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

列車測速、測距的基本功能是在任何時刻、任何地方都能精確、及時地確定列車的具體速度和位置，包括列車運行安全的相關(guān)間隔、速度等信息。列車測速、測距系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在:地面控制中心根據(jù)列車的位置信息進行間隔控制，保證列車運行的安全間隔;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列車進行控制。因此，列車測速、測距在整個運行控制系統(tǒng)中有著非常重要的作用。

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

1 300T型ATP設(shè)備測速、測距系統(tǒng)組成

列車的測速方式多種多樣，例如輪對轉(zhuǎn)動測速、雷達測速、GPS系統(tǒng)測速、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測速等，其中輪對轉(zhuǎn)動測速和雷達測速是高速鐵路的主流測速技術(shù)。無論采用哪種測速方式，核心目標均是為了提高測量精度和可靠性。

300T型ATP設(shè)備的測速、測距系統(tǒng)包括2個轉(zhuǎn)動測速傳感器、2個雷達測速傳感器、2個SDU設(shè)備和1個SDP設(shè)備，測速、測距系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。無論車載設(shè)備使用哪一系工作，均使用同一套測速系統(tǒng)單元，如果測速系統(tǒng)單元故障，將直接導(dǎo)致車載設(shè)備不能正常工作。

圖1 測速、測距系統(tǒng)組成示意圖

2 測速、測距系統(tǒng)工作原理

CTCS3-300T型ATP設(shè)備測速、測距系統(tǒng)以轉(zhuǎn)動測速傳感器作為參照基準，以雷達作為主要信號源，綜合了轉(zhuǎn)動測速傳感器信號較穩(wěn)定，以及雷達測速不受車輪空轉(zhuǎn)、打滑影響的優(yōu)點。

2.1 轉(zhuǎn)動測速

通過測量車軸的轉(zhuǎn)動速度來獲得列車速度信息，車輪的轉(zhuǎn)速乘以車輪的周長就是列車的直線運動速度。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算列車當前的速度。

CTCS3-300T型ATP設(shè)備轉(zhuǎn)動測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，當齒輪不同的部位經(jīng)過霍爾元件時，霍爾元件將產(chǎn)生不同的霍爾電壓，通過測量霍爾電壓變化的頻率就可以計算出輪軸頻率。

2.2 雷達測速

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

雷達傳感器測速技術(shù)的基本原理是:在列車上安裝多普勒雷達，雷達天線始終向軌面發(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運動，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，通過測量頻移就可以計算出列車的運行速度，進一步計算出列車運行的距離。

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

通過數(shù)學運算及公式的簡化，fd正比于機車速度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。

通過對回波信號進行頻譜分析，求出多普勒頻率fd，從而可以根據(jù)公式(1)，求出機車的速度v:

2.3 300T型ATP設(shè)備測速、測距

1．正常情況下，4個傳感器(2個轉(zhuǎn)動測速傳感器、2個雷達)同時工作，轉(zhuǎn)動測速傳感器用來測量輪軸的轉(zhuǎn)速，雷達用來測量列車的直線運動速度，4個傳感器均輸出脈沖信號。

2．2個SDU設(shè)備是完全相同的，每個SDU設(shè)備分別連接了1個轉(zhuǎn)動測速傳感器和1個雷達測速傳感器。SDU設(shè)備負責將測速傳感器送來的脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。

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

4．SDP負責速度、距離的計算處理，分別計算出4個傳感器測量的速度信息(帶有置信區(qū)間)，每個速度信息包含了標稱值Vnom、最大值Vmax和最小速度Vmin。

5．CTCS3-300T的測速、測距系統(tǒng)工作時，首先判定各傳感器有效性，采用有效的傳感器進行計算;然后對速度信息進行融合，選用有效傳感器(雷達+速傳)中的標稱速度最大值，作為系統(tǒng)標稱速度。

3 速度跳變統(tǒng)計及原因分析

石家莊電務(wù)段對300T型ATP設(shè)備速度跳變問題進行了統(tǒng)計分析，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)計了8組動車，另外沒有統(tǒng)計在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)計表

轉(zhuǎn)動測速采用霍爾傳感器計數(shù)方式，相對穩(wěn)定;而雷達測速采用多普勒效應(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引起，具體原因分析如下。

1．雷達硬件故障。300T型ATP的測速、測距系統(tǒng)共有4路信號輸入(2路轉(zhuǎn)速傳感器，2路測速雷達)，系統(tǒng)工作時首先判定并采用有效的傳感器速度信息進行計算，然后通過對速度信息進行融合，計算出ATP系統(tǒng)的顯示速度。如果雷達本身徹底故障，不再進行信號輸出，ATP測速、測距系統(tǒng)就不會采用該信號進行速度信息融合計算，所以不會對ATP系統(tǒng)的速度造成影響，也不會造成速度抖動。但是，雷達故障后是通過自身檢測系統(tǒng)來判斷能否夠恢復(fù)工作，如果此時ATP測速、測距系統(tǒng)認為該雷達輸出信號有效，并將其采用進行融合計算，而雷達測速信號在恢復(fù)過程中輸出不穩(wěn)定，這時就很容易造成ATP系統(tǒng)的速度抖動。

例如某一次數(shù)據(jù)記錄顯示，該車雷達2存在長達6'55″無有效輸出，而且恢復(fù)時，雷達2測速比轉(zhuǎn)速計測速偏高達208 cm/s(7.5 km/h)，比雷達1測速高達96 cm/s(3.6 km/h)。通過該車的測速、測距數(shù)據(jù)記錄可以看出，雷達故障后存在輸出時有時無、輸出數(shù)值偏高等現(xiàn)象，對ATP測速、測距系統(tǒng)融合計算造成影響，導(dǎo)致ATP系統(tǒng)速度跳變。

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

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

2)振動誤差。列車在運行過程中不可避免地產(chǎn)生振動，長時間的振動會造成雷達松動，從而引起更大的角度偏差。另外，振動產(chǎn)生的分量，對雷達測速精度也產(chǎn)生一定的影響。

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

4 預(yù)防措施及建議

針對上述導(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，減少對行車的影響。

1．針對雷達硬件故障，加強對300T型ATP設(shè)備數(shù)據(jù)的分析，對司機反饋或記錄測速雷達故障的信息進行重點確認，如發(fā)現(xiàn)雷達長時間沒有輸出，則應(yīng)更換雷達。

2．根據(jù)雷達角度誤差產(chǎn)生的原因，從2個方面對角度誤差進行改善。

1)提高安裝精度，加強狀態(tài)檢查。雷達安裝時，通過提高測量基準面精度和測量工具精度，提高雷達的安裝精度;定期對雷達安裝狀態(tài)進行檢查，對雷達安裝角度進行測量。但是，雷達天線安裝在動車組車底，受作業(yè)環(huán)境的限制，總會存在安裝誤差問題。

2)通過技術(shù)、算法改進，減少角度誤差對測速產(chǎn)生的影響。采用前后2個雷達的結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低安裝角度誤差帶來的測速、測距影響。

具體做法是將2個天線固定在結(jié)構(gòu)堅固、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副天線測得的速度進行融合，可以得到較為精確的真實速度估算值，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測速帶來的影響，對振動誤差也有一定的改善。

3．對于雷達天線表面不清潔問題，應(yīng)加強二方面工作。

1)加強雷達表面清潔工作，遇冰雪天氣時，對雷達表面進行打蠟，減少結(jié)冰現(xiàn)象;

2)對300T型ATP設(shè)備測速、測距融合算法進行優(yōu)化，通過最優(yōu)信息融合估計法，重點對雷達工作不穩(wěn)定情況進行優(yōu)化，減少對系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

4．加強雷達參數(shù)標定。根據(jù)目前300T型ATP設(shè)備測速、測距工作原理，以轉(zhuǎn)動測速傳感器作為參照基準，在更換雷達后或者雷達測速誤差總是偏大等情況下，及時進行雷達參數(shù)標定，使雷達測速與轉(zhuǎn)動測速傳感器相匹配，減少速度跳變幅值。

5 結(jié)束語

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

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