信號采集誤差等因素的影響，測速算法相對比較復(fù)雜；③加速度計雖價格低于多普勒雷達，但也增加了成本。

2.3 方案三

方案三為編碼里程計+應(yīng)答器方案。在列車頭尾各安裝1個獨立的編碼里程計，用于測量列車車輪的速度；在列車頭尾各安裝1個應(yīng)答器天線，用于列車絕對定位。該測速方案一端僅需安裝1個編碼里程計。在編碼里程計內(nèi)部，外圈布置3個通道的傳感器，用來測量速度及運行方向確認，內(nèi)圈傳感器用于齒數(shù)編碼。通過比較內(nèi)外圈測量結(jié)果的一致性，可安全地計算列車的速度。如果1個齒損壞或未被任何傳感器檢測到，則所計量的齒數(shù)將無法與車輪的位置編碼相對應(yīng)，所測得的速度無效，從而實現(xiàn)安全速度測量。

編碼里程計+應(yīng)答器測速定位方案已在上海、北京、廣州、深圳、鄭州及成都等多個城市軌道交通項目中廣泛應(yīng)用，技術(shù)較成熟，其測速定位設(shè)備較簡單，成本比較低。方案三主要存在以下問題：①方案采用了單一的測速設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)/打滑時，補償誤差會比較大；如果通過在線路上布置較多的應(yīng)答器來減少定位誤差，則會增加應(yīng)答器的成本；②方案采用了偏保守的處理方式，在氣候潮濕的室外線路易受車輪空轉(zhuǎn)打滑的影響。

2.4 方案四

方案四為速度傳感器+應(yīng)答器方案。在列車每端各安裝2個速度傳感器和1個應(yīng)答器天線，對每端的2個速度測值進行比較及相互診斷，以確認速度測量值的有效性，當(dāng)列車出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)打滑時，根據(jù)2個速度傳感器的測量值進行補償，以保證列車測速的安全可信；線路上每隔一定距離布置應(yīng)答器，以減少列車累積的定位誤差。

該定位方案已在基于軌道電路的固定閉塞及準(zhǔn)移動閉塞的系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，技術(shù)比較成熟，其測速定位設(shè)備較簡單。方案四主要存在以下問題：①方案僅使用了輪軸速度傳感器，當(dāng)出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)打滑時，需進行較大誤差補償，從而影響了定位系統(tǒng)的追蹤性能。②方案的速度及位置信息計算精確性一般，為獲得較高的測速定位精度，需要在線路上布置較多的應(yīng)答器加以誤差修正，增加了應(yīng)答器成本。

2.5 方案對比

表1為4種測速定位方案的對比。在測量精度方面：方案一和方案二使用了雷達或加速度計進行空轉(zhuǎn)打滑的補償，其測速誤差通?？梢钥刂圃?%左右；方案三和方案四未設(shè)置專門的非輪軸傳感器來檢測車輪空轉(zhuǎn)打滑，故需要進行相應(yīng)的補償，其測速誤差最大可達15%。在成本方面：方案一的多普勒雷達費用約為幾萬元，成本最高；方案三僅使用單個編碼里程計，成本最低。在可靠性方面：方案一的雷達易受雨雪等環(huán)境的影響；方案三的單一編碼里程計一旦發(fā)生故障，將會導(dǎo)致測速不可用；方案二和方案四的可靠性比較高。在設(shè)備安裝方面：方案一的雷達安裝在車底，安裝難度大、要求高；方案三和方案四設(shè)備少，易安裝。在安全性評估方面：方案一的雷達內(nèi)部結(jié)構(gòu)及算法比較復(fù)雜，安全分析存在難度，而速度傳感器和加速度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單；方案四的傳感器配置有利于安全評估。

每種測速定位方案有各自的優(yōu)勢和不足。從綜合評估結(jié)果來看，方案二更具有發(fā)展優(yōu)勢。

表1 各種測速定位方案對比

3 結(jié)語

本文對適用于城市軌道交通信號系統(tǒng)測速的常用傳感器，從測量原理、誤差影響因素、失效模式及傳感器復(fù)雜度等方面進行了深入分析。每種傳感器都有其固有的優(yōu)勢和不足，需要進行多種傳感器組合。對速度傳感器+多普勒雷達+應(yīng)答器、速度傳感器+加速度計+應(yīng)答器、編碼里程計+應(yīng)答器、速度傳感器+應(yīng)答器這4種城市軌道交通信號系統(tǒng)典型的測速定位方案，從測量精度、成本、系統(tǒng)可靠性、設(shè)備安裝、安全性評估方面進行了分析比較，結(jié)果表明，速度傳感器+加速度計+應(yīng)答器方案更符合城市軌道交通信號系統(tǒng)對測量精度、成本、可靠性、設(shè)備安裝及安全性評估等方面的要求。