庹興兵

(西南交通大學信息科學與技術學院,成都 611756)

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，列車運行速度不斷提高，因此對鐵路運營的安全性提出了更高的要求。實時準確監(jiān)控列車運行速度和走行距離是列車運行自動控制中至關重要的內容[1]，速度傳感器和雷達，以及脈沖接收單元SDU、速度距離處理單元SDP是實現(xiàn)測速測距功能的關鍵設備，測速測距設備工作狀態(tài)的穩(wěn)定性直接關系到鐵路運營的安全和效率。在實際運營過程中，由于現(xiàn)實環(huán)境的復雜性，測速測距設備時常發(fā)生故障，給鐵路運營帶來極其不利的影響。

發(fā)生測速測距故障的原因較復雜，主要是由于速度傳感器出現(xiàn)故障或受到干擾，或者雷達錯誤，以及脈沖接收單元SDU故障引起。測速測距系統(tǒng)中任何一個設備問題都會引起系統(tǒng)測速測距功能故障，且故障現(xiàn)象比較相似，很難判斷是哪一個設備故障。鐵路運營中出現(xiàn)這類故障時，工作人員主要通過日志記錄初步判定故障源，然后對設備進行后期跟蹤觀察或直接更換，需要工作人員有一定處理經驗。若處理不當，對于干擾性故障，盲目更換設備會增加不必要的工作量，而對一些故障設備更換不及時，會導致故障重復發(fā)生，影響運營。針對實際運營中遇到的常見測速測距故障，結合相關設備的工作原理和系統(tǒng)結構，分析故障成因并提出合理有效的解決措施，有助于準確定位故障源并減少該類故障，提高鐵路運營效率。

1 測速測距系統(tǒng)的組成

測速測距系統(tǒng)由速度傳感器、多普勒雷達、脈沖接收單元SDU，以及數(shù)據(jù)處理單元SDP組成，具體組成結構如圖1所示。

圖1 測速測距系統(tǒng)結構

系統(tǒng)中包含2個SDU單元，這2個單元并非冗余關系，而是同時工作。每個SDU單元分別與1個速度傳感器和1個多普勒雷達連接。其中雷達信號中只有速度和距離信息，不包含列車的運行方向信息，而速度傳感器信號中同時包括速度距離信息和方向信息。

速度傳感器和雷達將采集到的原始車輛速度信息以脈沖方波信號的形式傳給SDU模塊，SDU將脈沖信息作初步處理后傳給SDP模塊，SDP取4個傳感器中最高值作為列車的運行速度輸出給ATP系統(tǒng)，ATP根據(jù)車輛的當前速度信息及行車速度曲線來實時監(jiān)控車輛運行速度和距離，保證列車安全運行。

2 測速測距設備工作原理

了解系統(tǒng)中相應設備的工作原理將有助于識別不同的故障，才能更有針對性地處理相關故障，下面對容易發(fā)生故障的設備進行研究。

2.1 速度傳感器

速度傳感器是ATP系統(tǒng)監(jiān)控列車運行速度的重要方式之一，它是根據(jù)霍爾效應制作成的一種磁場傳感器。霍爾效應是指在半導體薄片兩端通以電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓[2-4]?；魻栃鐖D2所示。

圖2 霍爾效應

速度傳感器安裝在列車輪軸上，感應面正對安裝在輪軸上的測速齒輪，當測速齒輪旋轉時，齒輪將切割磁感線，產生規(guī)律性電壓，即脈沖方波信號。傳感器能檢測輪軸的轉速、線速度、加速度和車輛運行方向。速度傳感器與被測齒輪無接觸、無磨損，溫度適應性和抗振性都比較強[5]。

2.2 多普勒雷達

多普勒雷達利用多普勒效應實現(xiàn)測速、測距(圖3)。當列車運行時，多普勒雷達向地面發(fā)射一固定頻率的脈沖波，回波頻率與發(fā)射波頻率會出現(xiàn)頻率差，頻率差的大小與列車運行速度V成正比，與振動頻率成反比；根據(jù)頻率差，可測出列車的運行速度，根據(jù)發(fā)射波和接收回波的時間差，可以計算出列車運行的距離[6-8]。多普勒雷達具有識別目標能力強、抗干擾能力強等特點。雷達安裝在車底，對安裝角度有較高要求。

圖3 多普勒雷達

2.3 脈沖采集單元SDU(圖4)

當系統(tǒng)運行時，脈沖采集單元SDU為速度傳感器和多普勒雷達提供工作電源，同時SDU模塊接收速度傳感器和多普勒雷達發(fā)出的采集信號。SDU向系統(tǒng)提供運動信息，通過3個不同的通道R，S和T獲取脈沖發(fā)生器信息，系統(tǒng)啟動后SDU對每個通道接收到的脈沖計數(shù)，利用脈沖數(shù)據(jù)計算速度和距離在ATP系統(tǒng)其他單元進行，而不是在SDU單元，它將脈沖信號轉換成數(shù)字信息通過MVB總線發(fā)送給速度距離處理模塊SDP進行處理。除了脈沖計數(shù)之外，SDU通過分析由同1個脈沖發(fā)生器的2個通道分別產生的不同脈沖相位來計算相關的運行方向。

圖4 SDU單元結構

CPU板包括1個處理器和1個向整個SDU和MVB接口供電的DC/DC轉換器。SDUE板包括各種邏輯電路(可編程邏輯電路1和可編程邏輯電路2)，這些邏輯電路從3個獨立電信號R、S和T通道采集脈沖數(shù)據(jù)。

3 測速測距相關故障及解決措施

測速測距系統(tǒng)中任一部分工作異常都會引起測速測距功能故障，有的故障可自行恢復，不影響運營，而有的故障無法恢復或重復發(fā)生。在列控測速測距系統(tǒng)中，出現(xiàn)故障較多的設備是速度傳感器、雷達和SDU單元，而SDP模塊很少出現(xiàn)錯誤。根據(jù)現(xiàn)場常見的故障情況，測速測距故障主要分為以下幾大類。

(1)ODO(Odometer)無服務：該故障常發(fā)生在過分相區(qū)或列車升降弓時，由于速度傳感器受到電磁干擾引起。速度傳感器安裝在車輛輪軸的軸箱里，而車輛還安裝回流接地裝置，當列車升降弓，或列車經過分相區(qū)時主斷的斷開和閉合，產生較大的電壓差，通過回流接地裝置使軸箱內產生很強的磁場干擾，影響磁感應式速度傳感器正常工作[9-11]，工作異常持續(xù)一定時間后，導致系統(tǒng)報ODO無服務故障。

(2)速度傳感器故障：速度傳感器信號失效或系統(tǒng)中的2個速度傳感器測速值差距過大，DMI會提示“速度傳感器故障”。引起速度傳感器信號失效的原因有多種情況，比如電磁干擾或硬件故障；引起傳感器速度計算錯誤的原因，除了電磁干擾主要就是車輪打滑導致空轉或車軸抱死。具體分類情況如圖5所示。

圖5 速度傳感器故障類

其中車輪打滑時，計算速度會偏高，而當輪軸抱死時，計算速度會偏低。在實際運營中，由于速度傳感器的型號繁多，且不同車型上安裝的速度傳感器種類不一樣，工作人員用錯傳感器或接線錯誤的情況時有發(fā)生，這些情況都會引起速度傳感器故障。不過這時只要列車一運行，就會立即報故障，能夠及時發(fā)現(xiàn)。另外，速度傳感器因電磁干擾會報“速度傳感器故障”和“ODO無服務”，這2類故障的區(qū)別在于電磁干擾對傳感器的影響時間長短不同。短暫干擾系統(tǒng)會報“速度傳感器故障”，干擾達到一定時間后才會報“ODO無服務”，這個時間由系統(tǒng)設定。

(3)雷達故障：如果雷達信號失效時間在1 h內累積超過6 min，DMI提示“測速雷達故障”。常常由于雷達高加速導致雷達故障，雷達高加速是指雷達設備由于某種原因，計算出的速度值遠高于系統(tǒng)中其他設備測量的速度值，系統(tǒng)判定該雷達工作異常。

(4)SDU故障：多為SDU單元硬件工作不穩(wěn)定，1個SDU單元與1個雷達和1個速度傳感器相連，因此SDU故障會引發(fā)雷達和速度傳感器工作異常。

當發(fā)生測速測距相關故障后，電務工作人員會下載保存系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是解決測速測距故障的重要依據(jù)。通過了解測速測距系統(tǒng)的工作原理以及故障發(fā)生的現(xiàn)象，可制定相應的解決方案。ODO無服務故障由速度傳感器受到強干擾引起，可劃歸為速度傳感器問題，下面針對速度傳感器、雷達以及SDU故障進行分析處理。

3.1 速度傳感器故障

從速度傳感器故障類可以看出，速度傳感器故障有的可以自行恢復，而有的故障，必須要檢查硬件設備是否正常。由電磁干擾引起的報錯以及速度計算錯誤，并不是速度傳感器本身故障，在不影響后續(xù)運行的情況下，可不做處理。但由硬件故障導致的測速測距功能故障，會使傳感器信號失效，且故障會重復多次發(fā)生，系統(tǒng)日志記錄中會出現(xiàn)“Tacho Error”的錯誤語句，初步判定故障點，然后排查具體原因，更換相應的設備，故障排查處理流程如圖6所示。

圖6 速度傳感器故障處理流程

要初步定位是哪一個傳感器故障，可查看系統(tǒng)日志記錄，如圖7、圖8所示。

圖7 速度傳感器故障日志

圖8 速度傳感器2測速為零

從故障記錄可以看出，速度傳感器2報錯，測速值一直為0，初步判定為傳感器硬件錯誤或線路錯誤導致傳感器失效。若傳感器只是在某些短暫時間點測速異常，則很可能是由于電磁干擾或車輪空轉、輪軸抱死引起，可不做處理。

對于傳感器硬件錯誤或線路問題，需要逐一排查原因。由于速度傳感器種類繁多，首先應確定傳感器類型是否使用正確，檢查連接傳感器的電纜端口是否縮針以及傳感器是否安裝牢靠，其次，需要對線路進行導通檢查。根據(jù)傳感器安裝的方位不同，速度傳感器分為側出型和下出型，它們的傳感器布線方式有很大區(qū)別，檢查線路時需要分別對待，這里針對CRH2型車和380AL型車做出說明。對于測出型速度傳感器，列車兩端的傳感器布線方式相同，如圖9所示。

圖9 側出型1/8車速度傳感器接線

位于車底的傳感器電纜端口號與車上機柜內線路端子的端口號一一對應，例如，傳感器1的1端口與車上機柜內TB5E端子的1端口相通，傳感器1的3端口與車上機柜內TB5E端子的2端口相通，其他對應關系類似，可以利用萬用表，排查線路是否一一導通，若出現(xiàn)不導通的線路，需要緊固或更換數(shù)據(jù)線。

對于下出型速度傳感器，列車兩端的傳感器布線方式與側出型傳感器不同，且端口對應關系也不同，但排查方法類似?？筛鶕?jù)圖10、圖11所示的對應關系，排查線路是否導通。

圖10 下出型1車速度傳感器接線

圖11 下出型8車速度傳感器接線

若檢查線路良好，則判定為速度傳感器硬件故障，需要更換硬件設備。更換安裝傳感器時，其電纜繞行半徑不宜過小，否則會增加電磁干擾。在設備線路完整并更換設備后，需要運行列車試驗，速度傳感器對車輪轉動比較敏感，車輪一動就能立即檢測傳感器功能是否完整。

3.2 測速雷達故障

雷達故障大多由于高加速引起，主要是雷達脈沖參數(shù)設置不準確導致測速與速度傳感器測算速度誤差較大，但雷達一直能計算速度信息。另外，雷達硬件故障或線路問題也會引起雷達故障，但此時故障雷達不能計算出速度信息。雷達故障的判定，與速度傳感器的故障處理方式比較類似，可通過日志分析初步確認故障原因，如圖12～圖14所示。

圖12 雷達和速度傳感器測速正常

圖13 雷達2測速異常

圖14 雷達2發(fā)送默認測速值

如圖13所示，雷達2由于高加速原因測速異常，若后續(xù)能恢復正常測速，可不做處理，若長時間測速異常，可判斷為硬件工作不穩(wěn)定導致。圖14中，雷達2發(fā)送默認測速值，可直接判定雷達2停止工作，為硬件故障或線路故障，需檢查線路導通情況然后更換設備。更換雷達后，需要對雷達做動態(tài)調試，即在坡度不高于5‰、長度不短于500 m的平直線路上讓列車以較低勻加速到15 km/h后保持運行20 s，然后勻減速至停車，目的是校準雷達的脈沖參數(shù)。

3.3 脈沖采集單元SDU故障

由于ATP系統(tǒng)雙系共用脈沖采集單元SDU，2個SDU同時工作，若出現(xiàn)嚴重的故障，可導致列車緊急停車或癱瘓在線路上，后果十分嚴重。由于每個SDU單元與1個雷達和1個速度傳感器相連，SDU故障會引起速度傳感器和雷達無輸出，可通過判斷與SDU相連的速度傳感器和雷達的工作狀態(tài)，共同確定SDU故障。主要通過故障數(shù)據(jù)分析故障原因，如圖15、圖16所示。

圖15 SDU故障導致速度傳感器和雷達異常

圖16 SDU故障日志記錄

圖15為SDU2故障，與之相連的速度傳感器2和雷達2測速值都為零。日志記錄中也會出現(xiàn)速度傳感器相關的錯誤語句，該錯誤語句在SDU故障語句之后，可判定為傳感器故障由SDU故障引發(fā)。對于SDU故障，若頻繁報錯，需更換硬件設備，然后重啟系統(tǒng)調試系統(tǒng)性能，多次庫檢正常即可。

4 結語

CTCS3-300T列控系統(tǒng)的測速測距功能異常是比較常見的故障，給鐵路運營帶來諸多不利的影響，及時有效地處理這類故障將大大提升運營效率。要有針對性地處理這類故障，維護人員必須分清故障種類和故障原因。本文根據(jù)測速測距系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)內部各設備的關聯(lián)，系統(tǒng)分析了引起這類故障的不同因素，并指出如何有效地處理故障，對解決測速測距故障具有重要的現(xiàn)實意義。

[1] 孟琦.ATP設備定位測速的研究與仿真[D].成都：西南交通大學，2010：1-5.

[2] 嚴加斌.CRH3型動車組軸端速度傳感器的電磁兼容性研究[D].成都：西南交通大學，2015：5-26.

[3] 周永健.列控車載設備測速測距技術研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2016：13-22.

[4] 吳建平.傳感器原理及應用[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2016：84-87.

[5] 崔衛(wèi)東，胡少堅，夏冠群.霍爾葉片傳感器的設計與開發(fā)[J].儀器儀表學報，2002，23(3):636-638.

[6] 李尚軒.脈沖多普勒雷達信號處理技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2013：3-5.

[7] 李宏偉.雷達測速傳感器及其測試系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學，2013：3-14.

[8] 張武娟.雷達測速在列車運行中的研究與應用[D].長沙：中南大學，2008：5-12.

[9] 霍宏艷.高速動車電磁騷擾源建模仿真分析[D].北京：北京交通大學，2010.

[10] 聶穎.高速動車組升弓浪涌過電壓研究[J].機車電傳動，2013(4):9-11.

[11] 朱峰，唐毓?jié)?，高晨?弓網離線電弧對CRH380BL型動車組速度傳感器的電磁干擾機理及抑制[J].中國鐵道科學，2016，37(6):69-71.

[12] 項守寬.高速鐵路動車段試車線列控系統(tǒng)設計方案研究[J].鐵道標準設計，2015，59(10):163-167.

[13] 陶漢卿.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[J].城市軌道交通研究，2017(5):63-64.

[14] 鮑鵬宇，牛道恒.高速列車測速測距系統(tǒng)故障模式研究[J].鐵路通信信號工程技術，2015，12(5):8-10.

[15] 安玉華.列控車載設備CTCS3-300T型故障分析與研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2015：29-30.