城市軌道交通列車測速系統及算法比較研究

趙曉峰

（上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上海∥高級工程師）

城市軌道交通信號系統的列車測速功能是安全關鍵功能，列車測速的準度和精度直接關系到列車自動防護系統的安全性，這在移動閉塞制式的CBTC（基于通信的列車控制）信號系統中表現得尤為突出。

列車測速系統，作為信號系統車載子系統的重要組成部分，由速度采集設備、接口單元和主處理單元組成。其中，速度采集設備主要是各種類型的傳感器，提供列車動力學信息的感知能力；接口單元負責與速度采集設備接口，進行原始數據處理；主處理單元負責運行整個測速算法，計算列車的實際速度，檢測車輪打滑，并在一定條件下進行補償。

1 速度采集設備

常用列車速度采集設備有車輪脈沖發生器（Wheel Impulse Generators，簡為 WIG）、光脈沖發生器（Optical Pulse Generator，簡為 OPG）、霍爾效應傳感器（Hall－Effect Sensor，簡為 HES）、多普勒雷達傳感器（Doppler Radar Sensor，簡為 DRS）、加速度計（Accelerometer，簡為ACC）、全球導航衛星系統 （Global Navigation Satellites System，簡 為GNSS）。

WIG 又稱測速電機，屬于無源接觸式傳感器，是城市軌道交通領域應用最早的速度采集設備，早在基于音頻軌道電路的ATC（列車自動控制）系統時代就已經是車載信號系統的必配測速設備。WIG 安裝在車軸軸端，不需要外接電源，當車輪轉動時，聯動桿帶動內部轉子切割磁力線，通過電磁感應產生電動勢，感應電動勢的頻率與車輪轉速成正比，經過頻率－電壓變換后，把轉速變換為電壓，通過測量電壓的幅度得到列車實際速度。WIG 只在2000年以前開通線路的列車上有所應用，新建線路已不再使用。

OPG 屬于有源接觸式傳感器，是目前應用最廣泛的速度采集設備，主要由光電模塊、光柵盤、傳動軸等組成，常用類型是紅外反射式。OPG 也是安裝在車軸軸端，當車輪轉動時，通過傳動軸帶動內部光柵盤旋轉。光柵盤外邊緣有2圈過孔，每圈過孔可以達到200個，并且可以通過控制過孔的長短來進行編碼，因此有些信號廠商也稱OPG 為編碼里程計。OPG 工作時需要外接直流電源驅動內部紅外發光二極管產生發射光，透過光柵盤過孔后在底面反射，然后由光敏管接收，轉換為方波電壓脈沖輸出至信號主機。OPG 輸出信號可以達到6路。由于存在機械轉動磨損、光柵遮擋丟脈沖等現象，OPG只能用于時速低于140 km 的列車［1］。使用 OPG的信號廠商有阿爾斯通、卡斯柯、西門子、安薩爾多、北京交控。

HES屬于有源非接觸式傳感器，與光脈沖發生器相比，體積更小、質量更輕，但是安裝較為復雜，需要單獨制造配套的測速齒輪和軸蓋。測速齒輪屬于機械件，安裝在車軸軸端。軸蓋是罩在齒輪外面，固定在轉向架上。傳感器安裝在軸蓋一側的邊緣，與齒輪保持1 mm 左右的間距。HES工作時需要外接直流電源。當列車運動時，測速齒輪與車輪一起轉動，傳感器利用霍爾效應檢測到鋸齒，并將其轉換為電流信號輸出至信號主機。HES輸出信號一般只有2路。由于具備良好的防塵、防油、防脈沖丟失等特性，HES不僅在城市軌道交通領域有應用，而且特別適合時速高于180 km 的城際鐵路列車［2］。

DRS是近幾年引入的輔助檢測車輪打滑的新型速度采集設備，主要由DSP（數字處理器）、檢波整形器、混頻器、高頻振蕩器、電磁波網絡器、天線等組成。DRS安裝在車下空間的車廂底部，天線朝向列車正向運行的方向。DRS工作時需要外接直流電源。當列車運行時，高頻振蕩器產生的24 GHz微波信號，大部分通過天線向外發射，小部分耦合到混頻器中作為本振信號。發射信號經軌面反射后，再通過天線接收回到混頻器，混頻的結果是兩個頻率的差值，即多普勒頻移，該頻移正比于列車的運動速度；最后由DSP數字系統處理后通過串口發送至信號主機。微波信號的發射和接收回路通常為2路。DRS測速精度高，范圍廣，可以達到0.2～600 km／h。

ACC也是一種輔助檢測車輪打滑的設備，主要由懸臂質量塊、力矩馬達、非接觸位移傳感器等組成，常用類型是力平衡伺服傾角式。ACC 安裝在車內空間信號主機柜底部，工作時需要外接直流電源。懸臂質量塊與力矩馬達的電樞連接，初始處于平衡狀態，當列車運動時，懸臂質量塊離開原來的平衡位置，非接觸位移傳感器檢測到該變化后，一方面激活力矩馬達的線圈，產生一個反作用力，從而使懸臂質量塊與力矩馬達達到新的平衡；另一方面對外輸出電壓信號至信號主機。ACC輸出信號只有1路。

GNSS是一種以衛星為基礎的無線電導航系統，列車通過連續接收衛星發送的唯一編碼序列，計算當前三維位置（經度、緯度和高度）、速度、方向和時間信息。GNSS主要應用于現代有軌電車信號系統的列車定位追蹤，其實時測量的列車速度并未用于列車自動防護功能，而只是作為運營調度的參考數據。

2 列車測速系統配置

絕大多數情況下，列車測速系統的接口單元和主處理單元，即信號系統車載主機，在每列車的兩端A1和A2各配置1套。每套車載信號主機均采用3取2架構，兩端設備通過網絡連接，并能夠互為熱備。個別信號廠商采用2取2架構，兩端設備連接起來形成2乘2取2結構。

列車測速系統通常采用多傳感器融合方式實現，在保證列車運行安全性和可用性的前提下，配置不同類型和數量的速度采集設備［3］。

表1匯總了城市軌道交通領域主流信號廠商的列車測速系統配置方案。按實現方式來劃分，列車測速系統包括單端系統和雙端系統。單端系統是指車載信號主機僅使用本端的速度采集設備即可實現測速功能的系統；雙端系統是指車載信號主機需要使用本端和另一端的速度采集設備才可實現完整測速功能的系統。在雙端系統中，另一端的速度信息是通過車載信號主機之間的車載網絡傳輸。

表1 列車測速系統配置表

速度采集設備的安裝位置見圖1（從車頂向下看），圖中所示速度計可以是OPG 或HES。單端系統的2個速度計安裝在一端車頭的制動軸，且在車輛的兩側；雙端系統的2個速度計分別安裝在兩端車頭的制動軸，并且在列車的兩側。其他設備在A2端的安裝方式與圖1相同。

圖1 速度采集設備安裝示意圖

圖2描繪了3取2的車載信號主機與速度采集設備的連接關系。圖2中所示速度計可以是OPG或HES。每一個速度計在連到接口單元后，都需要分成3路信號分別進入接口處理器1、2、3。雷達傳感器的RS－485接口支持一主多從模式，因此也可以分為3路信號進入接口處理器。加速度計通常采用一對一的接法。

圖2 列車測速系統連接圖

3 列車測速算法

列車測速算法，主要實現從速度采集設備輸入車載信號主機，到向列車自動防護功能提供可信速度和距離信息的功能，包括原始運動信息測量、零速檢測與防護，以及車輪打滑判定與補償。

3.1 原始速度測量

OPG 的光柵盤有2圈過孔：時鐘脈沖孔和編碼孔，其中時鐘脈沖孔有100孔或200孔，編碼孔通常為100孔。OPG 的光電傳感器有5 個（C1－C5）。C1、C2和C3用于掃描時鐘脈沖孔，一方面可以檢測出孔數，進而計算出車輪實際速度；另一方面，根據其不同相位，可以判定車輪實際方向。C4用于掃描編碼孔，編碼孔長短不一，車輪旋轉1周構成1個假隨機序列，即編碼，不同車輪旋轉方向對應不同的編碼。C5的描述見3.2節。

OPG 計算車輪實際速度的公式如下：

式中：

vmeasure——車輪實際線速度；

d——車輪直徑；

N——車輪旋轉1 周，光電傳感器產生的脈沖數；

wP——脈沖寬度，ms。

OPG 判定車輪實際方向的方法如下：

前進方向——C1 信號從低電平轉高電平時，C2信號為低電平，C3信號為高電平；

后退方向——C1 信號從高電平轉低電平時，C2信號為高電平，C3信號為低電平。

僅當C4的編碼通過校驗，OPG 的原始速度測量才會被車載信號主機認為有效。

與HES配套的測速齒輪有100 齒、110 齒和120齒。HES的霍爾效應傳感器有2個（S1和S2），一方面可以檢測出齒輪數，另一方面則可以判定車輪實際方向。

HES計算車輪實際速度的公式與OPG 類似。

HES判定車輪實際方向的方法如下：

前進方向——S1信號比S2信號快90°相位；

后退方向——S2信號比S1信號快90°相位。

DRS本身便可以完成原始速度測量，與車載信號主機采用RS－485串口通信，傳輸速率為192 00 Baud。根據用戶的需求，可以提供速度、距離、方向以及加速度。

ACC向車載信號主機提供加速度的正負和大小。ACC通常采用的比例因子是±5 V／g，測量范圍是±1g。值得注意的是，ACC所測量的加速度包含重力加速度沿列車所在坡道的分量，所以車載信號主機在使用該加速度時，需要進行預處理，即：

在上坡時，列車加速度＝ACC 測量加速度＋重力加速度沿列車所在坡道的分量；

在下坡時，列車加速度＝ACC 測量加速度－重力加速度沿沿列車所在坡道的分量。

3.2 零速檢測與防護

當列車速度低于0.5 km／h且在一定時間內檢測不到任何脈沖時，車載信號主機認為該OPG 為零速。考慮到OPG 也有可能是故障，所以車載信號主機還會參考另一個OPG 的脈沖信號。當車載信號系統采取雙端方案（2個OPG 分置列車兩端車頭）時，每一端的車載信號主機的零速檢測都需要參考另一端的OPG 的C5信號。

使用HES的車載信號系統的零速檢測方法與OPG 類似，只是利用一端的2個HES即可完成零速判定，而不需要使用另一端的HES。

除了利用信號自身的速度采集設備判定零速之外，車載信號主機也從車輛的列車線采集VZC（零速狀態）。車載信號主機還通過零速繼電器VZS（零速命令）向車輛提供零速信號，用于控制列車門控電路和牽引使能電路。

3.3 車輪打滑判定與補償

車輪打滑分空轉和滑行2種情況。空轉是指車輪速度大于列車速度，往往發生在列車牽引階段；滑行是指車輪速度小于列車速度，一般發生在列車制動階段。不論OPG 還是HES均安裝在拖車的制動軸，所以列車發生滑行的情況更多些。

車載信號主機判定車輪打滑的算法有車輛參數法和實時檢測法2種。車輛參數法是指打滑判定算法中使用車輛的粘著系數－滑移率曲線轉換出的經驗參數判定車輪打滑。該方法適用于僅采用OPG或HES，而不使用其他速度采集設備的列車測速系統。實時檢測法是指打滑判定算法中使用實時檢測出的加速度與OPG 或HES計算得出的速度信息相比較來判定車輪打滑。使用DRS或ACC 的列車測速系統均使用該方法［4］。

3.3.1 車輛參數法的打滑判定算法

當Astartspin＞Ameasure＞Atraction時，列車進入牽引狀態，此時計算的距離：

D＝max［Dcycle（n－1），（1－Kspin）×Dmeasure］

當Aendspin＞Ameasure＞Astartspin時，列車進入空轉狀態，此時計算的距離：

D＝Dcycle（n－1）

當Ameasure＞Aendspin時，列車丟失位置，施加緊急制動。

當Astartslide＜Ameasure＜Abrake時，列車進入制動狀態，此時計算的距離：

D＝min［Dcycle（n－1），（1＋Kslide）×Dmeasure］

當Aendslide＜Ameasure＜Astartslide時，列車進入滑行狀態，此時計算的距離：

D＝Dcycle（n－1）

當Ameasure＜Aendslide時，列車丟失位置，施加緊急制動。

以上式中：

Ameasure——列車測量得到的實際加／減速度；

Atraction——列車最大牽引加速度（考慮坡度）；

Abrake——列車最大制動減速度（考慮坡度）；

Astartspin和Aendspin——空轉開始和結束的門限值，基于粘著系數－滑移率曲線，并考慮列車實際速度計算得到；

Astartslide和Aendslide——分別為滑行開始和結束的門限值，基于粘著系數－滑移率曲線［5］，并考慮列車實際速度計算得到；

Dcycle（n－1）——上一周期距離；

Dmeasure——列車測量得到的距離；

Kspin——列車最可能發生空轉時的滑移率，一般取35%；

Kslide——列車最可能發生滑行時的滑移率，一般取15%。

3.3.2 實時檢測法的打滑判定算法

根據OPG 或HES測得的vwheel（車輪速度）計算出Awheel（車輪加速度），然后計算該值與DRS或ACC測得的Ameasure的差值：

Adiff＝Ameasure－Awheel

當Adiff超過加速度打滑容限（考慮坡度）時，則認為列車出現加速度打滑。

根據DRS或ACC測得的Ameasure計算出vreference，然后計算該值與OPG或HES測得的vmeasure的差值：

vdiff＝vmeasure－vreference

當vdiff超過速度打滑容限（考慮加速度打滑等因素）時，則認為列車出現速度打滑［6］。

當出現速度打滑后，如果vdiff為負值，且｜Ameasure｜小于打滑門限值時，則認為列車處于滑行狀態；如果vdiff為正值，且｜Ameasure｜小于打滑門限值時，則認為列車處于空轉狀態。打滑門限值一般取0.3 m／s2。

采用實時檢測法的列車測速系統通常使用2個OPG 或HES，所以存在單輪打滑和雙輪打滑2種情況。

當出現單輪打滑時，該算法使用未出現打滑的OPG 或HES測得的距離補償（賦值）出現打滑的車輪。當出現雙輪打滑時，每個車輪使用本周期測得的加速度和上一周期的速度值計算得出補償速度，然后便可以計算補償的距離。

3.4 實際速度與允許速度、目標速度的關系

實際速度是列車測速算法的輸出結果，是在原始速度測量基礎上，針對具體打滑工況進行速度補償之后得到的計算值。允許速度，又稱ATP（列車自動保護）限速，是在土建限速的基礎上，減去安全余量（5 km／h或10 km／h）后得到的列車限速。車載信號主機會實時比較實際速度與允許速度，當實際速度減去允許速度的差值大于超速容限后，列車會觸發緊急制動。

目標速度是在ATP或ATO（列車自動運行）限速曲線的基礎上，為避免出現列車超速情況，限速曲線變化點采用提前減速計算得到的速度值。這通常發生在限速曲線從高速到低速的變化點。車載信號主機也會實時比較實際速度與目標速度，如果列車處于有ATP防護的人工駕駛模式，當實際速度減去允許速度的差值大于超速容限后，列車也會觸發緊急制動；如果列車處于ATO 模式，由于是信號系統控制列車，所以一般不會發生緊急制動，但是在司機顯示屏上還是會提示目標速度。

4 結語

速度采集設備種類繁多，性能各異。OPG 安裝簡便，傳感器豐富，具備編碼校驗功能，特別適合于城市軌道交通車輛最高時速不超過120 km 的應用環境。HES構造簡潔，性能可靠，需要與測速齒輪配合安裝，不僅適用于城市軌道交通，也適用于城際鐵路，甚至高速鐵路。DRS測速精度高、范圍廣，功能強大，接口復雜，是理想的測速輔助設備。ACC結構簡單，安裝方便，性能穩定，接口單一，是測量加速度信息的首選設備。

列車測速系統通常采用多傳感器信息融合技術，單端方案的系統架構清晰明確，車載信號主機之間無須傳遞測速參考信息，更利于測速功能的實現。使用OPG 或HES，并搭配ACC是比較好的系統配置方式。

列車測速算法的設計思路不同，很難取舍。車輛參數法在車輛防滑控制研究的基礎上，提煉出信號系統判定車輪打滑的經驗參數，更好地體現了信號與車輛融合的趨勢。實時檢測法則是基于信號系統自身的速度采集設備判定車輪打滑，更加準確，貼近現場實際工況，但也提高了算法的復雜度。

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