城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的典型測速定位方案比較

宋劍偉

(深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)公司，518035，深圳 ∥ 高級(jí)工程師)

從基于輪軌式測速定位的城市軌道交通項(xiàng)目來看，大多數(shù)測速定位系統(tǒng)都是采用“輪軸速度傳感器+非輪軸速度傳感器+應(yīng)答器”的多傳感器配置方案[1,5]。其中：輪軸速度傳感器基于輪軸技術(shù)，通常作為主要測速定位裝置；非輪軸速度傳感器主要用來處理空轉(zhuǎn)或打滑時(shí)列車的測速定位問題；應(yīng)答器一般用于列車定位初始化，并對(duì)列車進(jìn)行重定位，用來減小列車的累積定位誤差。然而，由于受各種傳感器固有特性及測速定位方法等因素的制約，目前國內(nèi)外常用的列車組合測速定位方案都有各自特點(diǎn)和不足[1,5]。為滿足城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)測速定位功能高精度、高安全可靠性、低成本、易部署的要求，有必要從測量精度、成本、系統(tǒng)可靠性、設(shè)備安裝及安全性評(píng)估等方面對(duì)各測速定位方案進(jìn)行詳細(xì)比較，從而得到具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)的測速定位方案。

1 城市軌道交通典型測速定位方法

列車常用的測速方法可分為輪軸測速法和非輪軸測速法[2]。運(yùn)用發(fā)電機(jī)原理的測速發(fā)電機(jī)及運(yùn)用光電變換的脈沖速度傳感器，均采用輪軸測速法。利用多普勒效應(yīng)的測速雷達(dá)、加速度計(jì)、交叉感應(yīng)回線、計(jì)數(shù)軌枕、長定子齒槽檢測等[3]，均采用非輪軸測速法。目前，大多數(shù)城市軌道交通項(xiàng)目是基于輪軌式的系統(tǒng)，故本文以輪軸速度傳感器、多普勒雷達(dá)、加速度計(jì)為主要對(duì)象，從測量原理、誤差影響因素、失效模式及傳感器復(fù)雜度等方面對(duì)測速定位方案進(jìn)行深入分析。

1.1 輪軸速度傳感器

常用的輪軸測速傳感器為運(yùn)用發(fā)電機(jī)原理的測速發(fā)電機(jī)、運(yùn)用光電變換的脈沖速度傳感器。

當(dāng)測速發(fā)電機(jī)與輪軸聯(lián)接時(shí)，利用發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電壓頻率與列車速度成正比,有：

v=πDfd/Z

(1)

式中：

v——列車速度；

Z——發(fā)電機(jī)極數(shù)；

D——車輪直徑；

fd——發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的頻率。

經(jīng)過頻率-電壓變換，把v轉(zhuǎn)換為電壓，輸出電壓和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。當(dāng)改變車輪旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電壓的極性將發(fā)生相應(yīng)改變。

對(duì)于脈沖速度傳感器，車輪每轉(zhuǎn)1周，其發(fā)生器就會(huì)輸出一定數(shù)量的脈沖或方波信號(hào)。脈沖或方波的頻率與列車速度成正比：

v=πDfm/N

(2)

式中：

N——車輪旋轉(zhuǎn)1周所計(jì)脈沖數(shù)；

fm——輸出脈沖的頻率。

受自身測量精度及機(jī)械安裝等因素的影響，輪軸測速傳感器的測量結(jié)果會(huì)有一定的誤差。這類誤差一般比較小。

輪軸測速傳感器的主要誤差是由車輪的空轉(zhuǎn)打滑和輪徑磨損造成的誤差。這類誤差通常較大。

對(duì)于輪軌制式軌道交通，當(dāng)車輪和鋼軌之間的摩擦力不足時(shí)，就會(huì)發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)或打滑的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際測量的車輪速度與列車速度存在差異。這就是車輪空轉(zhuǎn)打滑造成的誤差。

列車在長期運(yùn)行后，其測速輪徑因磨損而不斷減小，故用名義輪徑計(jì)算出來的列車速度也與列車實(shí)際速度存在一定的誤差。這就是輪徑磨損造成的誤差。這類誤差累積后會(huì)影響列車定位的精度。通過及時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)輪徑的方法，可減少這類誤差。

輪軸測速法的技術(shù)比較成熟，其測速傳感器為通用的機(jī)電結(jié)構(gòu)，測量方式簡單，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠。但輪軸測速法由車輪空轉(zhuǎn)打滑造成的誤差比較大，尤其是在列車高速運(yùn)行時(shí)，一次滑行造成的列車定位誤差能達(dá)10 m以上，進(jìn)而使列車速度的測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

1.2 多普勒雷達(dá)

多普勒雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)來測量列車運(yùn)行速度的方法。當(dāng)發(fā)射源(或接收者)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收者接收到的電磁波的頻率和發(fā)射源的頻率不同，這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射源與接收者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，波被壓縮，波長變短，頻率變高；當(dāng)二者相背運(yùn)動(dòng)時(shí)，效應(yīng)相反。

多普勒雷達(dá)安裝在列車底部，其始終向軌面發(fā)射電磁波，且發(fā)射角為α，如圖1所示。

當(dāng)列車速度為v時(shí)，雷達(dá)以速度v平行于反射面(軌道)運(yùn)動(dòng)，則雷達(dá)的發(fā)射波與接收波之間的頻移fr為[4]：

(3)

式中：

F——雷達(dá)的工作頻率；

c——光速；

f1——反射面接收到的波頻率；

f2——雷達(dá)接收到的波頻率；

α1——雷達(dá)電磁波的發(fā)射角；

α2——雷達(dá)電磁波的入射角。

圖1 多普勒雷達(dá)工作原理

由于v?c，α1≈α2≈α，故fr與v沿發(fā)射方向的分量大小成正比，進(jìn)而可以計(jì)算出列車運(yùn)行的速度。如果列車為前進(jìn)狀態(tài)，則反射的信號(hào)頻率高于發(fā)射信號(hào)頻率；反之，則低于發(fā)射信號(hào)頻率。由此可確定列車的運(yùn)動(dòng)方向。

多普勒雷達(dá)測速方法屬于非輪軸測速法，能有效克服空轉(zhuǎn)和打滑等因素造成的誤差，其技術(shù)也越來越成熟。但多普勒雷達(dá)易受雨雪天氣、軌道積雪結(jié)冰及軌道反射面變化等外部環(huán)境條件的影響,且軌道不平整引起的振動(dòng)及安裝誤差也會(huì)引起測量誤差。多普勒雷達(dá)在列車低速運(yùn)行(v≤5 km/h)時(shí)，多普勒效應(yīng)不明顯，誤差會(huì)比較大。此外，多普勒雷達(dá)內(nèi)部軟硬件相對(duì)比較復(fù)雜，其傳感器失效模式及故障分析難度較大。

1.3 加速度計(jì)

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)常用的加速度計(jì)是基于力平衡伺服原理的加速度傳感器。當(dāng)列車在運(yùn)動(dòng)方向上存在加速度時(shí)，加速度計(jì)的內(nèi)部質(zhì)量平衡塊產(chǎn)生位移；將位移量用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出，即可獲得列車的加速度值。加速度計(jì)通常安裝在車載機(jī)柜下方的車體上。應(yīng)用加速度計(jì)可直接測量出車體的加速度，通過周期性測量列車的加速度，再根據(jù)以前累積下來的列車速度矢量和位置，即可計(jì)算前一段時(shí)間的列車總位移和當(dāng)前速度：

vk=vk-1+aTc

(4)

sk=sk-1+vkTc

(5)

式中：

a——列車當(dāng)前加速度；

vk——列車在第k周期的運(yùn)行速度；

sk——列車在第k周期的累計(jì)位移；

Tc——測速定位算法的處理周期。

加速度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，能直接測量列車車體的加速度信息，在短時(shí)間內(nèi)具有較高的測量精度，可用于檢測輪軸速度傳感器的空轉(zhuǎn)打滑狀態(tài)。但加速度計(jì)測量結(jié)果受線路補(bǔ)償坡度誤差、加速度計(jì)安裝誤差、信號(hào)采集誤差及測速算法誤差等因素的影響[5]，會(huì)存在加速度測量誤差。由于列車的速度和位移總在累加，故長時(shí)間誤差累積后，加速度計(jì)的誤差會(huì)變大。

2 組合測速定位方案

由于每一種測速傳感器都有其固有的缺點(diǎn)，因此，單一的傳感器無法完全滿足城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)測速定位對(duì)安全性、精確性、實(shí)時(shí)性及應(yīng)用環(huán)境的要求。采用速度傳感器與多普勒雷達(dá)組合，或速度傳感器與加速度計(jì)組合等多種定位技術(shù)組合，能通過融合多種信息方式來進(jìn)行冗余互補(bǔ)。這樣，一方面可以完成對(duì)速度的精確測量，另一方面可以檢測列車車輪的空轉(zhuǎn)打滑。利用輪軸速度傳感器、多普勒雷達(dá)或加速度計(jì)能測量出列車的速度或加速度信息，進(jìn)而根據(jù)時(shí)間計(jì)算出列車的位移，從而獲得列車的相對(duì)定位信息。但定位誤差會(huì)隨著時(shí)間積累，必須每隔一定距離對(duì)列車定位進(jìn)行修正。因此，城市軌道交通測速定位方案除了配置測速裝置，還需配置應(yīng)答器等絕對(duì)定位裝置。

目前，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)典型的組合測速定位方案主要有速度傳感器+多普勒雷達(dá)+應(yīng)答器、速度傳感器+加速度計(jì)+應(yīng)答器、編碼里程計(jì)+應(yīng)答器及速度傳感器+應(yīng)答器等幾種。

2.1 方案一

方案一為速度傳感器+多普勒雷達(dá)+應(yīng)答器方案。在列車每端的不同車軸上安裝2個(gè)獨(dú)立的速度傳感器，以測量列車車輪的速度并進(jìn)行相互校驗(yàn)；在列車每端分別安裝1個(gè)多普勒雷達(dá),與速度傳感器完成冗余的列車速度和走行距離計(jì)算及驗(yàn)證；列車每端各設(shè)置1個(gè)應(yīng)答器天線，用來接收地面應(yīng)答器發(fā)送的報(bào)文，用于列車絕對(duì)定位計(jì)算。速度傳感器為主用速度測量設(shè)備。多普勒雷達(dá)作為輔助測速設(shè)備，主要用來檢測列車空轉(zhuǎn)和打滑，并進(jìn)行測速誤差修正，從而獲得比較精確的速度及位置信息。

該測速定位方案技術(shù)比較成熟，工程項(xiàng)目應(yīng)用比較廣泛，線路上布置的應(yīng)答器也相對(duì)較少。方案一主要存在以下問題：①測量結(jié)果受環(huán)境影響比較大，惡劣天氣氣候下會(huì)引起多普勒雷達(dá)的誤差變大，甚至不可用；②多普勒雷達(dá)的相對(duì)價(jià)格較高，增加了整個(gè)車載系統(tǒng)的成本；③多普勒雷達(dá)的安裝較復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的實(shí)施及維護(hù)工作量；④多普勒雷達(dá)內(nèi)部軟硬件比較復(fù)雜，增加了車載測速算法安全評(píng)估的復(fù)雜性。

2.2 方案二

方案二為速度傳感器+加速度計(jì)+應(yīng)答器方案。在列車每端的不同車軸上安裝2個(gè)獨(dú)立的速度傳感器，以測量列車車輪的速度并進(jìn)行相互校驗(yàn);在列車每端安裝2～3個(gè)加速度計(jì)，用來測量列車的加速度信息,比較多個(gè)加速度計(jì)的測量結(jié)果，以確認(rèn)輸出的有效性，提供高可用性；在列車每端各安裝1個(gè)應(yīng)答器天線，用于列車絕對(duì)定位。在列車正常運(yùn)行時(shí)，如沒有發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)打滑，則車載控制器利用速度傳感器的信息來計(jì)算列車的速度；如出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)打滑，則車載控制器根據(jù)空轉(zhuǎn)滑行開始前的列車速度，利用加速度計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償，來計(jì)算當(dāng)前的列車速度和位置，待空轉(zhuǎn)打滑結(jié)束后，再將速度和位移的測量切換回速度傳感器。

該測速定位方案技術(shù)比較成熟。加速度計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，易于安裝，成本也相對(duì)較低，能提供比較精確的速度及位置信息，工程項(xiàng)目應(yīng)用比較廣泛。方案二主要存在以下問題：①加速度計(jì)在軌道不平整、列車過道岔或過曲線時(shí)，測量誤差及噪聲比較大，會(huì)引起測速系統(tǒng)誤判斷；②由于受線路補(bǔ)償坡度誤差、加速度計(jì)安裝誤差及信號(hào)采集誤差等因素的影響，測速算法相對(duì)比較復(fù)雜；③加速度計(jì)雖價(jià)格低于多普勒雷達(dá)，但也增加了成本。

2.3 方案三

方案三為編碼里程計(jì)+應(yīng)答器方案。在列車頭尾各安裝1個(gè)獨(dú)立的編碼里程計(jì)，用于測量列車車輪的速度；在列車頭尾各安裝1個(gè)應(yīng)答器天線，用于列車絕對(duì)定位。該測速方案一端僅需安裝1個(gè)編碼里程計(jì)。在編碼里程計(jì)內(nèi)部，外圈布置3個(gè)通道的傳感器，用來測量速度及運(yùn)行方向確認(rèn)，內(nèi)圈傳感器用于齒數(shù)編碼。通過比較內(nèi)外圈測量結(jié)果的一致性，可安全地計(jì)算列車的速度。如果1個(gè)齒損壞或未被任何傳感器檢測到，則所計(jì)量的齒數(shù)將無法與車輪的位置編碼相對(duì)應(yīng)，所測得的速度無效，從而實(shí)現(xiàn)安全速度測量。

編碼里程計(jì)+應(yīng)答器測速定位方案已在上海、北京、廣州、深圳、鄭州及成都等多個(gè)城市軌道交通項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用，技術(shù)較成熟，其測速定位設(shè)備較簡單，成本比較低。方案三主要存在以下問題：①方案采用了單一的測速設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)/打滑時(shí)，補(bǔ)償誤差會(huì)比較大；如果通過在線路上布置較多的應(yīng)答器來減少定位誤差，則會(huì)增加應(yīng)答器的成本；②方案采用了偏保守的處理方式，在氣候潮濕的室外線路易受車輪空轉(zhuǎn)打滑的影響。

2.4 方案四

方案四為速度傳感器+應(yīng)答器方案。在列車每端各安裝2個(gè)速度傳感器和1個(gè)應(yīng)答器天線，對(duì)每端的2個(gè)速度測值進(jìn)行比較及相互診斷，以確認(rèn)速度測量值的有效性，當(dāng)列車出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)打滑時(shí)，根據(jù)2個(gè)速度傳感器的測量值進(jìn)行補(bǔ)償，以保證列車測速的安全可信；線路上每隔一定距離布置應(yīng)答器，以減少列車?yán)鄯e的定位誤差。

該定位方案已在基于軌道電路的固定閉塞及準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，技術(shù)比較成熟，其測速定位設(shè)備較簡單。方案四主要存在以下問題：①方案僅使用了輪軸速度傳感器，當(dāng)出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)打滑時(shí)，需進(jìn)行較大誤差補(bǔ)償，從而影響了定位系統(tǒng)的追蹤性能。②方案的速度及位置信息計(jì)算精確性一般，為獲得較高的測速定位精度，需要在線路上布置較多的應(yīng)答器加以誤差修正，增加了應(yīng)答器成本。

2.5 方案對(duì)比

表1為4種測速定位方案的對(duì)比。在測量精度方面：方案一和方案二使用了雷達(dá)或加速度計(jì)進(jìn)行空轉(zhuǎn)打滑的補(bǔ)償，其測速誤差通常可以控制在3%左右；方案三和方案四未設(shè)置專門的非輪軸傳感器來檢測車輪空轉(zhuǎn)打滑，故需要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，其測速誤差最大可達(dá)15%。在成本方面：方案一的多普勒雷達(dá)費(fèi)用約為幾萬元，成本最高；方案三僅使用單個(gè)編碼里程計(jì)，成本最低。在可靠性方面：方案一的雷達(dá)易受雨雪等環(huán)境的影響；方案三的單一編碼里程計(jì)一旦發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致測速不可用；方案二和方案四的可靠性比較高。在設(shè)備安裝方面：方案一的雷達(dá)安裝在車底，安裝難度大、要求高；方案三和方案四設(shè)備少，易安裝。在安全性評(píng)估方面：方案一的雷達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及算法比較復(fù)雜，安全分析存在難度，而速度傳感器和加速度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單；方案四的傳感器配置有利于安全評(píng)估。

每種測速定位方案有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。從綜合評(píng)估結(jié)果來看，方案二更具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

表1 各種測速定位方案對(duì)比

3 結(jié)語

本文對(duì)適用于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)測速的常用傳感器，從測量原理、誤差影響因素、失效模式及傳感器復(fù)雜度等方面進(jìn)行了深入分析。每種傳感器都有其固有的優(yōu)勢(shì)和不足，需要進(jìn)行多種傳感器組合。對(duì)速度傳感器+多普勒雷達(dá)+應(yīng)答器、速度傳感器+加速度計(jì)+應(yīng)答器、編碼里程計(jì)+應(yīng)答器、速度傳感器+應(yīng)答器這4種城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)典型的測速定位方案，從測量精度、成本、系統(tǒng)可靠性、設(shè)備安裝、安全性評(píng)估方面進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明，速度傳感器+加速度計(jì)+應(yīng)答器方案更符合城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)對(duì)測量精度、成本、可靠性、設(shè)備安裝及安全性評(píng)估等方面的要求。