摘  要： 提出了一種利用多普勒傳感器進行列車速度準(zhǔn)確測量的方法，實現(xiàn)了對列車實際移動速度的準(zhǔn)確測量和列車啟停運行狀態(tài)的測試記錄和分析，解決了傳統(tǒng)車軸傳感器在車輪打滑和滑動時因速度誤差造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題。
關(guān)鍵詞： 列車；司控器；制動；速度

    列車測距測速系統(tǒng)方法研究主要針對目前城軌車輛在進行例行動調(diào)試驗時，如何獲取列車初始速度、制動減速度和制動距離等信息進行研究。研究內(nèi)容包括：列車制動時的初始速度、制動距離、平均減速度、瞬時減速度、手柄狀態(tài)（牽引、惰行或制動）、運行方向、牽引距離和牽引加速度。通過對上述試驗數(shù)據(jù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對城軌車輛動態(tài)調(diào)試的深入研究，以期能較為準(zhǔn)確地獲得車輛動調(diào)時的信息。
    本文介紹的方法實現(xiàn)了對列車實際移動速度的準(zhǔn)確測量和列車啟停運行測試記錄和分析，解決了傳統(tǒng)車軸傳感器在車輪打滑和滑動時因速度誤差造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題。
1 目前測量手段及弊端
    目前生產(chǎn)的多數(shù)城軌車輛在公司環(huán)線動態(tài)調(diào)試時，無論制動距離、瞬時速度以及加速度和減速度都通過車軸上的傳感器脈沖輸出計算得出，可以在TMS或者TCMS中讀出，在軌道處于良好狀態(tài)時，得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確，缺點是車輛動態(tài)調(diào)試時制動減速度是平均減速度，沒有瞬時減速度的直接反映，速度也只是記錄制動時的初始速度，在制動過程中的速度情況無法記錄，也得不到車輛的沖擊情況，這樣，車輛動態(tài)調(diào)試時的情況無法再現(xiàn)，給車輛性能分析以及故障分析帶來很大困難。另外，在雨雪天氣下車輛動調(diào)時，車輛出現(xiàn)滑行后，初始速度、制動距離和平均減速度與真實情況相差較遠，所得到的數(shù)據(jù)參考意義不大。
    另外，這種測量方法依賴于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距離、減速度、初始速度等重要信息。成都地鐵一號線在調(diào)試時由于東洋電機的TCMS沒有調(diào)好，到目前為止，回送出去的車輛在廠內(nèi)都無法對這些數(shù)據(jù)進行測量。
    有些城軌車輛的TMS中沒有提供這種功能，在Knorr軟件中通過制動速度傳感器的脈沖輸出得到車輛的速度曲線。在沒有出現(xiàn)滑動時，根據(jù)曲線可以得出從列車開始制動到停止的時間t，初始速度v1可以直接通過曲線的最高點得出，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)，制動距離S可以由v12=2aS得出?？梢钥闯觯玫降闹苿泳嚯x以及減速度都是近似值，在出現(xiàn)速度曲線波動較大或者出現(xiàn)防滑條件時，理論計算值與實際值相差就更大。
    綜上，依靠安裝在車軸上的速度傳感器來獲得瞬時速度存在很大的缺陷，瞬時加速度、減速度和制動距離等都不是原始數(shù)據(jù)，而是通過理論計算得出，與實際有出入，另外控制手柄的具體狀態(tài)無法獲知，對理論分析車輛的性能帶來很大問題。
2 信號的測量方法
2.1 車輛狀態(tài)信號的獲取
    對列車速度運行狀態(tài)與司控器狀態(tài)同步進行分析更具現(xiàn)實意義。車輛在運行過程中涉及的狀態(tài)有：牽引位、惰行位、制動位、快速制動位、緊急制動位以及緊急制動（松開警惕手柄），這些信息對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，在數(shù)據(jù)采集和分析時可以當(dāng)成開關(guān)量數(shù)字信號，可通過光電隔離實現(xiàn)信號采集，如圖1所示。

    城軌車輛在牽引或制動時需要具體知道牽引或制動的檔位是多少，這需要一個信號采集系統(tǒng)來獲得，現(xiàn)行列車司控器可以分為有級司控器和無級司控器，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，兩者都可以通過硬線以及司控器滑動變阻器中間觸點的電壓值（百分比）來獲得城軌車輛所處的狀態(tài)?；瑒幼冏杵鞯妮敵鰹镈C 0 V~DC 10 V的信號，而單片機的信號輸入范圍為DC 0 V~DC 5 V，因此需要電壓的轉(zhuǎn)換。本方案主要通過電阻的分壓來實現(xiàn)，而后采用線性光耦HCNR200來實現(xiàn)模擬信號的隔離和傳輸，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)對列車的運行狀態(tài)進行研究，多普勒效應(yīng)為：當(dāng)聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(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，它與相對速度v成正比，與振動的頻率成反比。
    列車運動時的瞬時速度可以通過多普勒效應(yīng)得出。當(dāng)列車靜止不動時，多普勒頻移為0；當(dāng)列車惰行，即以恒定的速度運行時，多普勒頻移為固定值；當(dāng)列車加速或者減速運行時，多普勒頻移時刻發(fā)生變化，從而得到列車的瞬時速度。
    多普勒雷達傳感器（DRS05a）正是利用多普勒效應(yīng)獲得列車的瞬時速度和距離。瞬時速度和距離的輸出有兩種方式：一種為通過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DRS05a的脈沖輸出，由脈沖計數(shù)和單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)來獲得距離和瞬時速度，速度的精度為每km/h對應(yīng)69.444 Hz，每個脈沖代表4 mm(69.444×4×3600=999 993.6 mm)，600 km/h對應(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速度和行車距離，完全脫離列車的軸速和輪對的旋轉(zhuǎn)，即使列車出現(xiàn)防滑動作，仍然可以獲得列車的真實速度、行車距離以及列車的平均減速度，通過對獲得數(shù)據(jù)進行處理可以獲得列車的瞬時減速度。
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)包括開關(guān)量和模擬量信號均經(jīng)過車輛信息采集終端處理，信息采集終端由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號記錄處理電路、通訊電路等組成。上位機通過USB口與車輛信息采集終端實時交換數(shù)據(jù)。

      本項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)換器直接進入上位機，一方面作為速度信息的冗余，另一方面也是對脈沖統(tǒng)計算法的參照。
4 實驗參數(shù)
4.1 車輛狀態(tài)
    信號采集系統(tǒng)的參數(shù)如下：
    (1)電源：AC 220 V；
    (2)開關(guān)量信號輸入范圍：DC 0~110 V；
    (3)開關(guān)量信號采集數(shù)：8路；
    (4)滑動變阻器（司控器手柄）輸出范圍：DC 0~10 V或DC 0~15 V；
    (5)可識別的滑動變阻器變化量最小為：3 mV。
    信號采集系統(tǒng)與上位機之間的數(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
    多普勒雷達傳感器獲取數(shù)據(jù)的參數(shù)如下：
    (1)能測量的最小速度為：0.009 155 km/h；
    (2)能測量的最大速度為：600 km/h；
    (3)短距離測量的最小分辨率為：0.1 m；
    (4)短距離測量的最長距離為：999.9 m；
    (5)長距離測量的最小分辨率為：0.1 km；
    (6)長距離測量的最長距離為：999.9 km；
    (7)可識別車輛的運行狀態(tài)；
    (8)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)可以識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 軟件實現(xiàn)與結(jié)果驗證
    依據(jù)上述思路編制的軟件主要實現(xiàn)如下功能：
    (1)建立操作者的數(shù)據(jù)庫；
    (2)自動保存用戶的登錄記錄；
    (3)能檢驗通訊線路的狀態(tài)；
    (4)自動保存?zhèn)鞲衅靼l(fā)送過來的所有數(shù)據(jù)；
    (5)自動保存信號采集系統(tǒng)發(fā)送過來的車輛狀態(tài)；
    (6)用不同顏色的曲線實時顯示接收到的數(shù)據(jù)；
    (7)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)自動識別車輛的運行方向；
    (8)對不合格試驗項進行報警提示；
    (9)對合格的試驗項彈出對話框提醒，同時抓圖進行保存，便于數(shù)據(jù)的查詢和驗證；
    (10)自動診斷傳感器的運行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障時自動報警；
    (11)根據(jù)歷史保存的數(shù)據(jù)可以進行曲線再現(xiàn)。
    圖4所示為進行P4牽引(牽引四級，即為最大牽引)，60 km/h，惰性3 s，按下緊急按鈕，施加緊急制動下的記錄曲線，上框內(nèi)為速度變化曲線，中框為加速度變化曲線，下框為司控器狀態(tài)。

    列車測距測速系統(tǒng)在運行時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地的絕對值，同時記錄下車輛在運行過程中的信息，為故障分析和車輛性能分析提供足夠的數(shù)據(jù)，通過該方法可以在做型式試驗
時不用依靠廠家而自己做出性能分析，優(yōu)勢明顯。
參考文獻
[1] 王磊.測控儀器設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.
[2] 趙新民，王祁.智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.
[3] 張巖，胡秀芳，張濟國.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].福建：科學(xué)技術(shù)出版社，2006.