CTCS3-300T列控车载设备速度跳变分析

李泽光

李泽光:北京铁路局石家庄电务段 工程师 050000 石家庄

列车测速、测距的基本功能是在任何时刻、任何地方都能精确、及时地确定列车的具体速度和位置，包括列车运行安全的相关间隔、速度等信息。列车测速、测距系统的作用主要体现在:地面控制中心根据列车的位置信息进行间隔控制，保证列车运行的安全间隔;车载设备根据列车的位置和速度信息，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。

1 300T型ATP设备测速、测距系统组成

列车的测速方式多种多样，例如轮对转动测速、雷达测速、GPS系统测速、惯性导航系统测速等，其中轮对转动测速和雷达测速是高速铁路的主流测速技术。无论采用哪种测速方式，核心目标均是为了提高测量精度和可靠性。

300T型ATP设备的测速、测距系统包括2个转动测速传感器、2个雷达测速传感器、2个SDU设备和1个SDP设备，测速、测距系统组成示意图如图1所示。无论车载设备使用哪一系工作，均使用同一套测速系统单元，如果测速系统单元故障，将直接导致车载设备不能正常工作。

图1 测速、测距系统组成示意图

2 测速、测距系统工作原理

CTCS3-300T型ATP设备测速、测距系统以转动测速传感器作为参照基准，以雷达作为主要信号源，综合了转动测速传感器信号较稳定，以及雷达测速不受车轮空转、打滑影响的优点。

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息，车轮的转速乘以车轮的周长就是列车的直线运动速度。因此，通过采集安装在轮轴上转速传感器中的轮轴脉冲，利用该脉冲频率就能计算列车当前的速度。

CTCS3-300T型ATP设备转动测速采用的是霍尔传感器。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化的频率就可以计算出轮轴频率。

2.2 雷达测速

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fd，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。

⑫Katherine O’Donovan，“‘Real’Mothers for Abandoned Children”，Law ＆ Society Review，347(36)，2002，pp．361～363．

通过数学运算及公式的简化，fd正比于机车速度v和天线波束方向与水平地面夹角α的余弦值:其中:fc为雷达工作频率;v为列车速度;c为光速;α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fd，从而可以根据公式(1)，求出机车的速度v:

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Vnom、最大值Vmax和最小速度Vmin。

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算;然后对速度信息进行融合，选用有效传感器(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α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% ～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．雷达天线表面不清洁。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，受作业环境的限制，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。

［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．

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