一種適用于山地齒軌的測速測距系統研究

劉 霞，孫曉光，周延昕

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

國內軌道交通線路的發展，主要服務于旅游景區內及景區之間的山地齒軌交通憑借爬坡能力強等特點正在逐步走入建設運營方的視野。各地正在積極推進山地齒軌交通的落地，開展相關示范應用。本文提出了一種適用于山地齒軌的測速測距方案，通過仿真環境對測速測距系統開展仿真測試。

1 概述

山地齒軌軌道交通主要服務于旅游景區內部、景區之間以及沿線主要城鎮的低運量客流運輸，尤其適用于地形起伏大的山地線路，其爬坡能力可達350‰。國外山地齒軌已開展較為普遍的應用，包括1869年建成的美國華盛頓山齒軌鐵路、1889年建成的瑞士皮拉圖斯齒軌鐵路、1896年建成的英國斯諾登山齒軌鐵路、1974年建成的法國里昂地鐵C線、1988年建成的澳大利亞科修斯克國家公園齒軌鐵路、1990年建成的日本井川線鐵路等[1-2]。齒輪齒軌系統是山地齒軌交通的重要組成部分，主要有Marsh、Locher、Ruggenbach、Strub、Abt、Margan等形式[3-8]。

與傳統信號系統相比，山地齒軌交通具有車輪測速和齒輪測速切換、運營坡度大等特點，對列車控制系統車載設備測速測距系統適應性要求高。為適應山地齒軌交通系統，本文通過安裝在車輪、齒輪的速度傳感器進行基礎測速測距，利用多普勒雷達、三向加速度傳感器進行空轉打滑及速度傳感器切換區域補償，并在室內進行仿真驗證。

2 測速測距系統設計

山地齒軌交通測速測距設備需要考慮鋼軌驅動、齒軌驅動切換的特殊點。在鋼軌驅動、齒軌驅動的切換區域可能存在空轉打滑情況，在應用到列車控制系統車載設備時，需解決測速測距精度、冗余性等問題。

2.1 系統結構設計

測速測距系統通過速度傳感器、多普勒雷達和三向加速度傳感器計算測速測距信息，測速測距系統結構如圖1所示。在雙端車輪及齒輪上各加裝1個速度傳感器、1個多普勒雷達，雙端各加裝2個三向加速度傳感器。速度傳感器采用3路脈沖信號與車載設備通信，多普勒雷達采用RS-485接口與車載設備通信，加速度傳感器采用RS-422接口與車載設備通信。車輛兩端的車載設備通過TRDP網絡進行連接，交互測速測距信息。

圖1 測速測距系統結構Fig.1 Speed and distance measurement system structure

2.2 測速測距算法設計

測速測距系統在鋼軌驅動區段采用安裝在車輪的速度傳感器進行速度計算，采用多普勒雷達進行空轉打滑補償。

測速測距系統在齒軌驅動區段采用安裝在齒輪的速度傳感器進行速度計算，采用三向加速度傳感器進行速度平滑及距離補償。

測速測距系統在鋼軌驅動、齒軌驅動過渡區域，采信尾端的測速測距系統計算結果，通過三向加速度傳感器進行速度平滑及距離補償。

因鋼軌驅動、齒軌驅動的過渡區域長度較短，一般小于一個列車長度，通過工程設計保證列車兩端不同時在過渡區域，所以列車兩端均在過渡區域的測速測距可不考慮。

測速測距算法的主要流程如圖2所示。

圖2 測速測距主要流程Fig.2 Speed and distance measurement system flow chart

3 仿真測試

在室內搭建測試環境，通過脈沖信號、RS-485、RS-422接口模擬速度傳感器、多普勒雷達、三向加速度傳感器向車載設備發送信息，測試驗證測速測距系統的可用性。

3.1 仿真測試環境

仿真測試環境主要包含仿真運行單元、故障注入模擬單元、傳感器模擬單元、測速測距結果分析單元4個部分，如圖3所示。

圖3 仿真測試環境結構Fig.3 Simulation test environment structure

3.2 仿真測試結果

通過仿真系統測試該測速測距系統在山地齒軌交通中鋼軌驅動區域、鋼軌向齒軌驅動切換區域、齒軌驅動區域、齒軌向鋼軌驅動切換區域的測速測距效果，驗證其可行性。如圖4所示，標號1為鋼軌驅動階段，車輪速度傳感器空轉打滑，雷達測速正常，測速測距系統采用雷達進行速度補償。標號2為車輪驅動向齒軌驅動切換階段，首端進入鋼軌驅動向齒軌驅動過渡階段，采信尾端的測速測距信息；首端越過過渡區段時，采用本端測速測距信息；在首尾端測速測距信息切換時采用三向加速度傳感器信息進行平滑處理。標號3為齒軌驅動向車輪驅動切換階段，首端進入齒軌驅動向鋼軌驅動過渡階段，采信尾端的測速測距信息；首端越過過渡區段時，采用本端測速測距信息；在首尾端測速測距信息切換時，采用三向加速度傳感器信息進行平滑處理。

圖4 仿真測試結果Fig.4 Simulation test result

4 結論與展望

山地齒軌交通憑借其爬坡能力強等特點，成為景區內及景區間交通領域的熱點發展方向。本文描述一種適用于山地齒軌交通的測速測距系統，并通過室內仿真測試驗證其可用性，后續將在現場實際線路中開展示范應用進一步驗證。