专利名称：对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距系统及方法
对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距系统及方法技术领域
本发明属于城市轨道交通安全信号领域，具体是一种应用于列车自动控制系统 (ATC)中的列车测速测距方法。
背景技术：
在城市轨道交通安全信号领域，车载列车自动防护系统ATP系统一般采用转速计对列车速度进行测量，这些外部测速设备通常安装在拖车的制动轴上，列车自动防护系统 ATP系统通过采集、分析外部测速设备的传感器信号，计算出车轮速度。
在制动过程中，当车辆施加的制动力大于轮轨之间最大的黏着力时，车轮会出现打滑或者抱死现象，此时，根据安装在制动轴上的测速设备采集的传感器信号计算出来的车轮速度无法准确的反映列车速度。车载列车自动防护系统ATP系统应该能够准确的检测出车轮打滑或抱死的现象，并能够对列车速度进行补偿。
目前，最常见的用于检测车轮打滑的方法是对测量出来的车轮速度进行微分，计算出车轮的减速度，即AwhMl = (Vwhral (n)-Vwhe^m))/Teyde,通过将Awhral与固定的经验参数 Aslip进行比较判断车轮是否出现打滑。这种方法存在以下三个缺陷
1、轨道交通线路路况较为复杂，列车在运动过程中容易出现机械振动；同时，车辆的电气线路比较繁复，在采集测速设备的传感器信号时容易出现电磁串扰。这两种情况会导致通过采集计算出来的车轮速度Vvheel出现失真，Awheel值产生较大的误差，出现车轮打滑误判。
2、判断车轮打滑的固定经验参数Aslip与钢轨轨面的黏着系数有关，轨道交通线路钢轨表面容易受到雨水、铁锈或其它固体颗粒等污染物影响，导致钢轨的黏着系数出现急剧减小，尽管此时车轮已经出现打滑，但是根据Awhral与Aslip无法判断出来。
3、轨道交通列车上配备了车轮自动防抱死系统(WSP)，当检测到车轮滑行或抱死现象出现后，通过防滑阀对制 动缸进行保压、排气、充气控制，使车轮恢复到正常的工作状态。在自动防抱死系统(WSP)工作过程中，Awhral值的变化过程是，首先急剧下降，然后逐渐平稳，最终稳定上升恢复到未打滑时的值。此时，根据Awhral与Aslip无法对整个车轮滑行过程进行检测，特别是准确判断车轮打滑何时结束，导致在速度补偿过程中出现较大偏差。
另一种检测车轮滑行的方法是通过计算车轮速度与列车参考速度之间的速度差， 即=Vdiff = Vref-Vwheel,通过将Vdiff与固定的经验参数Vslip进行比较判断车轮是否出现打滑。 这种方法存在以下两个缺陷
1、列车参考速度选取不科学，在制动过程中，Vref通常选取装配测速设备的几根车轴中转速最大的那一个，当出现所有的车轴同时打滑时，Vref误差较大。
2、由于采用固定的经验参数Vslip判断车轮打滑，当列车速度较低时，容易导致判断车轮打滑迟缓；当列车速度较高时，容易导致判断车轮打滑过于灵敏，出现误判。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距系统，它可以灵敏精确的检测车轮打滑或抱死、并能够对列车速度进行补偿。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距系统，其特征在于，包括加速度传感器信号采集和处理模块、速度传感器信号采集和处理模块、加速度打滑判定模块、速度打滑判定模块、列车测速测距补偿计算模块、 列车速度不确定性计算模块。上述6个功能模块之间存在特定的数据传输关系，所述加速度传感器信号采集和处理模块、速度传感器信号采集和处理模块、加速度打滑判定模块、速度打滑判定模块、列车测速测距补偿计算模块、列车速度不确定性计算模块中前面模块产生的输出是后续模块的输入，后续模块的输出在下一个算法周期构成前面模块的输入。
本发明的有益效果在于能够灵敏精确的检测车轮打滑或抱死、并能够对列车速度进行补偿。
一种对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距方法，根据安装在车体上的加速度传感器计算得出的加速度，加速度计测量得出的加速度
Ameasure = Atrain+g sin a ；
车轮计算得出的加速度=AwheelAtrain+Awheelslip
如果没有出现打滑Adiff= Ameasure-Awheel = g sin a ；
如果，Adiff彡dbgrade+Asliptolerance,则认为出现车轮打滑；
其中
Ameasure :加速计测量出来的加速度；
Awheel :通过对车轮速度进行微分计算得出的加速度；
Atrain :车体加速度；
g sin a :线路坡道产生的加速度；
Awheelslip :车轮滑行产生的加速度变化量；
Adiff :加速度差值；
dbgrade :列车自动防护系统ATP系统根据列车的位置信息从线路配置数据库中获取的坡道加速度信息；
Aslipf:根据加速度差值判断是否出现车轮打滑的加速度滑行容限值。
采用速度传感器作为列车测速的基本设备，采用加速度计作为判断车轮打滑和抱死的辅助设备，并在车轮打滑状态下对列车速度进行补偿。
对速度传感器测量的原始车轮速度、对加速度计测量出来的加速度进行一阶低通滤波。
采用加速度差值对列车是否出现车轮打滑进行判定。
采用加速度计测量出来的加速度值作为计算列车参考速度和速度差值的依据。
采用速度差值对列车是否出现车轮打滑进行判定。
根据速度差值判断车轮是否出现打滑的门阀值根据列车速度、打滑状态进行调難iF. O
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明测速方法的工作原理图2是本发明测速方法的程序框图3是本发明测速方法根据加速度差值判断车轮打滑的程序流程图4是本发明测速方法根据速度差值判断车轮打滑的程序流程图5是本发明测速方法效果图。
具体实施方式
本发明可以实现对轨道交通列车速度进行准确测量，消除制动过程中出现的车轮打滑或抱死对列车速度测量精度的影响，设计了一种能够灵敏检测出车轮打滑和抱死、并能够对列车速度进行补偿的测速测距方法。
本发明所述的能够灵敏精确的检测车轮打滑或抱死、并能够对列车速度进行补偿的测速方法，该方法能够应用于包括但并不局限于城市轨道交通列车控制系统等领域。
本方法的工作原理如图1所示，根据安装在车体上(与车体保持水平)的加速度传感器计算得出的加速度，加速度计测量得出的加速度
Ameasure = Atrain+g sin a
车轮计算得出的加速度=AwheelAtrain+Awheelslip·
如果没有出现打滑Adiff= Ameasure-Awheel = g sin a
如果，Adiff彡dbgrade+Asliptolerance,则认为出现车轮打滑
其中
Ameasure :加速计测量出来的加速度；
Awheel :通过对车轮速度进行微分计算得出的加速度；
Atrain :车体加速度；
g sin a :线路坡道产生的加速度；
Awheelslip :车轮滑行产生的加速度变化量；
Adiff :加速度差值；
dbgrade :列车自动防护系统ATP系统根据列车的位置信息从线路配置数据库中获取的坡道加速度信息；；
Aslipf:根据加速度差值判断是否出现车轮打滑的加速度滑行容限值。
本方法的详细设计方案
如图2所示，由加速度传感器信号采集和处理模块(I)、速度传感器信号采集和处理模块(2 )、加速度打滑判定模块(3 )、速度打滑判定模块(4 )、列车测速测距补偿计算模块(5)、列车速度不确定性计算模块(6)组成。本算法的关键在于加速度打滑判定模块、速度打滑判定模块、列车测速测距补偿计算、列车速度不确定性计算模块的设计。
加速度打滑判定模块的设计方案，如图3所示
1、对速度传感器测量计算出来的车轮速度V_s■、加速度传感器测量计算出来的加速度值A_sure进行一阶低通滤波处理，消除由于机械振动或电磁串扰引起的传感器信号失真。
Vwheel = (l-l/pwheel) ^wheelfa-D+l/pwheel*V e ;
Afilter — (l_l/pfilter) *Afilter(n_1)+l/pfilteriAmeasure ；
其中
Vwheel :经过一阶低通滤波处理之后的车轮速度；
Pwheel :车轮速度滤波因子；
Afilter :经过一阶低通滤波处理之后的加速度；
Pfilter :加速度滤波因子。
2、对车轮速度Vvheel进行微分计算车轮加速度Awhral。
^wheel (Vwheel ^wheel (n-1) ^ /^cycle0
其中
Tc^le :方法执行的周期时间。
3、计算经过一阶低通滤波处理的加速度值Afilto与车轮加速度Awhral之间的差值 Adiff0
Adiff — Afilter-Awheel ；
4、根据加速度差值Adiff判断是否出现车轮打滑。
^diff ^ dbgrade+AsiiptQierance
速度打滑判定模块的设计方案，如图4所示
1、对速度传感器测量计算出来的车轮速度V_s■、加速度传感器测量计算出来的加速度值A_sure进行一阶低通滤波处理，消除由于机械振动或电磁串扰引起的传感器信号失真。
Vwheel = (1-1 /pwheel) *Vwheel +1/pwheel*vmeasure
Afilter — (l_l/pfilter) *Afilter(n_1)+l/pfilteriAmeasure ；
2、计算列车的车体加速度Atrain
Atrain = Afilter-dbgrade
3、计算列车的参考速度Vrrf
Vref = Vcalculated(n_1)+Atrain*Tcycle
其中
Vc^ulatedilri)指前一周期经过空转打滑补偿方法计算之后的列车速度。
4、计算列车参考速度VMf与车轮速度Vwteel之间的差值Vdiff
Vdiff — Vref-Vwheel ο
5、根据速度差值Vdiff判断车轮是否出现打滑
Vdiff ^ VsIiptolerance
其中
Vsliptolerance作为根据速度差Vdiff判断车轮是否打滑的门阀值，其值可以根据列车^calculated和车轮打滑情况Aslip、Vslip进行调整。
列车测速测距补偿方法模块的设计方案，如下
1、列车运行速度计算
当根据加速度差Adiff或速度差Vdiff没有判断出车轮打滑时
Vcalculated(n) = Vwheel ；
当根据加速度差Adiff或速度差Vdiff判断出车轮打滑时
^calculated(n) ^calculated(n-l) ^"^train^^cycle ;
2、列车运行距离计算
当根据加速度差Adiff或速度差Vdiff没有判断出车轮打滑时
DeIlODisl.., =^^·,( ) Nrotate
其中
DeltaDistw表示列车在第N周期行驶距离；
Nffl表示在速度传感器在第N周期检测到的脉冲计数；
Nrotate表示理论上车轮旋转一周速度传感器检测到的脉冲计数；
^表示车轮直径；
当根据加速度差Adiff或速度差Vdiff判断出车轮打滑时
DeltaDistw = Vcalculated(n)*Tcycle ；
列车速度不确定性计算模块的设计方案，如下当根据加速度差Adiff或速度差 Vdiff没有判断出车轮打滑时，
Spduncerta int y(n) = spdgranularity+spdfilter+spdresolution+pwheelCal*Vtrain+pslip*Vtrain
其中
Spduncerta int y(n)表示第N周期的速度不确定性；
Spdgranularity表不速度传感器的设备误差；
spdresaLutim表不速度传感器信号的米集精度误差；
Spdfilter表示方法的滤波误差；
Pwheelcal表示轮经校准状态引起的速度测量误差因子；
Pslip表示未检测到的空转打滑引起的速度测量误差因子。
当根据加速度差Adiff或速度差Vdiff判断出车轮打滑时，
Spduncerta int y(n) = Spduncerta int y^)+Accuncerta int y(n)*Tcycle ;
其中
Accuncerta int y(n) = Accmount+Accresolution+pinstrument*Atrain+pfilter*Atrain ；
Accuncerta int y(n)表示第N周期的加速度不确定性；
Accfflount表示加速度计的安装误差；
Accresolution加速度传感器信号的采集精度误差；
Pinstnment加速度传感器的设备误差因子；
Pfilte表示方法的滤波误差因子。
本发明在使用传统的速度传感器测量车轮速度的基础上，引入辅助设备加速度计作为判断车轮空转、滑行的依据，极大的增强了测速设备的可用性、提高了测速精度；
引入了一阶低通滤波算法，能够最大限度的消除由于机械振动或电磁串扰引起的传感器信号失真；
弓I入加速度传感器测量加速度与车轮速度微分计算出来的加速度差值判断车轮打滑的设计，相对传统的采用加速度绝对值判断车轮打滑的方法，适应性更强，能够消除不同制动工况下加速度不同对滑行检测的影响，在列车低速运行情况下优势更加明显；
采用加速度计测量出来的车体加速度值作为计算列车参考速度的依据，能够最大限度的保证列车参考速度的精确性；
根据列车参考速度与车轮速度之间的速度差判断车轮打滑的门阀值可以根据列车速度、打滑状态进行动态调整，保证列车在低速时能够迅速的检测出车轮打滑，高速时不会出现因门阀值太小引起车轮打滑误判；
根据加速度传感器测量加速度与车轮速度微分计算出来的加速度差值、列车参考速度与车轮速度之间的速度差值判断车轮打滑方法能够准确检测车轮打滑的全部过程，准确的判断出车轮打滑开始和结束的时间节点，本方法能够精确的计算出列车的运行速度， 如图5所示。
下面结合图2给出本发明的一个具体方法实现
1、加速度传感器信号采集和计算
V画画={π*(P)IiNrota * )
其中
供指经过校准的车轮直径；
Nrotate指车轮旋转一周速度传感器产生的脉冲个数；
λ 测量到的脉冲宽度。
2、加速度传感器信号采集和计算
电压信号与加速信号满足线性对比关系，根据加速度传感器测量出来的电压值能够计算出加速度。
3、加速度打滑判定
权利要求
1.一种对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距系统，其特征在于，包括加速度传感器信号采集和处理模块(I)、速度传感器信号采集和处理模块(2)、加速度打滑判定模块(3 )、速度打滑判定模块(4 )、列车测速测距补偿计算模块(5 )、列车速度不确定性计算模块(6)。
2.一种对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距方法，其特征在于，根据安装在车体上的加速度传感器计算得出的加速度，加速度计测量得出的加速度=Areasure =Atrain+g sin a ； 车轮计算得出的加速度=Awhral Atrain+Awheelslip 如果没有出现打滑Adiff = Ameasure-Awheel = g sin a ； 如果，Adiff ^ dbgMde+AsliptQleMnc;e，则认为出现车轮打滑； 其中 Ameasure :加速计测量出来的加速度； Awheel :通过对车轮速度进行微分计算得出的加速度； Atrain :车体加速度； g sin a :线路坡道产生的加速度； Awheelslip :车轮滑行产生的加速度变化量； Adiff :加速度差值； dbgrade :列车自动防护系统ATP系统根据列车的位置信息从线路配置数据库中获取的坡道加速度信息； Aslipt-:根据加速度差值判断是否出现车轮打滑的加速度滑行容限值。
3.如权利要求2所述的对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距方法；其特征在于，采用速度传感器作为列车测速的基本设备，采用加速度计作为判断车轮打滑和抱死的辅助设备，并在车轮打滑状态下对列车速度进行补偿。
4.如权利要求3所述的对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距方法；其特征在于，对速度传感器测量的原始车轮速度、对加速度计测量出来的加速度进行一阶低通滤波。
5.如权利要求4所述的对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距方法；其特征在于，采用加速度差值对列车是否出现车轮打滑进行判定。
6.如权利要求5所述的对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距方法；其特征在于，采用加速度计测量出来的加速度值作为计算列车参考速度和速度差值的依据。
7.如权利要求6所述的对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距方法；其特征在于，采用速度差值对列车是否出现车轮打滑进行判定。
8.如权利要求7所述的对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距方法；其特征在于，根据速度差值判断车轮是否出现打滑的门阀值根据列车速度、打滑状态进行调整。
全文摘要
本发明公开了一种对空转和打滑进行检测和补偿的安全列车测速测距系统及方法，其特征在于，包括加速度传感器信号采集和处理模块、速度传感器信号采集和处理模块、加速度打滑判定模块、速度打滑判定模块、列车测速测距补偿计算模块、列车速度不确定性计算模块。本发明能够灵敏精确的检测车轮打滑或抱死、并能够对列车速度进行补偿。
文档编号B60T8/171GK102991489SQ20121047591
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者王野, 黄润磊 申请人:上海富欣智能交通控制有限公司