基于多普勒传感器的一种列车测距测速方法

臧朋波

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛266111）

列车测距测速系统方法研究主要针对目前城轨车辆在进行例行动调试验时，如何获取列车初始速度、制动减速度和制动距离等信息进行研究。研究内容包括：列车制动时的初始速度、制动距离、平均减速度、瞬时减速度、手柄状态（牵引、惰行或制动）、运行方向、牵引距离和牵引加速度。通过对上述试验数据的应用，实现对城轨车辆动态调试的深入研究，以期能较为准确地获得车辆动调时的信息。

本文介绍的方法实现了对列车实际移动速度的准确测量和列车启停运行测试记录和分析，解决了传统车轴传感器在车轮打滑和滑动时因速度误差造成的数据不准确问题。

1 目前测量手段及弊端

目前生产的多数城轨车辆在公司环线动态调试时，无论制动距离、瞬时速度以及加速度和减速度都通过车轴上的传感器脉冲输出计算得出，可以在TMS或者TCMS中读出，在轨道处于良好状态时，得到的结果较为准确，缺点是车辆动态调试时制动减速度是平均减速度，没有瞬时减速度的直接反映，速度也只是记录制动时的初始速度，在制动过程中的速度情况无法记录，也得不到车辆的冲击情况，这样，车辆动态调试时的情况无法再现，给车辆性能分析以及故障分析带来很大困难。另外，在雨雪天气下车辆动调时，车辆出现滑行后，初始速度、制动距离和平均减速度与真实情况相差较远，所得到的数据参考意义不大。

另外，这种测量方法依赖于TMS软件的状态。若软件状态良好，在样车调试时可以直接使用；若软件一直在修改或完善，则通常得不到列车的制动距离、减速度、初始速度等重要信息。成都地铁一号线在调试时由于东洋电机的TCMS没有调好，到目前为止，回送出去的车辆在厂内都无法对这些数据进行测量。

有些城轨车辆的TMS中没有提供这种功能，在Knorr软件中通过制动速度传感器的脉冲输出得到车辆的速度曲线。在没有出现滑动时，根据曲线可以得出从列车开始制动到停止的时间t，初始速度v1可以直接通过曲线的最高点得出，将速度降低曲线看作一条直线，可以得出平均减速度a(v1=at)，制动距离S可以由v12=2aS得出。可以看出，所得到的制动距离以及减速度都是近似值，在出现速度曲线波动较大或者出现防滑条件时，理论计算值与实际值相差就更大。

综上，依靠安装在车轴上的速度传感器来获得瞬时速度存在很大的缺陷，瞬时加速度、减速度和制动距离等都不是原始数据，而是通过理论计算得出，与实际有出入，另外控制手柄的具体状态无法获知，对理论分析车辆的性能带来很大问题。

2 信号的测量方法

2.1 车辆状态信号的获取

对列车速度运行状态与司控器状态同步进行分析更具现实意义。车辆在运行过程中涉及的状态有：牵引位、惰行位、制动位、快速制动位、紧急制动位以及紧急制动（松开警惕手柄），这些信息对于车辆性能分析以及数据再现有重要意义，它们都为DC 110 V的信号，在数据采集和分析时可以当成开关量数字信号，可通过光电隔离实现信号采集，如图1所示。

城轨车辆在牵引或制动时需要具体知道牵引或制动的档位是多少，这需要一个信号采集系统来获得，现行列车司控器可以分为有级司控器和无级司控器，经研究发现，两者都可以通过硬线以及司控器滑动变阻器中间触点的电压值 （百分比）来获得城轨车辆所处的状态。滑动变阻器的输出为DC 0 V～DC 10 V的信号，而单片机的信号输入范围为 DC 0 V～DC 5 V，因此需要电压的转换。本方案主要通过电阻的分压来实现，而后采用线性光耦HCNR200来实现模拟信号的隔离和传输，如图2所示。

2.2 车辆速度和距离的获取

利用多普勒效应对列车的运行状态进行研究，多普勒效应为：当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度v相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同，由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度v成正比，与振动的频率成反比。

列车运动时的瞬时速度可以通过多普勒效应得出。当列车静止不动时，多普勒频移为0；当列车惰行，即以恒定的速度运行时，多普勒频移为固定值；当列车加速或者减速运行时，多普勒频移时刻发生变化，从而得到列车的瞬时速度。

多普勒雷达传感器（DRS05a）正是利用多普勒效应获得列车的瞬时速度和距离。瞬时速度和距离的输出有两种方式：一种为通过RS485总线按照固定的协议向外输出，传输率最小为10 ms；另一种为通过 DRS05a的脉冲输出，由脉冲计数和单位时间内的脉冲数来获得距离和瞬时速度，速度的精度为每km/h对应69.444 Hz，每个脉冲代表 4 mm(69.444×4×3600=999 993.6 mm)，600 km/h对应的脉冲频率为41.666 kHz。

利用多普勒传感器获得列车的瞬时速度和行车距离，完全脱离列车的轴速和轮对的旋转，即使列车出现防滑动作，仍然可以获得列车的真实速度、行车距离以及列车的平均减速度，通过对获得数据进行处理可以获得列车的瞬时减速度。

3 系统工作原理

系统工作原理如图3所示，列车状态包括开关量和模拟量信号均经过车辆信息采集终端处理，信息采集终端由信号调理电路、A/D转换电路、信号记录处理电路、通讯电路等组成。上位机通过USB口与车辆信息采集终端实时交换数据。

本项目中多普勒传感器具有脉冲输出和RS485总线速度数据输出两种模式，脉冲输出送车辆信息采集终端运算后连同车辆状态数据以数据帧的形式输出，RS485总线速度数据输出经RS485/USB转换器直接进入上位机，一方面作为速度信息的冗余，另一方面也是对脉冲统计算法的参照。

4 实验参数

4.1 车辆状态

信号采集系统的参数如下：

(1)电源：AC 220 V；

(2)开关量信号输入范围：DC 0～110 V；

(3)开关量信号采集数：8路；

(4)滑动变阻器（司控器手柄）输出范围：DC 0～10 V或 DC 0～15 V；

(5)可识别的滑动变阻器变化量最小为：3 mV。

信号采集系统与上位机之间的数据格式和通讯协议如表1所示。

表1 数据格式和通讯协议

4.2 列车速度和距离

多普勒雷达传感器获取数据的参数如下：

(1)能测量的最小速度为：0.009 155 km/h；

(2)能测量的最大速度为：600 km/h；

(3)短距离测量的最小分辨率为：0.1 m；

(4)短距离测量的最长距离为：999.9 m；

(5)长距离测量的最小分辨率为：0.1 km；

(6)长距离测量的最长距离为：999.9 km；

(7)可识别车辆的运行状态；

(8)根据接收到的数据可以识别传感器的工作状态。

表2所示为多普勒传感器的数据格式和通讯协议。

5 软件实现与结果验证

依据上述思路编制的软件主要实现如下功能：

(1)建立操作者的数据库；

(2)自动保存用户的登录记录；

(3)能检验通讯线路的状态；

(4)自动保存传感器发送过来的所有数据；

(5)自动保存信号采集系统发送过来的车辆状态；

(6)用不同颜色的曲线实时显示接收到的数据；

(7)根据接收的数据自动识别车辆的运行方向；

(8)对不合格试验项进行报警提示；

(9)对合格的试验项弹出对话框提醒，同时抓图进行保存，便于数据的查询和验证；

(10)自动诊断传感器的运行状态，在出现故障时自动报警；

(11)根据历史保存的数据可以进行曲线再现。

图4所示为进行P4牵引(牵引四级，即为最大牵引)，60 km/h，惰性3 s，按下紧急按钮，施加紧急制动下的记录曲线，上框内为速度变化曲线，中框为加速度变化曲线，下框为司控器状态。

列车测距测速系统在运行时完全脱离列车车轴的旋转，所得的距离和速度等信息是对地的绝对值，同时记录下车辆在运行过程中的信息，为故障分析和车辆性能分析提供足够的数据，通过该方法可以在做型式试验时不用依靠厂家而自己做出性能分析，优势明显。

表2 多普勒传感器的数据格式和通讯协议

[1]王磊.测控仪器设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]赵新民，王祁.智能仪器设计基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999.

[3]张岩，胡秀芳，张济国.传感器应用技术[M].福建：科学技术出版社，2006.