基于多普勒傳感器的一種列車測距測速方法

臧朋波

（南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111）

列車測距測速系統方法研究主要針對目前城軌車輛在進行例行動調試驗時，如何獲取列車初始速度、制動減速度和制動距離等信息進行研究。研究內容包括：列車制動時的初始速度、制動距離、平均減速度、瞬時減速度、手柄狀態（牽引、惰行或制動）、運行方向、牽引距離和牽引加速度。通過對上述試驗數據的應用，實現對城軌車輛動態調試的深入研究，以期能較為準確地獲得車輛動調時的信息。

本文介紹的方法實現了對列車實際移動速度的準確測量和列車啟停運行測試記錄和分析，解決了傳統車軸傳感器在車輪打滑和滑動時因速度誤差造成的數據不準確問題。

1 目前測量手段及弊端

目前生產的多數城軌車輛在公司環線動態調試時，無論制動距離、瞬時速度以及加速度和減速度都通過車軸上的傳感器脈沖輸出計算得出，可以在TMS或者TCMS中讀出，在軌道處于良好狀態時，得到的結果較為準確，缺點是車輛動態調試時制動減速度是平均減速度，沒有瞬時減速度的直接反映，速度也只是記錄制動時的初始速度，在制動過程中的速度情況無法記錄，也得不到車輛的沖擊情況，這樣，車輛動態調試時的情況無法再現，給車輛性能分析以及故障分析帶來很大困難。另外，在雨雪天氣下車輛動調時，車輛出現滑行后，初始速度、制動距離和平均減速度與真實情況相差較遠，所得到的數據參考意義不大。

另外，這種測量方法依賴于TMS軟件的狀態。若軟件狀態良好，在樣車調試時可以直接使用；若軟件一直在修改或完善，則通常得不到列車的制動距離、減速度、初始速度等重要信息。成都地鐵一號線在調試時由于東洋電機的TCMS沒有調好，到目前為止，回送出去的車輛在廠內都無法對這些數據進行測量。

有些城軌車輛的TMS中沒有提供這種功能，在Knorr軟件中通過制動速度傳感器的脈沖輸出得到車輛的速度曲線。在沒有出現滑動時，根據曲線可以得出從列車開始制動到停止的時間t，初始速度v1可以直接通過曲線的最高點得出，將速度降低曲線看作一條直線，可以得出平均減速度a(v1=at)，制動距離S可以由v12=2aS得出。可以看出，所得到的制動距離以及減速度都是近似值，在出現速度曲線波動較大或者出現防滑條件時，理論計算值與實際值相差就更大。

綜上，依靠安裝在車軸上的速度傳感器來獲得瞬時速度存在很大的缺陷，瞬時加速度、減速度和制動距離等都不是原始數據，而是通過理論計算得出，與實際有出入，另外控制手柄的具體狀態無法獲知，對理論分析車輛的性能帶來很大問題。

2 信號的測量方法

2.1 車輛狀態信號的獲取

對列車速度運行狀態與司控器狀態同步進行分析更具現實意義。車輛在運行過程中涉及的狀態有：牽引位、惰行位、制動位、快速制動位、緊急制動位以及緊急制動（松開警惕手柄），這些信息對于車輛性能分析以及數據再現有重要意義，它們都為DC 110 V的信號，在數據采集和分析時可以當成開關量數字信號，可通過光電隔離實現信號采集，如圖1所示。

城軌車輛在牽引或制動時需要具體知道牽引或制動的檔位是多少，這需要一個信號采集系統來獲得，現行列車司控器可以分為有級司控器和無級司控器，經研究發現，兩者都可以通過硬線以及司控器滑動變阻器中間觸點的電壓值 （百分比）來獲得城軌車輛所處的狀態。滑動變阻器的輸出為DC 0 V～DC 10 V的信號，而單片機的信號輸入范圍為 DC 0 V～DC 5 V，因此需要電壓的轉換。本方案主要通過電阻的分壓來實現，而后采用線性光耦HCNR200來實現模擬信號的隔離和傳輸，如圖2所示。

2.2 車輛速度和距離的獲取

利用多普勒效應對列車的運行狀態進行研究，多普勒效應為：當聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有所不同，由多普勒效應所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度v成正比，與振動的頻率成反比。

列車運動時的瞬時速度可以通過多普勒效應得出。當列車靜止不動時，多普勒頻移為0；當列車惰行，即以恒定的速度運行時，多普勒頻移為固定值；當列車加速或者減速運行時，多普勒頻移時刻發生變化，從而得到列車的瞬時速度。

多普勒雷達傳感器（DRS05a）正是利用多普勒效應獲得列車的瞬時速度和距離。瞬時速度和距離的輸出有兩種方式：一種為通過RS485總線按照固定的協議向外輸出，傳輸率最小為10 ms；另一種為通過 DRS05a的脈沖輸出，由脈沖計數和單位時間內的脈沖數來獲得距離和瞬時速度，速度的精度為每km/h對應69.444 Hz，每個脈沖代表 4 mm(69.444×4×3600=999 993.6 mm)，600 km/h對應的脈沖頻率為41.666 kHz。

利用多普勒傳感器獲得列車的瞬時速度和行車距離，完全脫離列車的軸速和輪對的旋轉，即使列車出現防滑動作，仍然可以獲得列車的真實速度、行車距離以及列車的平均減速度，通過對獲得數據進行處理可以獲得列車的瞬時減速度。

3 系統工作原理

系統工作原理如圖3所示，列車狀態包括開關量和模擬量信號均經過車輛信息采集終端處理，信息采集終端由信號調理電路、A/D轉換電路、信號記錄處理電路、通訊電路等組成。上位機通過USB口與車輛信息采集終端實時交換數據。

本項目中多普勒傳感器具有脈沖輸出和RS485總線速度數據輸出兩種模式，脈沖輸出送車輛信息采集終端運算后連同車輛狀態數據以數據幀的形式輸出，RS485總線速度數據輸出經RS485/USB轉換器直接進入上位機，一方面作為速度信息的冗余，另一方面也是對脈沖統計算法的參照。

4 實驗參數

4.1 車輛狀態

信號采集系統的參數如下：

(1)電源：AC 220 V；

(2)開關量信號輸入范圍：DC 0～110 V；

(3)開關量信號采集數：8路；

(4)滑動變阻器（司控器手柄）輸出范圍：DC 0～10 V或 DC 0～15 V；

(5)可識別的滑動變阻器變化量最小為：3 mV。

信號采集系統與上位機之間的數據格式和通訊協議如表1所示。

表1 數據格式和通訊協議

4.2 列車速度和距離

多普勒雷達傳感器獲取數據的參數如下：

(1)能測量的最小速度為：0.009 155 km/h；

(2)能測量的最大速度為：600 km/h；

(3)短距離測量的最小分辨率為：0.1 m；

(4)短距離測量的最長距離為：999.9 m；

(5)長距離測量的最小分辨率為：0.1 km；

(6)長距離測量的最長距離為：999.9 km；

(7)可識別車輛的運行狀態；

(8)根據接收到的數據可以識別傳感器的工作狀態。

表2所示為多普勒傳感器的數據格式和通訊協議。

5 軟件實現與結果驗證

依據上述思路編制的軟件主要實現如下功能：

(1)建立操作者的數據庫；

(2)自動保存用戶的登錄記錄；

(3)能檢驗通訊線路的狀態；

(4)自動保存傳感器發送過來的所有數據；

(5)自動保存信號采集系統發送過來的車輛狀態；

(6)用不同顏色的曲線實時顯示接收到的數據；

(7)根據接收的數據自動識別車輛的運行方向；

(8)對不合格試驗項進行報警提示；

(9)對合格的試驗項彈出對話框提醒，同時抓圖進行保存，便于數據的查詢和驗證；

(10)自動診斷傳感器的運行狀態，在出現故障時自動報警；

(11)根據歷史保存的數據可以進行曲線再現。

圖4所示為進行P4牽引(牽引四級，即為最大牽引)，60 km/h，惰性3 s，按下緊急按鈕，施加緊急制動下的記錄曲線，上框內為速度變化曲線，中框為加速度變化曲線，下框為司控器狀態。

列車測距測速系統在運行時完全脫離列車車軸的旋轉，所得的距離和速度等信息是對地的絕對值，同時記錄下車輛在運行過程中的信息，為故障分析和車輛性能分析提供足夠的數據，通過該方法可以在做型式試驗時不用依靠廠家而自己做出性能分析，優勢明顯。

表2 多普勒傳感器的數據格式和通訊協議

[1]王磊.測控儀器設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

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