CTCS3-300T列控車載設備速度跳變分析

李澤光

李澤光:北京鐵路局石家莊電務段 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間隔、速度等信息。列車測速、測距系統的作用主要體現在:地面控制中心根據列車的位置信息進行間隔控制，保證列車運行的安全間隔;車載設備根據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，速度發生抖動，突然升高的現象，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，一旦發生速度跳變，將導致動車組停車制動，嚴重影響司機操作和乘客乘坐的舒適性。

1 300T型ATP設備測速、測距系統組成

列車的測速方式多種多樣，例如輪對轉動測速、雷達測速、GPS系統測速、慣性導航系統測速等，其中輪對轉動測速和雷達測速是高速鐵路的主流測速技術。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設備的測速、測距系統包括2個轉動測速傳感器、2個雷達測速傳感器、2個SDU設備和1個SDP設備，測速、測距系統組成示意圖如圖1所示。無論車載設備使用哪一系工作，均使用同一套測速系統單元，如果測速系統單元故障，將直接導致車載設備不能正常工作。

圖1 測速、測距系統組成示意圖

2 測速、測距系統工作原理

CTCS3-300T型ATP設備測速、測距系統以轉動測速傳感器作為參照基準，以雷達作為主要信號源，綜合了轉動測速傳感器信號較穩定，以及雷達測速不受車輪空轉、打滑影響的優點。

2.1 轉動測速

通過測量車軸的轉動速度來獲得列車速度信息，車輪的轉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設備轉動測速采用的是霍爾傳感器。根據霍爾效應，在輪軸齒輪上方安裝霍爾元件，當齒輪不同的部位經過霍爾元件時，霍爾元件將產生不同的霍爾電壓，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，不需要通過車輪轉動的信息間接測量速度，可有效避免因車輪空轉、滑行和由于車輪磨耗導致輪徑改變而帶來的誤差。

雷達傳感器測速技術的基本原理是:在列車上安裝多普勒雷達，雷達天線始終向軌面發射電磁波，經過軌面反射回天線。由于列車和軌面之間有相對運動，根據多普勒頻移原理，在發射波和反射波之間產生頻移，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，從而可以根據公式(1)，求出機車的速度v:

2.3 300T型ATP設備測速、測距

1．正常情況下，4個傳感器(2個轉動測速傳感器、2個雷達)同時工作，轉動測速傳感器用來測量輪軸的轉速，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設備是完全相同的，每個SDU設備分別連接了1個轉動測速傳感器和1個雷達測速傳感器。SDU設備負責將測速傳感器送來的脈沖信號轉換成數字信息。

3．SDP設備同時連接了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，作為系統標稱速度。

3 速度跳變統計及原因分析

石家莊電務段對300T型ATP設備速度跳變問題進行了統計分析，如表1所示。段內共配屬安裝13組300T型ATP設備，表1只統計了8組動車，另外沒有統計在3 km/h范圍內的速度跳變。不難發現300T型ATP設備速度跳變現象普遍存在。

表1 速度跳變統計表

轉動測速采用霍爾傳感器計數方式，相對穩定;而雷達測速采用多普勒效應，受外界影響較大。通過數據分析也可以發現，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、測距系統共有4路信號輸入(2路轉速傳感器，2路測速雷達)，系統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來判斷能否夠恢復工作，如果此時ATP測速、測距系統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過程中輸出不穩定，這時就很容易造成ATP系統的速度抖動。

例如某一次數據記錄顯示，該車雷達2存在長達6'55″無有效輸出，而且恢復時，雷達2測速比轉速計測速偏高達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、測距數據記錄可以看出，雷達故障后存在輸出時有時無、輸出數值偏高等現象，對ATP測速、測距系統融合計算造成影響，導致ATP系統速度跳變。

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，輻射角度誤差將直接導致測速誤差，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。據統計分析，當雷達天線安裝存在0.5°的誤差角時，將導致雷達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，振動產生的分量，對雷達測速精度也產生一定的影響。

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，將直接導致ATP設備速度跳變，嚴重影響列車運行。

4 預防措施及建議

針對上述導致300T型ATP設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設備數據的分析，對司機反饋或記錄測速雷達故障的信息進行重點確認，如發現雷達長時間沒有輸出，則應更換雷達。

2．根據雷達角度誤差產生的原因，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，受作業環境的限制，總會存在安裝誤差問題。

2)通過技術、算法改進，減少角度誤差對測速產生的影響。采用前后2個雷達的結構設計，降低安裝角度誤差帶來的測速、測距影響。

具體做法是將2個天線固定在結構堅固、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，減少結冰現象;

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

4．加強雷達參數標定。根據目前300T型ATP設備測速、測距工作原理，以轉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，及時進行雷達參數標定，使雷達測速與轉動測速傳感器相匹配，減少速度跳變幅值。

5 結束語

綜上所述，300T型ATP設備測速、測距系統的速度跳變現象不能完全消除，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，減少了對運輸的影響。另外，在軟件優化、數據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。

［1］孫多，蘇濤，鐘小艷．機車多普勒測速雷達波束方向校正方法［J］．火控雷達技術，2009，38(1):48－55．

［2］陳艷華．軌道交通列車定位技術的選擇與比較［J］．電子設計工程，2010，18(11):186－188．

［3］楊萬海．多傳感器數據融合及其應用［M］．西安:電子科技大學出版社，2004．4．