摘 要： 提出了一種利用多普勒傳感器進(jìn)行列車速度準(zhǔn)確測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車實(shí)際移動(dòng)速度的準(zhǔn)確測(cè)量和列車啟停運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試記錄和分析，解決了傳統(tǒng)車軸傳感器在車輪打滑和滑動(dòng)時(shí)因速度誤差造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： 列車；司控器；制動(dòng)；速度
列車測(cè)距測(cè)速系統(tǒng)方法研究主要針對(duì)目前城軌車輛在進(jìn)行例行動(dòng)調(diào)試驗(yàn)時(shí)，如何獲取列車初始速度、制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離等信息進(jìn)行研究。研究?jī)?nèi)容包括：列車制動(dòng)時(shí)的初始速度、制動(dòng)距離、平均減速度、瞬時(shí)減速度、手柄狀態(tài)（牽引、惰行或制動(dòng)）、運(yùn)行方向、牽引距離和牽引加速度。通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)城軌車輛動(dòng)態(tài)調(diào)試的深入研究，以期能較為準(zhǔn)確地獲得車輛動(dòng)調(diào)時(shí)的信息。
本文介紹的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車實(shí)際移動(dòng)速度的準(zhǔn)確測(cè)量和列車啟停運(yùn)行測(cè)試記錄和分析，解決了傳統(tǒng)車軸傳感器在車輪打滑和滑動(dòng)時(shí)因速度誤差造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問(wèn)題。
1 目前測(cè)量手段及弊端
目前生產(chǎn)的多數(shù)城軌車輛在公司環(huán)線動(dòng)態(tài)調(diào)試時(shí)，無(wú)論制動(dòng)距離、瞬時(shí)速度以及加速度和減速度都通過(guò)車軸上的傳感器脈沖輸出計(jì)算得出，可以在TMS或者TCMS中讀出，在軌道處于良好狀態(tài)時(shí)，得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是車輛動(dòng)態(tài)調(diào)試時(shí)制動(dòng)減速度是平均減速度，沒(méi)有瞬時(shí)減速度的直接反映，速度也只是記錄制動(dòng)時(shí)的初始速度，在制動(dòng)過(guò)程中的速度情況無(wú)法記錄，也得不到車輛的沖擊情況，這樣，車輛動(dòng)態(tài)調(diào)試時(shí)的情況無(wú)法再現(xiàn)，給車輛性能分析以及故障分析帶來(lái)很大困難。另外，在雨雪天氣下車輛動(dòng)調(diào)時(shí)，車輛出現(xiàn)滑行后，初始速度、制動(dòng)距離和平均減速度與真實(shí)情況相差較遠(yuǎn)，所得到的數(shù)據(jù)參考意義不大。
另外，這種測(cè)量方法依賴于TMS軟件的狀態(tài)。若軟件狀態(tài)良好，在樣車調(diào)試時(shí)可以直接使用；若軟件一直在修改或完善，則通常得不到列車的制動(dòng)距離、減速度、初始速度等重要信息。成都地鐵一號(hào)線在調(diào)試時(shí)由于東洋電機(jī)的TCMS沒(méi)有調(diào)好，到目前為止，回送出去的車輛在廠內(nèi)都無(wú)法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。
有些城軌車輛的TMS中沒(méi)有提供這種功能，在Knorr軟件中通過(guò)制動(dòng)速度傳感器的脈沖輸出得到車輛的速度曲線。在沒(méi)有出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)，根據(jù)曲線可以得出從列車開(kāi)始制動(dòng)到停止的時(shí)間t，初始速度v1可以直接通過(guò)曲線的最高點(diǎn)得出，將速度降低曲線看作一條直線，可以得出平均減速度a(v1=at)，制動(dòng)距離S可以由v12=2aS得出?？梢钥闯?，所得到的制動(dòng)距離以及減速度都是近似值，在出現(xiàn)速度曲線波動(dòng)較大或者出現(xiàn)防滑條件時(shí)，理論計(jì)算值與實(shí)際值相差就更大。
綜上，依靠安裝在車軸上的速度傳感器來(lái)獲得瞬時(shí)速度存在很大的缺陷，瞬時(shí)加速度、減速度和制動(dòng)距離等都不是原始數(shù)據(jù)，而是通過(guò)理論計(jì)算得出，與實(shí)際有出入，另外控制手柄的具體狀態(tài)無(wú)法獲知，對(duì)理論分析車輛的性能帶來(lái)很大問(wèn)題。
2 信號(hào)的測(cè)量方法
2.1 車輛狀態(tài)信號(hào)的獲取
對(duì)列車速度運(yùn)行狀態(tài)與司控器狀態(tài)同步進(jìn)行分析更具現(xiàn)實(shí)意義。車輛在運(yùn)行過(guò)程中涉及的狀態(tài)有：牽引位、惰行位、制動(dòng)位、快速制動(dòng)位、緊急制動(dòng)位以及緊急制動(dòng)（松開(kāi)警惕手柄），這些信息對(duì)于車輛性能分析以及數(shù)據(jù)再現(xiàn)有重要意義，它們都為DC 110 V的信號(hào)，在數(shù)據(jù)采集和分析時(shí)可以當(dāng)成開(kāi)關(guān)量數(shù)字信號(hào)，可通過(guò)光電隔離實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，如圖1所示。
城軌車輛在牽引或制動(dòng)時(shí)需要具體知道牽引或制動(dòng)的檔位是多少，這需要一個(gè)信號(hào)采集系統(tǒng)來(lái)獲得，現(xiàn)行列車司控器可以分為有級(jí)司控器和無(wú)級(jí)司控器，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，兩者都可以通過(guò)硬線以及司控器滑動(dòng)變阻器中間觸點(diǎn)的電壓值（百分比）來(lái)獲得城軌車輛所處的狀態(tài)?；瑒?dòng)變阻器的輸出為DC 0 V~DC 10 V的信號(hào)，而單片機(jī)的信號(hào)輸入范圍為DC 0 V~DC 5 V，因此需要電壓的轉(zhuǎn)換。本方案主要通過(guò)電阻的分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，而后采用線性光耦HCNR200來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離和傳輸，如圖2所示。
2.2 車輛速度和距離的獲取
利用多普勒效應(yīng)對(duì)列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究，多普勒效應(yīng)為：當(dāng)聲音、光和無(wú)線電波等振動(dòng)源與觀測(cè)者以相對(duì)速度v相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有所不同，由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對(duì)速度v成正比，與振動(dòng)的頻率成反比。
列車運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)速度可以通過(guò)多普勒效應(yīng)得出。當(dāng)列車靜止不動(dòng)時(shí)，多普勒頻移為0；當(dāng)列車惰行，即以恒定的速度運(yùn)行時(shí)，多普勒頻移為固定值；當(dāng)列車加速或者減速運(yùn)行時(shí)，多普勒頻移時(shí)刻發(fā)生變化，從而得到列車的瞬時(shí)速度。
多普勒雷達(dá)傳感器（DRS05a）正是利用多普勒效應(yīng)獲得列車的瞬時(shí)速度和距離。瞬時(shí)速度和距離的輸出有兩種方式：一種為通過(guò)RS485總線按照固定的協(xié)議向外輸出，傳輸率最小為10 ms；另一種為通過(guò)DRS05a的脈沖輸出，由脈沖計(jì)數(shù)和單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來(lái)獲得距離和瞬時(shí)速度，速度的精度為每km/h對(duì)應(yīng)69.444 Hz，每個(gè)脈沖代表4 mm(69.444×4×3600=999 993.6 mm)，600 km/h對(duì)應(yīng)的脈沖頻率為41.666 kHz。
利用多普勒傳感器獲得列車的瞬時(shí)速度和行車距離，完全脫離列車的軸速和輪對(duì)的旋轉(zhuǎn)，即使列車出現(xiàn)防滑動(dòng)作，仍然可以獲得列車的真實(shí)速度、行車距離以及列車的平均減速度，通過(guò)對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以獲得列車的瞬時(shí)減速度。
3 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)工作原理如圖3所示，列車狀態(tài)包括開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)均經(jīng)過(guò)車輛信息采集終端處理，信息采集終端由信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)記錄處理電路、通訊電路等組成。上位機(jī)通過(guò)USB口與車輛信息采集終端實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。
本項(xiàng)目中多普勒傳感器具有脈沖輸出和RS485總線速度數(shù)據(jù)輸出兩種模式，脈沖輸出送車輛信息采集終端運(yùn)算后連同車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式輸出，RS485總線速度數(shù)據(jù)輸出經(jīng)RS485/USB轉(zhuǎn)換器直接進(jìn)入上位機(jī)，一方面作為速度信息的冗余，另一方面也是對(duì)脈沖統(tǒng)計(jì)算法的參照。
4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
4.1 車輛狀態(tài)
信號(hào)采集系統(tǒng)的參數(shù)如下：
(1)電源：AC 220 V；
(2)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入范圍：DC 0~110 V；
(3)開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集數(shù)：8路；
(4)滑動(dòng)變阻器（司控器手柄）輸出范圍：DC 0~10 V或DC 0~15 V；
(5)可識(shí)別的滑動(dòng)變阻器變化量最小為：3 mV。
信號(hào)采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議如表1所示。
4.2 列車速度和距離
多普勒雷達(dá)傳感器獲取數(shù)據(jù)的參數(shù)如下：
(1)能測(cè)量的最小速度為：0.009 155 km/h；
(2)能測(cè)量的最大速度為：600 km/h；
(3)短距離測(cè)量的最小分辨率為：0.1 m；
(4)短距離測(cè)量的最長(zhǎng)距離為：999.9 m；
(5)長(zhǎng)距離測(cè)量的最小分辨率為：0.1 km；
(6)長(zhǎng)距離測(cè)量的最長(zhǎng)距離為：999.9 km；
(7)可識(shí)別車輛的運(yùn)行狀態(tài)；
(8)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)可以識(shí)別傳感器的工作狀態(tài)。
表2所示為多普勒傳感器的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議。
5 軟件實(shí)現(xiàn)與結(jié)果驗(yàn)證
依據(jù)上述思路編制的軟件主要實(shí)現(xiàn)如下功能：
(1)建立操作者的數(shù)據(jù)庫(kù)；
(2)自動(dòng)保存用戶的登錄記錄；
(3)能檢驗(yàn)通訊線路的狀態(tài)；
(4)自動(dòng)保存?zhèn)鞲衅靼l(fā)送過(guò)來(lái)的所有數(shù)據(jù)；
(5)自動(dòng)保存信號(hào)采集系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的車輛狀態(tài)；
(6)用不同顏色的曲線實(shí)時(shí)顯示接收到的數(shù)據(jù)；
(7)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別車輛的運(yùn)行方向；
(8)對(duì)不合格試驗(yàn)項(xiàng)進(jìn)行報(bào)警提示；
(9)對(duì)合格的試驗(yàn)項(xiàng)彈出對(duì)話框提醒，同時(shí)抓圖進(jìn)行保存，便于數(shù)據(jù)的查詢和驗(yàn)證；
(10)自動(dòng)診斷傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警；
(11)根據(jù)歷史保存的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行曲線再現(xiàn)。
圖4所示為進(jìn)行P4牽引(牽引四級(jí)，即為最大牽引)，60 km/h，惰性3 s，按下緊急按鈕，施加緊急制動(dòng)下的記錄曲線，上框內(nèi)為速度變化曲線，中框?yàn)榧铀俣茸兓€，下框?yàn)樗究仄鳡顟B(tài)。
列車測(cè)距測(cè)速系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)完全脫離列車車軸的旋轉(zhuǎn)，所得的距離和速度等信息是對(duì)地的絕對(duì)值，同時(shí)記錄下車輛在運(yùn)行過(guò)程中的信息，為故障分析和車輛性能分析提供足夠的數(shù)據(jù)，通過(guò)該方法可以在做型式試驗(yàn)
時(shí)不用依靠廠家而自己做出性能分析，優(yōu)勢(shì)明顯。
參考文獻(xiàn)
[1] 王磊.測(cè)控儀器設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[2] 趙新民，王祁.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.
[3] 張巖，胡秀芳，張濟(jì)國(guó).傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].福建：科學(xué)技術(shù)出版社，2006.