李永光 吳 寬 王熙楠 宗立明 房金萍

(北京神州同正科技有限公司，100083，北京//第一作者，工程師)

近年來，隨著我國城市軌道交通的運營環(huán)境越來越復(fù)雜多變，國家“十三五”重點研發(fā)計劃中提出了城市軌道系統(tǒng)安全保障技術(shù)研發(fā)課題。該課題研究系統(tǒng)運營環(huán)境狀態(tài)感知、評估與預(yù)警、系統(tǒng)解耦與安全綜合保障等技術(shù)，研發(fā)包括列車、客流、運營設(shè)施設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的檢測、監(jiān)測系統(tǒng)與裝備，其中針對受電弓與接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的檢測是該課題的一個重點內(nèi)容。

列車的受電弓與接觸網(wǎng)作為必要的供電基礎(chǔ)設(shè)施，容易在運行過程中發(fā)生各種故障，一旦有任何的輕微損傷，若沒能及時發(fā)現(xiàn)，很容易產(chǎn)生弓網(wǎng)事故，后果十分嚴(yán)重。為了監(jiān)測弓網(wǎng)運行狀態(tài)，目前有多種檢測設(shè)備安裝在專用檢測車和運營列車上。而針對檢測到的缺陷數(shù)據(jù)的位置定位，則是通過車載列控系統(tǒng)或軸端編碼器獲取的。由于列控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口開放限制，軸端編碼器誤差比較大。為此，本文提出了獨立于車載列控系統(tǒng)的，基于多普勒雷達、激光測距傳感器及無線射頻(RFID)的多重融合定位技術(shù)。

1 多普勒雷達技術(shù)

利用列車車底雷達內(nèi)置天線，接收物體移動狀態(tài)信號的檢測是采用基于多普勒效應(yīng)的微波探測技術(shù)來實現(xiàn)的，其產(chǎn)生的發(fā)射波頻率及微波振幅會隨物體移動發(fā)生相應(yīng)的改變。基于此原理，可以通過雷達所捕捉到的速度數(shù)據(jù)，測出相對方向運動物體的行進速度，并且可以測出運行過程中所產(chǎn)生的發(fā)射波與接收波之間產(chǎn)生的多普勒頻率fd，其表達式為

式中：

fc——雷達工作頻率；

v——列車速度；

c——光速；

α——天線輻射角度。

通過對列車在整條線路行駛中生成的回波信號進行精準(zhǔn)譜分析，可得fd值，代入式(1)，得到行駛距離D為

式中：

T——測速周期；

vi——iT時刻的列車速度。

2 激光測距技術(shù)

激光三角測距法采用由物面、光源及接收元件所構(gòu)成的三角光路進行測距，光源一般采用激光二級管，其原理如圖1所示。光源和接收元件統(tǒng)一放置在一個探測模塊里。探測模塊主要由光源、微處理器、信號檢測電路、鏡頭、接收元件等7部分構(gòu)成。鏡頭及接收元件接收到反射光源后，由微處理器內(nèi)部完成整流、濾波、轉(zhuǎn)換及信號放大。在此過程中，發(fā)生的反射最終被接收鏡頭的接收元件接收。根據(jù)幾何原理，可以測得接收元件到被測物的距離以及光束到達接收元件的角度。

圖1 激光三角法測距原理圖

3 RFID技術(shù)

RFID技術(shù)作為一種非接觸式的自動識別技術(shù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，其設(shè)備由標(biāo)簽、閱讀器和天線3部分組成。標(biāo)簽主要安裝于出入站，天線安裝于列車車底。當(dāng)裝有天線的列車出入站時，隨著列車的行進，完成掃描標(biāo)簽動作，記錄當(dāng)前車站信息，與檢測數(shù)據(jù)進行匹配，其工作原理如圖2所示。

圖2 RFID技術(shù)原理圖

4 多重融合定位技術(shù)

安裝于列車上的弓網(wǎng)缺陷定位設(shè)備由測速雷達、激光測距傳感器及RFID等模塊構(gòu)成，是一種全新的多重融合定位技術(shù)，如圖3和圖4所示。

圖3 多重融合定位技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

圖4 多重融合定位模塊安裝位置

列車運行時，測速雷達實時測量當(dāng)前運行速度，并配合智能累積算法，計算當(dāng)前里程；激光測距傳感器探測接觸網(wǎng)門庭結(jié)構(gòu)位置，與速度和里程信息相匹配，配合RFID模塊采集到的站點信息，可以實現(xiàn)弓網(wǎng)缺陷的精準(zhǔn)定位。

4.1 測速雷達

測速雷達安裝于列車底部，結(jié)合多普勒技術(shù)，在列車運行時實時測量列車行進速度(見圖5)。 測速雷達技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

圖5 測速雷達工作示意圖表1 測速雷達技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)值工作頻率/GHz24.15測速范圍/(km/h)(2±1)～(400±1)測速精度/(km/h)(2±1)～(400±1)工作溫度/℃-40～70

4.2 激光測距傳感器

激光測距傳感器模塊安裝在車頂(見圖6)，采用光學(xué)三角測量法定位物體。其測量精度達到1 mm，測量頻率達到3 kHz，滿足列車140 km/h運行速度狀況，不會產(chǎn)生漏檢，探測準(zhǔn)確率達到100%。同一接觸網(wǎng)支柱(或吊柱)抓拍的當(dāng)前位置與歷史定位抓拍的誤差不大于5 mm。激光傳感器的激光脈沖穩(wěn)定且集中，不受環(huán)境光線影響。激光測距傳感器技術(shù)指示參數(shù)如表2所示。

圖6 激光測距傳感器安裝位置表2 激光測距傳感器技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)值采樣頻率/kHz3 測量范圍/mm(100±1)～(4000±1)測量精度/mm(100±1)～(4000±1)工作溫度/℃-40～70

4.3 RFID模塊與天線

RFID模塊采用工業(yè)級高速標(biāo)簽?zāi)K，安裝于列車出入站隧道側(cè)壁，RFID天線安裝于列車車底側(cè)部。當(dāng)裝有天線的列車出入站時，RFID模塊掃描標(biāo)簽，記錄當(dāng)前車站信息，與檢測數(shù)據(jù)進行匹配(見圖7)。RFID主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖7 RFID模塊工作示意圖表3 RFID技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)值頻率范圍/MHz902～928 增益/dBi8 波瓣寬度E-Plane 72°,H-Plane 77°駐 波 比≤1.5極化方式右旋圓極化最大功率/W6 輸入阻抗/Ω50 抗風(fēng)強度/(km/h)216 接頭TNC

5 多重融合定位技術(shù)測例

本文結(jié)合軟件智能算法，配合多重融合定位模塊，選擇一段公路區(qū)間，模擬列車在站點區(qū)間的運行狀況，對多重融合定位技術(shù)進行測試。

測試中，融合定位軟件顯示了每個接觸網(wǎng)門庭結(jié)構(gòu)的位置信息(里程、速度、站點區(qū)間)，與歷史記錄對比，并將相關(guān)信息提供給接觸網(wǎng)檢測設(shè)備后臺程序，為缺陷定位提供準(zhǔn)確的位置信息(見圖8)。

激光測距傳感器在不同車速下探測接觸網(wǎng)門庭結(jié)構(gòu)距離的顯示頁面如圖9所示。在公路兩側(cè)布置RFID模塊，每個RFID內(nèi)部存儲有當(dāng)前位置里程。當(dāng)裝有測速雷達的汽車通過時，數(shù)據(jù)采集設(shè)備對數(shù)據(jù)進行實時采集，并對瞬時里程進行實時對比分析和修正(見圖10)。

通過里程修正和定位點的信息，融合定位系統(tǒng)可以實時精準(zhǔn)測量弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)中的位置信息，為故障缺陷提供準(zhǔn)確的依據(jù)。通過測試結(jié)果可以看出，里程修正距離較為準(zhǔn)確，變化量最大為0.81 m，平均為0.35 m。

圖9 接觸網(wǎng)門庭結(jié)構(gòu)定位點信息頁面

圖10 測例中的里程修正頁面

6 結(jié)語

采用基于RFID、多普勒雷達和激光測距融合的多重定位融合技術(shù)，是在現(xiàn)有定位技術(shù)基礎(chǔ)上的改進和創(chuàng)新，可以提高定位精度和準(zhǔn)確性，能夠更加精準(zhǔn)地定位地鐵列車和接觸網(wǎng)懸掛位置，進而準(zhǔn)確定位接觸網(wǎng)缺陷點位置。該技術(shù)定位精度達到400 mm以內(nèi)，且不依賴于車載列控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單一定位方式相比，該技術(shù)可針對獲取到的位置信息進行多重判斷與計算，能及時糾正位置信息，利于檢修人員及時準(zhǔn)確定位故障點。