城市軌道交通列車空滑檢測的融合算法研究

顧蔡君

(中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司，上海 200436)

1 概述

列車自動控制系統（ATC）是城市軌道交通的重要組成部分，是保證城市軌道交通安全和高效的關鍵系統。然而，目前國內城市軌道交通線路的ATC系統還主要依靠國外引進，其建設成本和維護費用非常高，因此在城市軌道交通發展中，實現ATC 系統的國產化成為一項重要任務。車載控制器（VOBC）是ATC 系統的核心安全子系統之一，控制列車安全可靠地運行。它檢測傳感器的數據，以此獲得列車當前的運行速度、運行距離以及在線路上某些點的絕對位置，從而定位列車和實時計算列車當前位置的限速，并實施超速防護，保證列車安全運行[1]。而這一切的基礎都離不開測速測距系統，測速測距系統需達到VOBC 規定的精度。

測速測距系統作為VOBC 的重要組成部分，需實時地為VOBC 提供列車的運行速度、距離、運行方向、空轉打滑等信息，其高可靠性、高安全性，是實現VOBC 功能和性能的基礎。目前，測速測距系統的首選設備是光電式速度傳感器（OPG），其通過記錄車輪的轉動情況，可以準確地計算列車的運行速度和走行距離。這種測速測距方式的缺點是一旦列車出現空轉或滑行，車輪的轉速無法正確反映列車的實際運行速度，測速測距會出現較大的誤差，從而導致VOBC 的功能故障[2-3]。

傳統的空轉打滑檢測方法在實際使用中都是基于OPG 自身測量數據進行的，通過比較不同測速周期的速度傳感器測量值完成空轉打滑的檢測，這種方法并不足以完全區分列車正常運行時牽引或制動引起的加速度改變和空轉打滑造成的加速度改變[4-5]。多普勒雷達通過多普勒頻移效應，直接測量列車相對于雷達波反射面的速度，可以避免車輪滑行、空轉和由于磨損導致輪徑改變而引起的誤差[6]。本文針對這一情況，在現有的基于OPG 的列車測速測距方法中引入雷達速度傳感器（RD），對空轉打滑原理進行分析，提出一種以光電式速度傳感器和雷達速度傳感器相結合的測速測距算法用以對列車是否發生空轉或打滑進行檢測和補償，及時修正空轉或打滑造成的測速測距誤差，為VOBC 提供更加可靠、精確的列車速度和位置信息。

2 空轉打滑檢測及校正算法實現

2.1 空轉打滑與車輪特性

列車運行時不同類型的車輪在空轉打滑時有著不同的表現，如表1 所示。

在安裝OPG 時，盡量安裝在第3 類輪上，避免空轉打滑對OPG 測速的影響。如必須安裝在1 類或2 類車輪上，需要對采集到的OPG 速度進行空轉打滑檢測以及校正。

2.2 空轉打滑檢測及校正模型

根據列車行駛的實際情況，列車空轉的發生條件一般有如下兩種情況[7]：

1）列車在牽引加速階段，由于牽引力的增加，導致牽引力大于輪軌黏著力而引起空轉；

2）列車在上坡時，列車行駛的速度有所降低，而牽引力加大，當遇到諸如降雨、降雪等會使黏著系數減小的因素時，列車車輪仍然可能會在鋼軌上發生空轉。

根據列車行駛的實際情況，打滑發生在列車制動階段，此時制動力大于輪軌黏著力[8]。

本文提出的空轉打滑檢測算法主要是根據軌道的物理屬性和列車的牽引制動力特性，將當前OPG傳感器的加速度與當前速度下的最大加速度/減速度進行比較。

假設某一時刻OPG 的速度增量為：ΔVOPG(n)=VOPG(n)-VOPG(n-1)，車載測速測距系統根據預先配置的不同速度檔下的最大加速度/減速度，計算當前速度下的牽引最大速度增量為ΔVacc，制動最大速度增量為ΔVb。當滿足ΔVOPG(n)＜ΔVb： 或者ΔVOPG(n)＞ΔVacc時，即可判定n 時刻為空轉滑行的開始點，并將該OPG“空滑狀態”置位。

此時可使用另一路OPG 和/或雷達數據，當空轉滑行過程結束的時候，OPG 速度會重新趨近于列車的真實速度。設定一個閾值ΔVthr，當OPG 速度VOPG(n)與雷達速度VRD(n)滿足：│VOPG-VRD(n)│＜ΔVthr時，即可判定空轉滑行過程結束，并將該OPG“空滑狀態”復位。

圖1 空轉判定過程Fig.1 Idling decision process

空轉滑行判定算法在空轉情況下的實現過程如圖1 所示，當在t0時刻檢測到ΔVOPG(t0)＞ΔVacc時，即判定t0為空轉的開始時刻，從此時開始到判定空轉結束，列車速度取自傳感器融合速度。VRD(tx)為tx時刻所對應的雷達傳感器的速度值，VOPG(tx)為tx時刻所對應的速度傳感器的速度值，當滿足│VOPG(tx)-VRD(tx)│＜ΔVthr時，即判定tx為空轉結束時刻。從此刻開始，列車速度取OPG 速度。

空轉滑行判定算法在滑行情況下的實現過程如圖2 所示，當在t0時刻檢測到ΔVOPG(n)＜ΔVb時，即判定t0為滑行的開始時刻，從此時開始到判定滑行結束，列車速度取傳感器融合速度。VRD(tx)為tx時刻所對應的雷達傳感器的速度值，VOPG(tx)為tx時刻所對應的速度傳感器的速度值，當滿足│VOPG(tx)-VRD(tx)│＜ΔVthr時，即判定tx為滑行結束時刻。

圖2 打滑判定過程Fig.2 Skidding decision process

當雷達狀態異常時，結合考慮車輛的牽引制動性能和坡度帶來的附加阻力因素計算出最大牽引速度增量ΔVacc'=ΔVacc+apΔt 和最大制動速度增量ΔVb'=ΔVb-apΔt （其中ap為坡道阻力加速度，重力加速度9.9 m/s2，3.5%的坡道：0.35 cm/s2）。當滿足：ΔVOPG(n)≥ΔVb'或者ΔVOPG(n)≤ΔVacc'時，即可判定n 時刻為空轉打滑的結束點。

3 測速測距融合算法設計

城市軌道交通車載測速測距主要分為兩部分，一部分為空轉打滑的檢測校正，另一部分是多組傳感器數據的融合。車載測速測距系統在完成空轉打滑檢測和校正功能實施后，需對傳感器測速測距數據進行融合處理，以得到更加可靠、精確的列車速度和位置信息。

本文提出的算法采用兩路速度傳感器OPG1，OPG2和一路雷達傳感器RD，下面說明兩路速度傳感器采集到的速度距離與雷達傳感器采集到的速度距離如何進行融合計算。

3.1 列車測速融合計算

車載測速測距系統測速功能的數據來源有：

1）對雷達報文進行解析，計算出雷達傳感器測出的速度數據VRD；

2）對兩路OPG 的脈沖信號，采用T 法和M 法計算出兩組OPG 速度數據VOPG1和VOPG2；

3）以及OPG 空轉打滑檢測的結果。

測速功能將對這3 組傳感器的速度數據進行融合，以滿足系統對測速精度的要求。速度融合的原則是：

1）以OPG 測速為主，雷達測速為輔（空滑校正），至少需要有兩路傳感器正常；

2）當速度小于等于5 km/h 時，雷達測速誤差較大（>8%），僅使用OPG 測速，根據動力學特性進行空轉打滑校正和測速；當速度大于5 km/h 且雷達可用時，雷達用于OPG 空滑判斷和速度融合；

3）當傳感器發生故障或空轉打滑時，對測速功能的影響及融合方案如表2 所示（1：正常，0：故障）。

3.2 列車測距融合計算

車載測速測距系統測距功能的數據來源如下。

1）對兩路OPG 的脈沖信號處理

計算本周期下OPG1，OPG2的脈沖總數，并與前一周期OPG1，OPG2的脈沖總數作差，得到當前周期OPG1，OPG2的脈沖增量。

將本周期OPG1的脈沖增量與OPG2的脈沖增量作比較，若本周期OPG1與OPG2的脈沖增量差小于閾值（默認為2，可配置），則取本周期OPG1與OPG2的脈沖增量的平均值作為本周期OPG 的脈沖增量，否則取本周期脈沖增量的較大值為本周期OPG的脈沖增量。

表2 傳感器各狀態下的測速功能及融合方案Tab.2 Speed measurement function and fusion scheme of sensor in various states

將本周期OPG 的脈沖增量與前一周期OPG 的脈沖增量作比較，若本周期OPG 的脈沖增量與前一周期OPG 的脈沖增量差小于閾值（默認為5，可配置），則以本周期OPG 的脈沖增量作為本周期OPG的測距增量，否則取前一周期OPG 的脈沖增量做平滑處理（默認加5，可配置），以平滑處理后的值，作為當前周期下OPG 的測距增量。

2）對雷達報文處理

基于本周期雷達報文中的雷達速度計算的距離與前一周期基于雷達速度的距離輸出作差，得到本周期基于雷達速度的距離增量。

基于本周期雷達報文中的雷達距離與前一周期的雷達距離作差，得到本周期雷達距離增量。

判斷本周期雷達狀態：若雷達狀態良好，則以本周期基于雷達速度的距離增量和雷達距離增量兩者中的較大值作為本周期雷達的測距增量；反之，則將本周期雷達的測距增量與前一周期雷達的測距增量作比較，若本周期雷達的測距增量與前一周期雷達的測距增量差小于閾值（默認為13 cm，可配置），以本周期雷達的測距增量作為本周期雷達的測距增量，大于等于閾值，則將前一周期雷達的測距增量做平滑處理（默認加13 cm，可配置），作為本周期雷達的測距增量。

車載測速測距系統對這兩組測距增量數據進行融合，可以抵消掉空轉滑行對測距功能的影響，距離融合的原則是：取測距增量大的為本周期測距融合增量。

在前一周期測距融合增量的基礎上，累加本周期的測距融合增量得到本周期測距融合輸出。

3.3 算法驗證

下面通過實驗驗證本文提出的空轉打滑檢測及校正算法。

如圖3 所示，在列車制動階段的某些時刻，OPG1與OPG2采集到的速度表現出很大的減速度，然而實際列車運行時是無法達到如此大的減速度的，很明顯出現了打滑的情況，此時就需要進行空轉打滑補償。通過觀察空轉打滑補償后的速度信息可以看出，通過OPG 速度與雷達速度以及OPG 速度增量的信息融合，補償后的速度既不像雷達速度那樣體現出明顯的白噪聲特性，也在一定程度上修正了OPG 速度的空轉打滑，在非空轉非打滑的情況下減少了誤判。

圖3 空轉打滑判定及補償效果Fig.3 Idling and skidding decision and compensation results

該算法仿真需要配置的參數如表3 所示。

4 結束語

表3 算法仿真配置參數Tab.3 Configuration parameters of algorithm simulation

本文提出了一種采用光電式速度傳感器和雷達速度傳感器相冗余的列車測速測距融合算法。根據雷達速度傳感器測量列車速度不受列車空轉打滑影響的特點，將其用于檢測列車是否發生空轉打滑，且在列車發生空轉打滑時對其速度進行校正。本文設計的列車測速測距融合算法在實驗室環境下進行了仿真驗證，可以有效減少空轉打滑工況下的測速測距誤差，具有實際工程意義。