２０１４年７月 铁道通信信号 Ｊｕｌｙ ２０１４ 第５０卷第７期 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０Ｎ Ｖｏ１．５０ Ｎｏ．７ ＣＴＣＳ３—３００Ｔ列控车载设备速度跳变分析 李泽光 摘要：从列控车载设备测速、测距系统组成及工作原理出发，对ＣＴＣＳ３－３００Ｔ型列控车载设备 速度跳变原因进行分析，在日常维护作业中，采取有针对性措施减少速度跳变对行车的影响。 关键词：ＣＴＣＳ３．３００Ｔ列控车载设备；测速测距；雷达 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｕｍｐ ｏｆ ＣＴＣＳ３—３００Ｔ ｏｎ—ｂｏａｒｄ ｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅ— ｖｉｃｅｓ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｗｏｒｋ，ｗｅ ｔａｋｅ ｓｏｍｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｊｕｍｐ ｏｎ ｔｒａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＴＣＳ３－３００Ｔ ｔｒａｉｎ ｏｎ—ｂｏａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；Ｄｉｓｔａｎｃｅ—Ｓｐｅｅｄ；Ｒａｄａｒ ＤｏＩ：１０．１３８７９／ｊ．ｉｓｓｎｌ０００－７４５８．２０１４－０７．１４１９７ 列车测速、测距的基本功能是在任何时刻、任 ３００Ｔ型ＡＴＰ设备的测速、测距系统包括２个 何地方都能精确、及时地确定列车的具体速度和位 转动测速传感器、２个雷达测速传感器、２个ＳＤＵ 置，包括列车运行安全的相关间隔、速度等信息。 设备和１个ＳＤＰ设备，测速、测距系统组成示意 列车测速、测距系统的作用主要体现在：地面控制 图如图１所示。无论车载设备使用哪一系工作，均 中心根据列车的位置信息进行间隔控制，保证列车 使用同一套测速系统单元，如果测速系统单元故 运行的安全间隔；车载设备根据列车的位置和速度 障，将直接导致车载设备不能正常工作。 信息，通过速度模式控制曲线对列车进行控制。因 此，列车测速、测距在整个运行控制系统中有着非 常重要的作用。 速度跳变就是动车组在运行过程中，速度发生 抖动，突然升高的现象，特别是在动车组匀速行驶 过程中较为明显，影响测速、测距系统的精度。另 外，如果司机将动车组速度控制在接近ＡＴＰ制动 曲线附近时，一旦发生速度跳变，将导致动车组停 车制动，严重影响司机操作和乘客乘坐的舒适性。 图１ 测速、测距系统组成示意图 １ ３００Ｔ型ＡＴＰ设备测速、测距系统组成 ２测速、测距系统工作原理 列车的测速方式多种多样，例如轮对转动测 ＣＴＣＳ３．３００Ｔ型ＡＴＰ设备测速、测距系统以转 速、雷达测速、ＧＰＳ系统测速、惯性导航系统测速 动测速传感器作为参照基准，以雷达作为主要信号 等，其中轮对转动测速和雷达测速是高速铁路的主 源，综合了转动测速传感器信号较稳定，以及雷达 流测速技术。无论采用哪种测速方式，核心目标均 测速不受车轮空转、打滑影响的优点。 是为了提高测量精度和可靠性。 ２．１转动测速 通过测量车轴的转动速度来获得列车速度信 李泽光：北京铁路局石家庄电务段工程师０５００００石家庄 息，车轮的转速乘以车轮的周长就是列车的直线运 收稿日期：２０１４－０４－０９ 动速度。因此，通过采集安装在轮轴上转速传感器 ．．．——９．．．—— 铁道通信信号２０１４年第５０卷第７期 中的轮轴脉冲，利用该脉冲频率就能计算列车当前 的速度。 了４个传感器的脉冲频率信息。 ４．ＳＤＰ负责速度、距离的计算处理，分别计 ＣＴＣＳ３．３００Ｔ型ＡＴＰ设备转动测速采用的是霍 算出４个传感器测量的速度信息（带有置信区 间），每个速度信息包含了标称值 和最小速度 。 尔传感器。根据霍尔效应，在轮轴齿轮上方安装霍 尔元件，当齿轮不同的部位经过霍尔元件时，霍尔 元件将产生不同的霍尔电压，通过测量霍尔电压变 、最大值 ５．ＣＴＣＳ３．３００Ｔ的测速、测距系统工作时，首 先判定各传感器有效性，采用有效的传感器进行计 化的频率就可以计算出轮轴频率。 ２．２雷达测速 算；然后对速度信息进行融合，选用有效传感器 多普勒雷达测速是一种直接测量速度和距离的 方法，不需要通过车轮转动的信息间接测量速度， 可有效避免因车轮空转、滑行和由于车轮磨耗导致 轮径改变而带来的误差。 雷达传感器测速技术的基本原理是：在列车上 安装多普勒雷达，雷达天线始终向轨面发射电磁 波，经过轨面反射回天线。由于列车和轨面之间有 相对运动，根据多普勒频移原理，在发射波和反射 波之间产生频移，其频率差即为多普勒频率 ， 通过测量频移就可以计算出列车的运行速度，进一 步计算出列车运行的距离。 通过数算及公式的简化， 正比于机车速 度 和天线波束方向与水平地面夹角 的余弦值： ． ： 。。 ∞ （１） 其中： 为雷达工作频率； 为列车速度；ｃ为光 速； 为天线辐射角度。 通过对回波信号进行频谱分析，求出多普勒频 率 ，从而可以根据公式（１），求出机车的速 度 ： ：—２ — —ｃｏｓａ￣ｆｃ （２）ｚ） ２．３ ３００Ｔ型ＡＴＰ设备测速、测距 １．正常情况下，４个传感器（２个转动测速 传感器、２个雷达）同时工作，转动测速传感器用 来测量轮轴的转速，雷达用来测量列车的直线运动 速度，４个传感器均输出脉冲信号。 ２．２个ＳＤＵ设备是完全相同的，每个ＳＤＵ设 备分别连接了１个转动测速传感器和１个雷达测速 传感器。ＳＤＵ设备负责将测速传感器送来的脉冲 信号转换成数字信息。 ３．ＳＤＰ设备同时连接了２个ＳＤＵ，从而获得 一】０一 （雷达＋速传）中的标称速度最大值，作为系统标 称速度。 ３速度跳变统计及原因分析 石家庄电务段对３００Ｔ型ＡＴＰ设备速度跳变问 题进行了统计分析，如表１所示。段内共配属安装 １３组３００Ｔ型ＡＴＰ设备，表１只统计了８组动车， 另外没有统计在３ ｋｍ／ｈ范围内的速度跳变。不难 发现３００Ｔ型ＡＴＰ设备速度跳变现象普遍存在。 表１速度跳变统计表 转动测速采用霍尔传感器计数方式，相对稳 定；而雷达测速采用多普勒效应，受外界影响较 大。通过数据分析也可以发现，速度跳变主要由雷 达引起，具体原因分析如下。 １．雷达硬件故障。３００Ｔ型ＡＴＰ的测速、测距 系统共有４路信号输入（２路转速传感器，２路测 速雷达），系统工作时首先判定并采用有效的传感 器速度信息进行计算，然后通过对速度信息进行融 合，计算出ＡＴＰ系统的显示速度。如果雷达本身 彻底故障，不再进行信号输出，ＡＴＰ测速、测距系 统就不会采用该信号进行速度信息融合计算，所以 不会对ＡＴＰ系统的速度造成影响，也不会造成速 度抖动。但是，雷达故障后是通过自身检测系统来 判断能否够恢复工作，如果此时ＡＴＰ测速、测距 系统认为该雷达输出信号有效，并将其采用进行融 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０Ｎ Ｖｏ１．５０ Ｎｏ．７ ２０１４ 合计算，而雷达测速信号在恢复过程中输出不稳 定，这时就很容易造成ＡＴＰ系统的速度抖动。 例如某一次数据记录显示，该车雷达２存在长 达６ ５５”无有效输出，而且恢复时，雷达２测速比 转速计测速偏高达２０８ ｃｍ／ｓ（７．５ ｋｍ／ｈ），比雷达 １测速高达９６ ｃｍ／ｓ（３．６ ｋｍ／ｈ）。通过该车的测 速、测距数据记录可以看出，雷达故障后存在输出 时有时无、输出数值偏高等现象，对ＡＴＰ测速、 测距系统融合计算造成影响，导致ＡＴＰ系统速度 跳变。 ２．雷达天线辐射角度误差。通过公式（２） 可以看出，雷达测速与雷达天线辐射的角度 密 切相关，辐射角度误差将直接导致测速误差，雷达 辐射角度误差主要有２个方面原因。 １）安装误差。在实际安装雷达天线过程中， 不可避免的存在安装角度偏差，包括测量基准面和 测量工具的误差。据统计分析，当雷达天线安装存 在０．５。的误差角时，将导致雷达０．７％一１．５％的 测量误差。 ２）振动误差。列车在运行过程中不可避免地 产生振动，长时间的振动会造成雷达松动，从而引 起更大的角度偏差。另外，振动产生的分量，对雷 达测速精度也产生一定的影响。 ３．雷达天线表面不清沽。雷达天线表面被污 物遮挡，特别是在冰雪天气时，雷达天线表面被冰 雪覆盖，将直接导致ＡＴＰ设备速度跳变，严重影 响列车运行。 ４预防措施及建议 针对上述导致３００Ｔ型ＡＴＰ设备速度跳变的原 因分析，提出如下措施及建议，降低速度跳变的幅 值范围，减少对行车的影响。 １．针对雷达硬件故障，加强对３００Ｔ型ＡＴＰ 设备数据的分析，对司机反馈或记录测速雷达故障 的信息进行重点确认，如发现雷达长时间没有输 出，则应更换雷达。 ２．根据雷达角度误差产生的原因，从２个方 面对角度误差进行改善。 １）提高安装精度，加强状态检查。雷达安装 时，通过提高测量基准面精度和测量工具精度，提 高雷达的安装精度；定期对雷达安装状态进行检 查，对雷达安装角度进行测量。但是，雷达天线安 装在动车组车底，受作业环境的，总会存在安 装误差问题。 ２）通过技术、算法改进，减少角度误差对测 速产生的影响。采用前后２个雷达的结构设计，降 低安装角度误差带来的测速、测距影响。 具体做法是将２个天线固定在结构坚固、精密 加工的刚性支架上，保证２副天线束波夹角不变； 然后通过算法将２副天线测得的速度进行融合，可 以得到较为精确的真实速度估算值，具体算法有平 均值法、角度自适校正法等。这些方法可有效降低 角度误差对测速带来的影响，对振动误差也有一定 的改善。 ３．对于雷达天线表面不清洁问题，应加强二 方面工作。 １）加强雷达表面清洁工作，遇冰雪天气时， 对雷达表面进行打蜡，减少结冰现象； ２）对３００Ｔ型ＡＴＰ设备测速、测距融合算法 进行优化，通过最优信息融合估计法，重点对雷达 工作不稳定情况进行优化，减少对系统的干扰，提 高系统的可靠性。 ４．加强雷达参数标定。根据目前３００Ｔ型ＡＴＰ 设备测速、测距工作原理，以转动测速传感器作为 参照基准，在更换雷达后或者雷达测速误差总是偏 大等情况下，及时进行雷达参数标定，使雷达测速 与转动测速传感器相匹配，减少速度跳变幅值。 ５结束语 综上所述，３００Ｔ型ＡＴＰ设备测速、测距系统 的速度跳变现象不能完全消除，但是通过采取有针 对性的措施，可大大缓解速度跳变的幅度范围，减 少了对运输的影响。另外，在软件优化、数据算法 等方面还有很大潜力，希望未来能够彻底解决速度 跳变问题。 参考文献 ［１］孙多，苏涛，钟小艳．机车多普勒测速雷达波束方向校 正方法［Ｊ］．火控雷达技术，２００９，３８（１）：４８—５５． ［２］ 陈艳华．轨道交通列车定位技术的选择与比较［Ｊ］．电 子设计工程，２０１０，１８（１１）：１８６—１８８． ［３］杨万海．多传感器数据融合及其应用［Ｍ］．西安：电 子科技大学出版社，２００４．４． （责任编辑：温志红）
