城布轨道交通列车测速系统及算法比较研究

纂墨蕾期；褥；疯ｌ溅慧碱市饥遵立通列季州违系饶厦算法比艘研宓赵晓峰（上海富欣智能交通控制有限公司，２０１２０３，上海∥高级工程师）

摘要城市轨道交通列车测速系统通常采用多传感器融合方式实现。综合分析了各种速度采集设备的原理、功能、性能及接口，对比了主流测速系统的配置方案、安装布置及系统结构。不同测速算法的设计思路不同：车辆参数法是在车辆防滑控制研究的基础上，提炼出信号系统判定车轮打滑的经验参数；实时检测法则是基于信号系统自身的速度采集设备判定车轮打滑，更加准确、贴近现场实际工况。关键词城市轨道交通；光脉冲发生器；加速度计；列车测速系统；测速算法中图分类号Ｕ２８４．４８＋１ＤＯＩ：１０．１６０３７／ｊ．１００７—８６９ｘ．２０１５．１１．０１７

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城市轨道交通信号系统的列车测速功能是安全关键功能，列车测速的准度和精度直接关系到列车自动防护系统的安全性，这在移动闭塞制式的ＣＢＴＣ（基于通信的列车控制）信号系统中表现得尤为突出。列车测速系统，作为信号系统车载子系统的重要组成部分，由速度采集设备、接口单元和主处理单元组成。其中，速度采集设备主要是各种类型的传感器，提供列车动力学信息的感知能力；接口单元负责与速度采集设备接口，进行原始数据处理；主处理单元负责运行整个测速算法，计算列车的实际速度，检测车轮打滑，并在一定条件下进行补偿。１速度采集设备常用列车速度采集设备有车轮脉冲发生器（ＷｈｅｅｌＩｍｐｕｌｓｅＧｅｎｅｒａｔｏｒｓ，简为ＷＩＧ）、光脉冲发生器（ＯｐｔｉｃａｌＰｕｌｓｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ，简为ＯＰＧ）、霍尔效应传感器（Ｈａｌｌ—ＥｆｆｅｃｔＳｅｎｓｏｒ，简为ＨＥＳ）、多普勒雷达传感器（ＤｏｐｐｌｅｒＲａｄａｒＳｅｎｓｏｒ，简为ＤＲＳ）、加速度计（Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，简为ＡＣＣ）、全球导航卫星系统（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅｓＳｙｓｔｅｍ，简为ＧＮＳＳ）。ＷＩＧ又称测速电机，属于无源接触式传感器，是城市轨道交通领域应用最早的速度采集设备，早在基于音频轨道电路的ＡＴＣ（列车自动控制）系统时代就已经是车载信号系统的必配测速设备。ＷＩＧ安装在车轴轴端，不需要外接电源，当车轮转动时，联动杆带动内部转子切割磁力线，通过电磁感应产生电动势，感应电动势的频率与车轮转速成正比，经过频率一电压变换后，把转速变换为电压，通过测量电压的幅度得到列车实际速度。ＷＩＧ只在２０００年以前开通线路的列车上有所应用，新建线路已不再使用。ＯＰＧ属于有源接触式传感器，是目前应用最广泛的速度采集设备，主要由光电模块、光栅盘、传动轴等组成，常用类型是红外反射式。ＯＰＧ也是安装在车轴轴端，当车轮转动时，通过传动轴带动内部光栅盘旋转。光栅盘外边缘有２圈过孔，每圈过孔可・８３・

万方数据以达到２００个，并且可以通过控制过孔的长短来进行编码，因此有些信号厂商也称ＯＰＧ为编码里程计。ＯＰＧ工作时需要外接直流电源驱动内部红外发光二极管产生发射光，透过光栅盘过孑Ｌ后在底面反射，然后由光敏管接收，转换为方波电压脉冲输出至信号主机。ＯＰＧ输出信号可以达到６路。由于存在机械转动磨损、光栅遮挡丢脉冲等现象，ＯＰＧ只能用于时速低于１４０ｋｍ的列车＿］。使用ＯＰＧ的信号厂商有阿尔斯通、卡斯柯、西门子、安萨尔多、北京交控。ＨＥＳ属于有源非接触式传感器，与光脉冲发生器相比，体积更小、质量更轻，但是安装较为复杂，需要单独制造配套的测速齿轮和轴盖。测速齿轮属于机械件，安装在车轴轴端。轴盖是罩在齿轮外面，固定在转向架上。传感器安装在轴盖一侧的边缘，与齿轮保持１ｍｍ左右的间距。ＨＥＳ工作时需要外接直流电源。当列车运动时，测速齿轮与车轮一起转动，传感器利用霍尔效应检测到锯齿，并将其转换为电流信号输出至信号主机。ＨＥＳ输出信号一般只有２路。由于具备良好的防尘、防油、防脉冲丢失等特性，ＨＥＳ不仅在城市轨道交通领域有应用，而且特别适合时速高于１８（１ｋｍ的城际铁路列车［２］。ＤＲＳ是近几年引入的辅助检测车轮打滑的新型速度采集设备，主要由ＤＳＰ（数字处理器）、检波整形器、混频器、高频振荡器、电磁波网络器、天线等组成。ＤＲＳ安装在车下空间的车厢底部，天线朝向列车正向运行的方向。ＤＲＳ工作时需要外接直流电源。当列车运行时，高频振荡器产生的２４ＧＨｚ微波信号，大部分通过天线向外发射，小部分耦合到混频器中作为本振信号。发射信号经轨面反射后，再通过天线接收回到混频器，混频的结果是两个频率的差值，即多普勒频移，该频移正比于列车的运动速度；最后由ＤＳＰ数字系统处理后通过串口发送至信号主机。微波信号的发射和接收回路通常为２路。ＤＲＳ测速精度高，范围广，可以达到０．２～６０（）ｋｍ／ｈ。ＡＣＣ也是一种辅助检测车轮打滑的设备，主要由悬臂质量块、力矩马达、非接触位移传感器等组成，常用类型是力平衡伺服倾角式。ＡＣＣ安装在车内空间信号主机柜底部，工作时需要外接直流电源。悬臂质量块与力矩马达的电枢连接．初始处于平衡状态，当列车运动时，悬臂质量块离开原来的平衡位置，非接触位移传感器检测到该变化后，一方面激活・８４・２０１５年力矩马达的线圈，产生一个反作用力，从而使悬臂质量块与力矩马达达到新的平衡；另一方面ｇ杉＇ｔ－输出电压信号至信号主机。ＡＣＣ输出信号只有１路。ＧＮＳＳ是一种以卫星为基础的无线电导航系统，列车通过连续接收卫星发送的唯一编码序列，计算当前三维位置（经度、纬度和高度）、速度、方向和时间信息。ＧＮＳＳ主要应用于现代有轨电车信号系统的列车定位追踪，其实时测量的列车速度并未用于列车自动防护功能，而只是作为运营调度的参考数据。

２列车测速系统配置绝大多数情况下，列车；！贝０速系统的接口单元和主处理单元，即信号系统车载主机，在每列车的两端Ａ１和Ａ２各配置１套。每套车载信号主机均采用３取２架构，两端设备通过网络连接，并能够互为热备。个别信号厂商采用２取２架构，两端设备连接起来形成２乘２取２结构。列车测速系统通常采用多传感器融合方式实现，在保证列车运行安全性和可用性的前提下，配置不同类型和数量的速度采集设备［３］。表１汇总了城市轨道交通领域主流信号厂商的列车测速系统配置方案。按实现方式来划分，列车测速系统包括单端系统和双端系统。单端系统是指车载信号主机仅使用本端的速度采集设备即可实现测速功能的系统；双端系统是指车载信号主机需要使用本端和另一端的速度采集设备才可实现完整测速功能的系统。在双端系统中，另一端的速度信息

是通过车载信号主机之间的车载网络传输。

表１列车测速系统配置表

速度采集设备的安装位置见图１（从车顶向下看），图中所示速度计可以是ＯＰＧ或ＨＥＳ。单端系统的２个速度计安装在一端车头的制动轴，且在车辆的两侧；双端啄统的２个速度计分别安装在两端车头的制动轴，并且在列车的两侧。其他设备在Ａ２端的安装方式与图１相同。

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㈦Ｉ逑眨永氍设ｆ；午安二技小：，没Ｉｑ图２描绘了３取２的车载信号主机与速度采集设备的连接关系。图２中所示速度计可以是ＯＰＧ或ＨＥＳ。每一个速度计在连到接口单元后，都需要分成３路信号分别进入接口处理器１、２、３。雷达传感器的ＲＳ一４８５接口支持一主多从模式，因此也可以分为３路信号进入接口处理器。加速度计通常采用一对一的接法。

加加速速

度度计计

３列车测速算法列车测速算法。主要实现从速度采集设备输入车载信号主机，到向列车自动防护功能提供可信速度和距离信息的功能，包括原始运动信。Ｂ，Ｎ量、零速检测与防护，以及车轮打滑判定与补偿。３．１原始速度测量ＯＰＧ的光栅盘有２圈过孑Ｌ：时钟脉冲孔和编码瓣窕，嘏嫱孑Ｌ，其中时钟脉冲孔有１（）（）孔或２００孔，编码孔通常为１００孔。ＯＰＧ的光电传感器有５个（Ｃ１一Ｃ５）。Ｃｌ、Ｃ２和Ｃ３用于扫描时钟脉冲孔，一方面可以检测出孑Ｌ数，进而计算出车轮实际速度；另一方面，根据其不同相位，可以判定车轮实际方向。Ｃ４用于扫描编码孔，编码孔长短不一，车轮旋转１周构成１个假随机序列，即编码，不同车轮旋转方向对应不同的编码。Ｃ５的描述见３．２节。ＯＰＧ计算车轮实际速度的公式如下：Ｖ—ｒｃ一高式中：Ｖｍｅａ。。——车轮实际线速度；ｄ—～车轮直径；Ｎ——车轮旋转１周，光电传感器产生的脉冲数；Ｗ．ｐ——脉冲宽度，ｍｓ。ＯＰＧ判定车轮实际方向的方法如下：前进方向——Ｃ１信号从低电平转高电平时，ｃ２信号为低电平，Ｃ３信号为高电平；后退方向——ｃ１信号从高电平转低电平时，Ｃ２信号为高电平，Ｃ３信号为低电平。仅当Ｃ４的编码通过校验，ＯＰＧ的原始速度测量才会被车载信号主机认为有效。与ＨＥＳ配套的测速齿轮有１００齿、１１０齿和１２０齿。ＨＥＳ的霍尔效应传感器有２个（ＳＩ和Ｓ２），一方面可以检测出齿轮数，另一方面则可以判定车轮实际方向。ＨＥＳ计算车轮实际速度的公式与ＯＰＧ类似。ＨＥＳ判定车轮实际方向的方法如下：前进方向——ｓ１信号比Ｓ２信号快９（）。相位；后退方向——Ｓ２信号比Ｓ１信号快９（）。相位。ＤＲＳ本身便可以完成原始速度测量．与车载信号主机采用ＲＳ一４８５串口通信，传输速率为１９２（）（）Ｂａｕｄ。根据用户的需求，可以提供速度、距离、方向以及加速度。ＡＣＣ向车载信号主机提供加速度的正负和大小。ＡＣＣ通常采用的比例因子是±５Ｖ／ｇ，测量范