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(tǒng)（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(guān)鍵系統(tǒng)。然而，目前國內(nèi)城市軌道交通線路的ATC系統(tǒng)還主要依靠國外引進，其建設(shè)成本和維護費用非常高，因此在城市軌道交通發(fā)展中，實現(xiàn)ATC 系統(tǒng)的國產(chǎn)化成為一項重要任務(wù)。車載控制器（VOBC）是ATC 系統(tǒng)的核心安全子系統(tǒng)之一，控制列車安全可靠地運行。它檢測傳感器的數(shù)據(jù)，以此獲得列車當(dāng)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(dāng)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(chǔ)都離不開測速測距系統(tǒng)，測速測距系統(tǒng)需達到VOBC 規(guī)定的精度。

測速測距系統(tǒng)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(zhuǎn)打滑等信息，其高可靠性、高安全性，是實現(xiàn)VOBC 功能和性能的基礎(chǔ)。目前，測速測距系統(tǒng)的首選設(shè)備是光電式速度傳感器（OPG），其通過記錄車輪的轉(zhuǎn)動情況，可以準(zhǔn)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(xiàn)空轉(zhuǎn)或滑行，車輪的轉(zhuǎn)速無法正確反映列車的實際運行速度，測速測距會出現(xiàn)較大的誤差，從而導(dǎo)致VOBC 的功能故障[2-3]。

傳統(tǒng)的空轉(zhuǎn)打滑檢測方法在實際使用中都是基于OPG 自身測量數(shù)據(jù)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(zhuǎn)打滑的檢測，這種方法并不足以完全區(qū)分列車正常運行時牽引或制動引起的加速度改變和空轉(zhuǎn)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(yīng)，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(zhuǎn)和由于磨損導(dǎo)致輪徑改變而引起的誤差[6]。本文針對這一情況，在現(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)合的測速測距算法用以對列車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)或打滑進行檢測和補償，及時修正空轉(zhuǎn)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(zhuǎn)打滑檢測及校正算法實現(xiàn)

2.1 空轉(zhuǎn)打滑與車輪特性

列車運行時不同類型的車輪在空轉(zhuǎn)打滑時有著不同的表現(xiàn)，如表1 所示。

在安裝OPG 時，盡量安裝在第3 類輪上，避免空轉(zhuǎn)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(zhuǎn)打滑檢測以及校正。

2.2 空轉(zhuǎn)打滑檢測及校正模型

根據(jù)列車行駛的實際情況，列車空轉(zhuǎn)的發(fā)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(dǎo)致牽引力大于輪軌黏著力而引起空轉(zhuǎn)；

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(dāng)遇到諸如降雨、降雪等會使黏著系數(shù)減小的因素時，列車車輪仍然可能會在鋼軌上發(fā)生空轉(zhuǎn)。

根據(jù)列車行駛的實際情況，打滑發(fā)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(zhuǎn)打滑檢測算法主要是根據(jù)軌道的物理屬性和列車的牽引制動力特性，將當(dāng)前OPG傳感器的加速度與當(dāng)前速度下的最大加速度/減速度進行比較。

假設(shè)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(tǒng)根據(jù)預(yù)先配置的不同速度檔下的最大加速度/減速度，計算當(dāng)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(dāng)滿足ΔVOPG(n)＜ΔVb： 或者ΔVOPG(n)＞ΔVacc時，即可判定n 時刻為空轉(zhuǎn)滑行的開始點，并將該OPG“空滑狀態(tài)”置位。

此時可使用另一路OPG 和/或雷達數(shù)據(jù)，當(dāng)空轉(zhuǎn)滑行過程結(jié)束的時候，OPG 速度會重新趨近于列車的真實速度。設(shè)定一個閾值ΔVthr，當(dāng)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(zhuǎn)滑行過程結(jié)束，并將該OPG“空滑狀態(tài)”復(fù)位。

圖1 空轉(zhuǎn)判定過程Fig.1 Idling decision process

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

空轉(zhuǎn)滑行判定算法在滑行情況下的實現(xiàn)過程如圖2 所示，當(dāng)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(jié)束，列車速度取傳感器融合速度。VRD(tx)為tx時刻所對應(yīng)的雷達傳感器的速度值，VOPG(tx)為tx時刻所對應(yīng)的速度傳感器的速度值，當(dāng)滿足│VOPG(tx)-VRD(tx)│＜ΔVthr時，即判定tx為滑行結(jié)束時刻。

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

當(dāng)雷達狀態(tài)異常時，結(jié)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(dāng)滿足：ΔVOPG(n)≥ΔVb'或者ΔVOPG(n)≤ΔVacc'時，即可判定n 時刻為空轉(zhuǎn)打滑的結(jié)束點。

3 測速測距融合算法設(shè)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(zhuǎn)打滑的檢測校正，另一部分是多組傳感器數(shù)據(jù)的融合。車載測速測距系統(tǒng)在完成空轉(zhuǎn)打滑檢測和校正功能實施后，需對傳感器測速測距數(shù)據(jù)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(tǒng)測速功能的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)VOPG1和VOPG2；

3）以及OPG 空轉(zhuǎn)打滑檢測的結(jié)果。

測速功能將對這3 組傳感器的速度數(shù)據(jù)進行融合，以滿足系統(tǒng)對測速精度的要求。速度融合的原則是：

1）以O(shè)PG 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(dāng)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(jù)動力學(xué)特性進行空轉(zhuǎn)打滑校正和測速；當(dāng)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(dāng)傳感器發(fā)生故障或空轉(zhuǎn)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(tǒng)測距功能的數(shù)據(jù)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(shù)，并與前一周期OPG1，OPG2的脈沖總數(shù)作差，得到當(dāng)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(rèn)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(tài)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(rèn)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(rèn)加5，可配置），以平滑處理后的值，作為當(dāng)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(tài)：若雷達狀態(tài)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(rèn)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(rèn)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(tǒng)對這兩組測距增量數(shù)據(jù)進行融合，可以抵消掉空轉(zhuǎn)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(chǔ)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(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)了打滑的情況，此時就需要進行空轉(zhuǎn)打滑補償。通過觀察空轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)打滑，在非空轉(zhuǎn)非打滑的情況下減少了誤判。

圖3 空轉(zhuǎn)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(shù)如表3 所示。

4 結(jié)束語

表3 算法仿真配置參數(shù)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(jù)雷達速度傳感器測量列車速度不受列車空轉(zhuǎn)打滑影響的特點，將其用于檢測列車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)打滑，且在列車發(fā)生空轉(zhuǎn)打滑時對其速度進行校正。本文設(shè)計的列車測速測距融合算法在實驗室環(huán)境下進行了仿真驗證，可以有效減少空轉(zhuǎn)打滑工況下的測速測距誤差，具有實際工程意義。