地鐵列車測(cè)速探究

胡玉山

摘 要：蘇州軌道交通1、2、5號(hào)線采用西門子信號(hào)系統(tǒng)，2、4號(hào)線采用卡斯柯信號(hào)系統(tǒng)，其車載測(cè)速單元有所不同，西門子系統(tǒng)列車測(cè)速通過(guò)測(cè)速電機(jī)和雷達(dá)共同進(jìn)行，卡斯柯系統(tǒng)列車測(cè)速通過(guò)編碼里程計(jì)進(jìn)行。本文通過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)列車測(cè)速方式特點(diǎn)分析比較，為現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;列車測(cè)速;分析比較

1引言

列車測(cè)速，就是測(cè)量列車在軌道上運(yùn)行實(shí)時(shí)速度，目的是速度防護(hù)和列車定位。速度防護(hù)是通過(guò)車載測(cè)速設(shè)備將實(shí)際速度輸送給車載子系統(tǒng)，并與緊制速度曲線對(duì)照，一旦列車實(shí)際速度超過(guò)緊制速度，列車產(chǎn)生信號(hào)緊制;列車定位依靠車載測(cè)速設(shè)備和布置在軌道中央的固定點(diǎn)式應(yīng)答器（信標(biāo)）組合得出，車載測(cè)速設(shè)備計(jì)算列車走行距離，應(yīng)答器（信標(biāo)）提供報(bào)文位置數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一定的算法得出列車在線路上的定位，并通車、地?zé)o線控制單元，實(shí)時(shí)連續(xù)地將列車位置報(bào)至中央控制器，進(jìn)而得到移動(dòng)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)列車在線路上安全運(yùn)行。

2測(cè)速單元基本情況

2.1西門子車載測(cè)速單元

由測(cè)速電機(jī)（OPG）和雷達(dá)測(cè)速裝置組成的，列車結(jié)合兩路輸入通過(guò)一定的計(jì)算方法得出最終速度、定位。

2.1.1測(cè)速電機(jī)

OPG 安裝在車輪上，其根據(jù)車輪周長(zhǎng)和車輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，計(jì)算出列車走行距離，進(jìn)而算出速度。原理是車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車輛傳輸板帶動(dòng)OPG舌片轉(zhuǎn)動(dòng)，OPG內(nèi)部通過(guò)把車輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算距離速度，并發(fā)送給車載控制單元OBCU。由于車輪空轉(zhuǎn)打滑和磨耗，位移計(jì)算值會(huì)有誤差，列車經(jīng)過(guò)地面固定應(yīng)答器，車底應(yīng)答器天線與地面應(yīng)答器“刷卡”獲取其識(shí)別編號(hào)ID報(bào)文（每個(gè)固定應(yīng)答位置在軌道數(shù)據(jù)庫(kù)中有定義），進(jìn)而次獲得定位精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。如果誤差值超過(guò)一定的安全允許值，或經(jīng)過(guò)連續(xù)兩個(gè)固定應(yīng)答器未獲得報(bào)文，則列車定位失敗，嚴(yán)重的需切除ATP運(yùn)行。

2.1.2測(cè)速雷達(dá)

多普勒雷達(dá)是一種直接測(cè)量速度和距離的設(shè)備。列車上的多普勒雷達(dá)始終向軌面發(fā)射電磁波，由于列車和軌面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)多普勒頻移效應(yīng)原理，在發(fā)射波和反射波之間產(chǎn)生頻移，通過(guò)測(cè)量頻移計(jì)算出列車的運(yùn)行速度，進(jìn)一步計(jì)算出列車走行距離。其克服了車輪磨損、空轉(zhuǎn)或滑行等造成的誤差，可以連續(xù)測(cè)速、測(cè)向和定位。

OPG和雷達(dá)共同將數(shù)據(jù)輸入車載OBCU，實(shí)現(xiàn)列車定位、測(cè)速和列車停穩(wěn)檢測(cè)等功能。列車低速運(yùn)行時(shí)OPG測(cè)速較準(zhǔn)確，高速運(yùn)行時(shí)雷達(dá)測(cè)速較準(zhǔn)確。

2.2卡斯柯測(cè)速單元

編碼里程計(jì)由多個(gè)傳感器組成，其連接到車軸。原理是編碼盤與車軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射二極管發(fā)出的連續(xù)光束被編碼盤遮斷，接收晶體管探測(cè)到脈沖光束，并產(chǎn)生一個(gè)與編碼盤轉(zhuǎn)速相應(yīng)比例的頻率，頻率經(jīng)放大器元件傳輸給外部評(píng)估系統(tǒng)（見圖1）。3個(gè)傳感器（C1，C2，C3）完成速度測(cè)量和確定走行方向，1個(gè)傳感器（C4）完成編碼任務(wù)，C1、C2和C3所數(shù)到的齒數(shù)用以計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，C4進(jìn)行編碼檢測(cè)（見圖2）。通過(guò)比較所有這些測(cè)量方式的一致性，ATP可以安全地計(jì)算列車的速度。

卡斯柯系統(tǒng)的位移測(cè)量與車輪直徑也相關(guān)，而輪徑通過(guò)測(cè)量列車通過(guò)兩個(gè)信標(biāo)之間的已知距離時(shí)所轉(zhuǎn)動(dòng)的輪周數(shù)來(lái)自動(dòng)進(jìn)行，編碼里程計(jì)通過(guò)MTIB（移動(dòng)列車初始化信標(biāo)）來(lái)校核輪徑，每天當(dāng)列車從車輛段場(chǎng)進(jìn)入正線時(shí)，車載控制器CC都將校準(zhǔn)它的編碼里程計(jì)。

列車定位也需輔以信標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)CC通過(guò)信標(biāo)時(shí)，車底信標(biāo)天線“刷卡”捕獲該地面固定信標(biāo)識(shí)別號(hào)和位置參數(shù)。而列車實(shí)際位置總是根據(jù)信標(biāo)位置加上編碼里程計(jì)測(cè)出的位移組合得出。由于車輪空轉(zhuǎn)打滑效應(yīng)，位移測(cè)量會(huì)產(chǎn)生誤差。CC在每個(gè)重新定位點(diǎn)之間根據(jù)通過(guò)的上一個(gè)定位信標(biāo)的位置，周期性地估算自己的安全位置、計(jì)算列車最大和最小可能位置。該原理保證列車的實(shí)際位置總是在ATP最大定位報(bào)告和ATP最小定位報(bào)告之間。

列車停車時(shí)，CC通過(guò)檢測(cè)編碼里程計(jì)的最小轉(zhuǎn)動(dòng)角來(lái)檢查零速信息，當(dāng)主駕激活端編碼里程計(jì)檢測(cè)到零速信息時(shí)，與另一端冗余的編碼里程計(jì)及車輛提供的零速度信息進(jìn)行比較。若都一致，則CC認(rèn)為列車已停穩(wěn)。若都不一致，則檢測(cè)出機(jī)械故障。

3兩系統(tǒng)測(cè)速設(shè)備比較

3.1設(shè)備組成與測(cè)速精度

3.1.1西門子測(cè)速系統(tǒng)由OPG與雷達(dá)兩個(gè)測(cè)速單元共同工作，通過(guò)車載子系統(tǒng)高效算法得出最終速度值，測(cè)速精度小而精，非常準(zhǔn)確。

3.1.2卡斯柯測(cè)速系統(tǒng)僅有編碼里程計(jì)一種測(cè)速方式，其最小顯示精度為1Km/h，最小位移測(cè)量值為3m，測(cè)速精度一般。

3.2故障情況

3.2.1西門子測(cè)速單元

a.OPG故障主要來(lái)源于列車長(zhǎng)期運(yùn)行，OPG舌片與車輛傳輸板之間機(jī)械連接處因晃動(dòng)導(dǎo)致連接舌片的彈簧連接器斷裂，OPG無(wú)法正常工作，導(dǎo)致列車計(jì)算緊制速度不準(zhǔn)，列車無(wú)法正常運(yùn)行，需切ATP運(yùn)行。

b.西門子雷達(dá)故障主要集中在設(shè)備偶發(fā)性不工作導(dǎo)致列車ATO對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)。當(dāng)雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間不工作，則會(huì)導(dǎo)致位置不確定性累計(jì)擴(kuò)大而失去定位，導(dǎo)致列車緊制、降級(jí)。

c.OPG與雷達(dá)故障均為硬件故障。

3.2.2卡斯柯測(cè)速單元

a.編碼里程計(jì)故障主要來(lái)源于鎖軸，原因?yàn)樗緳C(jī)持續(xù)1km/h運(yùn)行導(dǎo)致編碼里程計(jì)探測(cè)不到列車移動(dòng)速度，CC系統(tǒng)將結(jié)合冗余端編碼里程計(jì)速度和車輛速度，判斷編碼里程計(jì)被切除，此時(shí)車載顯示器DMI會(huì)產(chǎn)生CC顯黃或CC顯紅，對(duì)應(yīng)為暫時(shí)性鎖軸、永久性鎖軸，這時(shí)一般重啟CC即可恢復(fù)。因此，司機(jī)駕駛速度要保持超過(guò)1Km/h，否則就會(huì)產(chǎn)生鎖軸故障。

b.編碼里程計(jì)故障，大多為卡斯柯系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)原理，非硬件故障。

4日常維護(hù)分析

4.1西門子測(cè)速系統(tǒng)，由于輪徑磨耗問(wèn)題和車載系統(tǒng)非實(shí)時(shí)檢測(cè)輪徑，所以需要定期檢查修正輪徑值和雷達(dá)校準(zhǔn)，根據(jù)車輛專業(yè)提供輪徑值數(shù)據(jù)，登陸現(xiàn)場(chǎng)可更換單元LRU網(wǎng)頁(yè)修改輪徑值;利用雷達(dá)校準(zhǔn)軟件從車載ATP系統(tǒng)讀取雷達(dá)和OPG測(cè)速數(shù)據(jù)，以O(shè)PG速度為基準(zhǔn)得出k值（雷達(dá)因子），并將雷達(dá)因子保存在車載系統(tǒng)中;當(dāng)車輛鏇輪后，必須進(jìn)行雷達(dá)校準(zhǔn)，以此來(lái)保障測(cè)速準(zhǔn)確性。OPG設(shè)備由于存在彈簧連接器斷裂的可能性，則需要定期對(duì)其進(jìn)行拆卸檢查維護(hù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。

4.2卡斯柯測(cè)速系統(tǒng)，因車載系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)輪徑，則無(wú)需定檢;即使車輛進(jìn)行鏇輪后，也無(wú)需進(jìn)行校正，列車只需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換軌的兩個(gè)輪徑校準(zhǔn)信標(biāo)，車載CC系統(tǒng)就能自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)。維護(hù)較為方便。

5總結(jié)

從資金投入角度來(lái)看，卡斯柯車載測(cè)速設(shè)備低于西門子;從維護(hù)角度來(lái)看，卡斯柯比西門子簡(jiǎn)便;從司機(jī)駕駛角度來(lái)看，卡斯柯比西門子測(cè)速精度低，對(duì)司機(jī)駕駛要求高;從目前蘇州地鐵5條線的車載測(cè)速設(shè)備故障率來(lái)看，卡斯柯比西門子故障率低。各地鐵公司可根據(jù)實(shí)際需要選擇使用。同時(shí)，作為地鐵檢修人員，應(yīng)不斷探索深度維修技術(shù)，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定率。

6參考文獻(xiàn)

[1]蘇州軌道交通1號(hào)線西門子信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書

[2]蘇州軌道交通3號(hào)線卡斯柯信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書