张静轩

（国家能源投资集团有限责任公司，北京100010）

轨道交通运输具有运载量大、运行速度高、安全可靠、舒适度好、节能环保等优点，在城市公共交通、城际客运、货运等行业占据重要地位。而测速测距功能对列车安全运行具有非常重要的作用，在列车运行控制系统中占据着重要的地位。

既有列车测速系统中常使用轮轴传感器进行测速定位，轮轴式速度传感器可通过检测其所在车轮的转动圈数来精确计算出车轮的速度，具有测速稳定性高，无累计测距误差等优点，但是轮轴传感器直接与车轮相连，存在车轮空转或滑行时，测速测距与真实值偏差很大，不能满足精度要求[1-3]。

为解决空转滑行对轮轴传感器测速的影响，常使用加速度计或雷达来辅助监督车轮的空转和打滑情况，并测量列车在空转和打滑后的真实速度。雷达传感器基于多普勒效应进行测速，通过向列车运行时所在轨面发射多普勒波并接收单位时间内由地面反射回来的多普勒波来计算列车运行速度[4-5]。该传感器通常安装在列车底部，工作环境比较恶劣，容易受到雨雪天气影响。又因为其测速机理是检测波的反射，因此也容易受到轨面积水、碎石道床和整体道床转换等影响；测速雷达在发生故障后的更换流程也较为繁琐，设备可维护性较低[6-9]。

加速度计设备安装在车厢内部，通过与车体刚性连接来接收列车在运行过程中的实时加速度，该传感器在测量列车加速度时不依赖列车的运行环境，不会受到天气或路面情况的影响，更有利于推广应用到城轨市轨道交通线路中。但加速度计在测量加速度时会受到列车车身所在坡度的影响。在城轨列控系统中，列车普遍通过获取车身定位和车载电子地图结合的方式来获取列车所在位置的实时坡度，并用该坡度来修正加速度计输出的列车实时加速度值。原理上，在列车有车身定位时，可通过加速度计来监督速传的空滑情况。但在列车无车身定位时，加速度计就会因为无法得到坡度补偿而无法准确判断速传是否发生空转和打滑。

本文使用3 个加速度计和2 个轮轴速度传感器进行组合测速，提出使用冲击率判断空转和滑行的检测方法，并在判断有空转滑行时使用加速度计进行测速补偿，最终得到较为精确的测速结果。

1 系统组成

本文所描述的基于速传和加速度计融合的列车运行速度测量系统主要由5 个部分组成，包括：3个加速度计、2 个速度传感器、A/D 采集电路、嵌入式处理器、速传加速度计融合算法，如图1所示。

图1 基于速传和加速度计融合的列车运行速度测量系统构架图Fig.1 Frame diagram of train speed measurement system based on fusion of speed transmission and accelerometer

其中，2 个速传实现冗余功能，单速传故障时可继续使用另一速传进行测速。3 个加速度计组成三取二架构，保证测试系统的安全性和可用性。加速度计在安装时需与车体刚性连接，确保加速度计的运动状态与真实的列车车体运动状态一致。测速系统工作时，嵌入式处理器驱动A/D 采集电路来实时采集2 个速传的测速信息和3 个加速度计的加速度测量值，再将这些测量值输入至速传加速度计融合算法中，由融合算法来判断列车的空滑/打滑状态并给出列车的真实运行速度。

2 速传加速度计融合测速算法

基于速传和加速度计融合的列车运行速度测量系统共包含3 个加速度计，三路加速度计构成三取二结构。在使用加速度计输出的加速度值前，系统先将3 个加速度计进行两两组合，得到3 种组合配对方式，并对每种组合进行表决，根据表决结果计算融合后的加速度值。

2.1 加速度计加权融合策略

2.1.1 加速度计零位和坡度补偿

1）加速度计在测量列车加速度时，会受到重力加速度在坡度上的分量的影响，如图2所示。加速度计测量数据处理如下：

图2 加速度计在坡道上测加速度时的受力情况Fig.2 Force condition of accelerometer when measuring acceleration on ramp

为消除噪声和其它干扰，首先对加速度测量值进行低通滤波。式（1）中，An为加速度计测量值；A为滤波处理后的加速度值；n为测速周期；p1为滤波系数，取值为8。

然后进行坡度补偿，如图2所示，当列车车身处上坡区段时：

当列车车身处于下坡区段时：

2）加速度计设备存在安装误差，会导致加速度计存在一个固有的初始测量误差azero。

综上，在使用加速度计进行列车加速度测量时，需用坡度和零位误差对其测量值进行补偿，才能准确的计算出列车的真实加速度。

2.1.2 加速度计加权融合

三个加速度计输出的加速度值进行三取二表决，根据表决结果进行加权计算，三路加速度计的表决原理如图3所示。

图3 加速度计表决原理图Fig.3 Schematic diagram of accelerometer voting

加速度计在测量加速度时存在瞬时测量误差，不同加速度之间也存在个体误差，因此，在进行加速度值三取二表决时，需考虑一定的允许误差。当2个加速度计输出的加速度值之间的差值小于允许误差时，则认为表决通过，否则认为表决失败。表决结果将决定3 个加速度计输出的加速度值在计算列车有效加速度值时的权重，权重计算方式如表1所示。

表1 加速度计三取二表决结果及加速度值权重对应表Tab.1 Accelerometer triple-to-two voting result and accelerometer weight correspondence table

将不同加速度计的加速度值乘上其对应的权重，可得到3 个权重值，再将3 个权重值加起来，则可得到最终有效的列车运行加速度值。

根据表1 中3 个加速度计的加权系数对3 路加速度数据加权融合：

式中：AccValue为融合后加速度值；Ai为其中一路加速度值；Wi为加权系数；N为加速度计数量，取值为3。

需要注意的是，当3 个表决结果均为表决失败时，本次加速度计三取二表决结果失败，表决值无效。

使用3 个加速度计可起到硬件冗余的效果。当1 个加速度计故障时，系统还可通过另外2 个加速度计来计算列车有效加速度，整个系统的可用性得到保障。

2.2 速传空转/打滑检测

2.2.1 加速度差值判断空转滑行

若列车当前位置有效，根据列车位置查询列车当前坡度为α，则当周期列车实际的加速度值可根据上文内容计算得出，通过加速度计计算得出的列车实际加速度，与速度传感器的加速度进行比较：

（1）当速度传感器处于正常状态时，若比较结果的绝对值大于空滑进入门限值时，则认为速度传感器发生打滑，小于则认为速度传感器发生空转。

（2）当速度传感器处于空转或打滑状态时，若比较结果的绝对值小于空滑退出门限值时，速度传感器恢复正常状态。

2.2.2 冲击率判断空转滑行

由于加速度计测量的加速度信息受到列车所处位置的坡度影响，因此在列车无定位时无法获取坡度信息，无法使用加速度计的加速度信息判断轮轴传感器速传数据是否出现空转或滑行。

本文测速系统使用冲击率进行列车空转或滑行状态判断，测速过程中系统实时计算单个速传的瞬时冲击率，当检测到瞬时冲击率的绝对值大于等于速传的空转/打滑判断门限时，则判定该速传发生空转/打滑。被判定出空滑后的速传将被算法置为测速异常状态。当两个速传均处于测速异常状态时，测速算法将使用加速度计输出的加速度和先前速传未异常时的速度信息来计算得出当前的列车运行速度，如图4所示。

图4 基于速传和加速度计融合的测速算法流程Fig.4 Velocity measurement algorithm flow chart based on fusion of velocity transmission and acceleromete

为了保证计算数据的平滑和稳定性，防止噪声导致误差增大，消除由于机械振动或电磁串扰引起的传感器信号失真，需要对速度传感器和加速度计的测量数据进行滤波处理：

式中：n表示周期数；Vn为速度传感器测量值；V为经过一阶低通滤波处理后的车轮速度；p1为滤波系数，取值为10。

测速系统每周期将分别计算2 个速传在当周期的冲击率，计算方法如下：

式中：n是测速系统运行的周期数；T是测速系统运行的周期长度，单位s；Vn是速传每周期输出的速度值，单位m/s；An是根据速传速度计算出的加速度，单位m/s2；Jn是根据速传速度计算出的冲击率，单位m/s3。

当速传的瞬时冲击率的绝对值大于等于空滑判断门限时，则系统判定该速传发生空滑；当速传的瞬时冲击率的绝对值小于空滑判断门限时，则系统判定该速传退出空滑。当两路速传都检测出现空转或滑行现象且加速度计状态正常时，应使用加速度计测量数据积分获得列车实时运行速度。

3 试验验证

3.1 试验概况

在国内某地铁线进行了列车空滑测试试验，试验内容如表2所示。

表2 地铁列车空滑测试试验项说明Tab.2 Explanation of test items for skip test of metro train

其中：“P”表示“列车牵引力”；“B”表示“列车电制动力”；百分比表示牵引力/电制动力的大小；“快速制动”表示“列车最大常用制动”；“EB”表示“列车紧急制动”；“惰性”表示“列车不牵引不制动”；“-＞”表示列车工况转换。

试验过程中，试验人员在试验轨道上提前洒好肥皂水，为列车车轮空滑制造条件。

3.2 试验数据及分析

列车空滑试验项一（0 km/h-＞100%P-＞60 km/h-＞快速制动），速度传感器在空滑试验时输出的速度值曲线如图5所示。

图5 速度传感器在空滑试验时输出的速度值曲线Fig.5 Output velocity curve of speed sensor during air sliding test

图5 中，横轴表示测速系统的周期（单位：0.2 s），纵轴表示速度 （单位：cm/s），sdu_out_spd表示测速系统输出的有效速度，ODO1_SPD和ODO2_SPD表示列车车头的2 个速传输出的速度，ODO3_SPD和ODO4_SPD表示列车车尾的2 个速传输出的速度。当司机在车头驾驶室控车时，测速系统取用的速传速度为ODO1_SPD和ODO2_SPD；当司机在车尾驾驶室控车时，测速系统取用的速传速度为ODO3_SPD和ODO4_SPD。

由图5 可看出，4 个速传在本次空滑实验中均出现了不同程度的打滑。根据速传速度计算出的冲击率值曲线如图6所示。

图6 根据速传速度计算出的冲击率值曲线Fig.6 Impact rate curve calculated according to the speed of transmission

图6 中，横轴表示测速系统的周期（单位：0.2 s），纵轴表示冲击率（单位：m/s3），ODO1_imp，ODO2_imp，ODO3_imp，ODO4_imp分别表示的是4 个速传的冲击率。

分析本次试验数据可知，在使用该试验线路和试验车辆的背景下，选取冲击率的空滑判断门限为5 m/s3时，本测速算法判断速传空滑的准确性可达到100%。

列车空滑试验项二（100%P-＞45 km/h-＞90%B），如图7～图9所示。

图7 列车空滑时的速传速度和利用加速度计补充的积分速度曲线Fig.7 Velocity-transmitting speed and integral velocity curve supplemented by accelerometer during skipping

图8 列车空滑时的速传速度和利用加速度计补充的积分速度曲线Fig.8 Velocity-transmitting speed and integral velocity curve supplemented by accelerometer during skipping

图9 使用加速度计来累积距离所产生的测距误差Fig.9 Ranging error caused by accumulating distances with an accelerometer

分析测速系统的测距误差可知，从速传1 发生滑行时开始对加速度计的加速度进行积分来算速度，6 s 后的加速度计累计测距与速传累计测距误差范围为［0.5414%，4.45%］；10 s 加速度计累计测距与速传累计测距误差范围为［0.9816%，5.96%］；15 s加速度计累计测距与速传累计测距误差范围为［1.6379%，9.0352%］。

综上，双速传均发生故障时，选择合适的加速度计使用时间便可将测速系统所输出的测速测距误差控制在规定范围内。

4 结语

本文提出一种基于速传和加速度计融合的列车运行速度测量系统。本系统通过选择合适的速传冲击率判断门限，可准确检测出列车的车轮发生的空滑情况。系统再结合经过坡度补偿后的加速度计输出的加速度值，可准确计算出列车的真实速度。系统采用了两速传和三加速度计的硬件架构，使得整个系统的可用性和安全性得到提升，有利于推广应用到所有使用速传测速的城市轨道交通列控系统中。