采用激光对射探测器的地铁轮径实时检测系统和方法与流程

本发明属地铁轮径的检测技术范畴；特别是指采用激光对射探测器、使用轮径磨损率统计数据的地铁轮径实时检测系统和方法。

背景技术：

2014年12月3日，高德发布《2014年第三季度中国主要城市交通分析报告》，报告给出了城市拥堵排序榜：状元北京，杭州榜眼。2015年4月5日，著名导航服务商TomTom发布全球拥堵城市TOP 30，杭州有幸荣登入列。随着经济的发展和社会的进步，机动车保有量持续递增，道路拥挤不堪。2013年3月，杭州主城区机动车保有量突破100万辆；平均3人一辆，人均私家车拥有率超北京、全国第一。从交通供需关系的视角考量，需求侧呈上升态势，供应侧须加大供给---扩建道路；受制于杭州土地禀赋的资源约束，供应侧实难配合需求侧的增长。2006年杭州主城区道路面积3835万m²，2011年增至4385万m²，2.0％/年超常增长；同期机动车增速是道路的10倍，“恐怖”二字不为过！人均道路面积从15.39m²减至13.95m²，换言之人均道路面积下降9.4％。面对交通半瘫痪的窘境，倚重私家车满足出行需求的交通模式走到了尽头。痛定思痛，大力发展绿色、高效、便捷的公共交通才是解决杭州交通困局的唯一出路。

公交是一种高效运输系统，代表着城市交通可持续发展的大方向；截止2012年12月，杭州地面公交出行分担率的统计数据每况愈下、令人沮丧：

2000年，地面公交平均时速15.3公里，出行分担率22.2％；

2005年，地面公交平均时速14.9公里，出行分担率21.4％；

2010年，地面公交平均时速12.5公里，出行分担率20.9％；

2011年，地面公交平均时速12.3公里，出行分担率降至谷底20％。

2013年2月22日，市规划制定用10年左右的时间使公交成为市民出行的首选方式，2021年公交分担率的定量指标≥50％；公交出行分担率的高低与市民公交出行体验的优劣戚戚相关。就现有工程技术和土地资源而言，提高公交出行分担率地面公交难堪大任、非地铁莫属。地铁运量大、占地少、快速、便利、正点、能耗低、污染少、乘坐舒适和安全。1969年，北京建成我国的第一条地铁；2013年5月，共计16座城市建成地铁。2012年10月，全长48公里的杭州地铁1号线一期正式运营，当年日均客流量达23.24万人次/天；采用交流变频变压B型车、四动二拖、六辆编组、定员1240人，设计最高时速80km/h、标准行车间隔120s。2013年，杭州市公交出行分担率终于迎来逆袭增长3.20％的重大突破，一举扭转日渐式微的颓势。2013年，杭州地铁运送市民8483.1万人次；2014年，14450.4万人次；2015年，17629.5万人次；三年累计运送旅客近4亿人次。2015年5月1日，杭州地铁线网客流创下了单日运送125.33万人次的新高。显然，地铁在公共出行分担率上扮演着举足轻重的角色。杭州地铁运营通车以来，已经建成全长约82公里的运营线路，未来几年还将继续延长；计划2022年亚运会召开前，将有十条线路建成投运，总里程192公里覆盖全市9个区。推进地铁建设、优化地面交通，双管齐下实现50％的公交出行分担率目标是大有希望的。地铁列车的运行模式有别于高铁：尽管地铁列车的速度远逊高铁，但地铁列车的间隔却远小高铁，通常两车的间隔时间≤120s，甚至压缩至90s或更短。

目前，基于轨道电路的传统地铁列车运行控制(Track-circuit Based Train Control，TBTC)被基于通信的地铁列车运行控制(Communication Based Train Control，CBTC)取代，高铁的列车运行控制与地铁类同。CBTC系统的知名厂商有德国西门子(Siemens)、加拿大庞巴迪(Bombardier)、法国阿尔斯通(Alstom)和阿尔卡特(Alcatel)。CBTC系统中，速度/定位检测的可靠与精度是地铁列车高密度安全运行模式的基本保障。常用的速度/定位检测方法有：编码里程仪定位、轨道电路定位、应答器定位、裂缝波导定位、交叉感应回线定位、GPS或北斗定位、地图匹配定位；轮轴速度传感器测速、多普勒雷达测速等；其中轮轴测速定位法是轨道列车行业中应用范围最广、使用历史最久的技术。轮轴测速定位法的优点是原理简单、技术成熟、易用可靠；短板是检测的误差偏大，误差源自列车空转、滑行和列车轮径磨损。鉴于多传感器融合技术的推广，以及列车控制调度技术和路轨铺设工艺的进步，“空转“和”滑行”产生的偶发误差日渐减少；但是轮径磨损造成的固有误差“江山依旧”。此外，实时精准检测轮径磨损还关系到列车的安全运行和运维工作量的多寡。

根据车轮生命周期，地铁列车轮径的典型参数是：新轮Ф840mm，半磨损轮Ф805mm，最大磨损轮Ф770mm；轮径磨损的典型参数是：0.159mm/万km。实时精准检测轮径磨损是地铁亟待解决的难题，较有代表性的相关知识产权成果综述如下：

·发明专利“一种列车自动轮径校正方法”(ZL2013106544480)，提出选取平直线路相邻两个应答器作为轮径校正的参考基准，测出两应答器间的距离；根据测定的速度得到指定时间内运行距离，根据运行距离与测量距离比值，以及轮径初始值，获轮径更新值。

·发明专利“一种基于卫星定位的机车轮径自动校准系统及其方法”(ZL200810222045.8)，系统包括定位模块、地图匹配模块、数据记录模块、通信模块和主处理器，以及地图数据库；提出利用GNSS定位信息对机车轮径校准，减少车轮磨损而导致轮径改变引起的定位误差，提高列车定位精度。

·发明专利“列车轮径的校准方法及校准系统”(ZL201410038768.8)，提出采用脉冲测距装置计数器和速度计计数器分别对脉冲测距装置脉冲和速度计脉冲计数，根据速度计脉冲计数值和速度计脉冲计数值之差、以及列车累计行进距离得列车轮径。

上述有益探索，第一件专利提出以相邻两个应答器作为轮径校正的基准距离，通过轮轴速度传感器测速获运行距离；借助基准距离与运行距离之差，获轮径更新值；但是查询--应答器50cm级的定位精度欠佳，即基准距离的精度低，故轮径校正的精度不高。第二件专利提出基于卫星定位的轮径校准系统及方法，通过卫星提供的定位信号校准轮径；因地铁线路往往建在地下，无法接收卫星信号，而且卫星定位10m级的精度差強人意，故轮径校准的精度不高且方法的有效性存疑。第三件专利提出脉冲测距装置计数器和速度计计数器分别对脉冲测距装置脉冲和速度计脉冲计数，根据两者之差、以及列车累计行进距离得出列车的轮径；考虑到测距装置计数器和速度计计数器存在各自的误差，故得出的列车轮径精度不高。所述三件专利精度不高的另一因素是轮轴速度传感器的最小计量单位为“圈”，若设计时配置高精度时间芯片，则轮轴速度传感器的最小计量单位可精确到小数点后的“圈”描述，提升轮径检测精度。该三件专利尚存在功能单一的不足，实时精准检测轮径除校正轮径外，如能与磨损率统计数据比对，将有助列车车轮的故障诊断与预测、列车的安全运行和运维。相关知识产权成果的探索有参考价值，但成果仍存在局限。因此，有必要在现有成果的基础上，作进一步的创新设计。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于激光对射探测器的地铁轮径实时检测系统和方法。

采用激光对射探测器的地铁轮径实时检测系统由地面装置、车载装置组成，地面装置包括第一扩展激光对射探测器、第二扩展激光对射探测器；在平直轨道线路上选取应答器1和应答器2、两个应答器相距L，作为轮径检测的长度参照物；在应答器1和应答器2区间外侧⊿L处的两端，分别配置第一扩展激光对射探测器、第二扩展激光对射探测器，两台激光对射探测器的距离＝L+2⊿L，距离L+2⊿L作为轮径检测的基准长度；第一扩展激光对射探测器的应答器11位于应答器2至应答器1延线的L+2⊿L处，第二扩展激光对射探测器的应答器21位于应答器1至应答器2延线的L+2⊿L处；第一扩展激光对射探测器的激光发射端、激光接收端垂直轨道线路安装在轨道两侧，激光发射/接收端的安装高度＝H，高度H＝车载装置的激光遮挡板安装高度，第二扩展激光对射探测器的激光发射端、激光接收端安装方式与第一扩展激光对射探测器相同。

所述的第一扩展激光对射探测器以DA208Y-1型激光对射探测器为核心，包括激光发射端、激光接收端、应答器1、CC2500型2.4G的无线通信模块、采用MSP430F149芯片的主控模块；主控模块的MSP430F149脚32、33分别与无线通信模块端口2、1相连，主控模块的MSP430F149脚34、35分别与应答器1端口2、1相连，主控模块的MSP430F149脚12、16分别与激光发射端端口1、激光接收端端口2相连；应答器1只接收不发送射频信号，即接收列车标配查询器发射的射频信号/读取相邻应答器响应的报文，作为第一扩展激光对射探测器的启动/故障诊断信号；激光发射端发射的激光束被车载装置激光遮挡板阻断，激光接收端生成地铁轮径实时检测中断1，作为第一扩展激光对射探测器的关闭信号和地铁轮径检测的启动信号；

第二扩展激光对射探测器的结构与第一扩展激光对射探测器相同，应答器2只接收不发送射频信号，即读取相邻应答器响应的报文/接收列车标配查询器发射的射频信号，作为第二扩展激光对射探测器的启动/故障诊断信号；激光发射端发射的激光束被车载装置激光遮挡板阻断，激光接收端生成地铁轮径实时检测中断2，作为第二扩展激光对射探测器的关闭信号和地铁轮径检测的结束信号。

所述的车载装置包括CC2500型2.4G的车载无线通信模块、采用TDC_GP21芯片的时间测量模块、采用MSP430F149芯片的车载主控模块、激光遮挡板；车载主控模块的MSP430F149脚32、33分别与车载无线通信模块端口2、1相连，车载主控模块的MSP430F149脚27、28、31、29、30分别与时间测量模块的TDC_GP21脚8、9、10、11、12相连，车载主控模块与DF16/1.200fadk型轮轴测速传感器相连；激光遮挡板安装在列车头部，安装高度H＝激光发射/接收端的安装高度。

所述的地铁轮径实时检测方法的流程包括地铁轮径的实时检测流程和地铁轮径的故障诊断流程，地铁轮径的故障诊断流程由地铁轮径实时检测系统的故障诊断流程、地铁轮径磨损率的故障诊断流程组成；

所述的地铁轮径的实时检测流程如下：

①第一扩展激光对射探测器启动：

应答器11接收/响应列车查询器射频信号；应答器1接收应答器11响应报文；主控模块启动第一扩展激光对射探测器；激光发射端发射激光束；激光接收端接收激光束；

②轮径检测启动：

激光遮挡板阻断激光束；激光接收端生成检测中断1；主控模块经通信模块发射检测启动信号；主控模块经通信模块接收检测启动信号；时间测量模块记录检测启动时间t_start；

③-1第一扩展激光对射探测器关闭：

主控模块发射检测启动信号后延时t_delay；主控模块关闭第一扩展激光对射探测器；

③-2轮径检测：

车载主控模块读取轮轴测速传感器的计数脉冲；时间测量模块记录所有测量得到的计数脉冲的时间t₁、t₂、……t_N；

④第二扩展激光对射探测器启动：

应答器2接收列车查询器射频信号；主控模块启动第二扩展激光对射探测器；激光发射端发射激光束；激光接收端接收激光束；

⑤轮径检测结束：

激光遮挡板阻断激光束；激光接收端生成检测中断2；主控模块经通信模块发射检测结束信号；主控模块经通信模块接收检测结束信号；时间测量模块记录检测结束时间t_end；

⑥第二扩展激光对射探测器关闭：

主控模块发射检测结束信号后延时t_delay；主控模块关闭第二扩展激光对射探测器；

⑦轮径计算：

计算启动时非整数圈DS_decimal＝(t₁－t_start)/(t₂－t₁)；计算结束时非整数圈DE_decimal＝(t_end－t_N)/(t_N－t_N-1)；计算轮径检测圈数K＝N+DS_decimal+DE_decimal；计算轮径Φ＝[L+2⊿L]÷K÷π；存储轮径Φ对应的列车里程D_mileage；

所述的地铁轮径实时检测系统的故障诊断流程：

若应答器1接收查询器射频信号但未读取相邻应答器11响应报文，则应答器11故障；若应答器1未收查询器射频信号但查询器读取相邻应答器11报文，则应答器1故障；若应答器1接收应答器11响应报文但无发射检测启动信号，则第一激光对射探测器故障；第二扩展激光对射探测器的故障诊断与第一扩展激光对射探测器相同；

所述的地铁轮径磨损率的故障诊断流程：

读轮径磨损参数D_parameter＝0.125mm/万km；

读存储的前一次测量得到的轮径值Φ₁、里程D_1mileage和后一次测量得到的轮径值Φ₂、里程D_2mileage；

磨损率故障诊断：

计算⊿Φ＝[Φ₂－Φ₁]/[D_2mileage－D_1mileage]；若⊿Φ≥2D_parameter，则轮径磨损故障。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

基于激光高亮度、高方向性特性，配置两台扩展激光对射探测器；在车载装置激光遮挡板配合下，得轮径检测的精准基准长度，提高了轮径检测精度。时间芯片嵌入车载装置，轮轴速度传感器的计量单位可用非整数“圈”表示，进一步提高了轮径检测精度。轮径检测系统独立平行工作，只收不发CBTC信号，消除了对CBTC的干扰；轮径检测系统在地铁标配的应答器支持下，确定激光对射探测器的工作时间窗，减少了对激光对射探测器的干扰。借助地铁标配应答器和激光对射探测器的冗余信息，实施地铁轮径检测系统的故障诊断；立足磨损率统计数据，实施地铁轮径磨损率的故障诊断；故障诊断有助于提升地铁运行的品质。

附图说明

图1是地铁轮径实时检测系统的结构框图；

图2(a)是第一扩展激光对射探测器的原理框图；

图2(b)是第一扩展激光对射探测器的电路图；

图3(a)是车载装置的原理框图；

图3(b)是车载装置的电路图；

图4(a)是地铁轮径检测方法的流程图；

图4(b)是地铁轮径的故障诊断流程图；

图4(c)是地铁轮径的检测流程图；

图4(d)是地铁轮径检测系统的故障诊断流程图；

图4(e)是地铁轮径磨损率的故障诊断流程图。

具体实施方式

如图1所示，地铁轮径检测系统由地面装置300、车载装置400组成，地面装置300包括第一扩展激光对射探测器100、第二扩展激光对射探测器200；在平直轨道线路上选取应答器1和应答器2、两个应答器相距L，作为轮径检测的长度参照物；在应答器1和应答器2区间外侧⊿L处的两端，分别配置第一扩展激光对射探测器100、第二扩展激光对射探测器200，两台激光对射探测器的距离＝L+2⊿L，距离L+2⊿L作为轮径检测的基准长度；第一扩展激光对射探测器100的应答器11位于应答器2至应答器1延线的L+2⊿L处，第二扩展激光对射探测器200类同；第一扩展激光对射探测器100的激光发射端、激光接收端垂直轨道线路相向安装在轨道两侧，激光发射/接收端的安装高度＝H，高度H＝车载装置400的激光遮挡板安装高度，第二扩展激光对射探测器200的激光发射端、激光接收端安装方式类同。

说明1：不失一般性，令地铁列车的运行方向从左向右。因第一扩展激光对射探测器和第二扩展激光对射探测器、应答器1和应答器2均对称分布，若地铁列车的运行方向从右向左，地铁轮径的检测流程不变；只需互换扩展激光对射探测器序号，以及同步互换应答器序号。2⊿L≤0.5应答器响应的报文传输距离，保证应答器可靠读取相邻应答器的响应报文；L≥查询-应答器工作距离，应答器的车载查询器型号是AI1422(Transcore公司AT5112型查询-应答器)。车载查询器安装在列车头部下方，应答器11和应答器21是地铁己有的标配设备。

如图2(a)、图2(b)所示，第一扩展激光对射探测器100以DA208Y-1型激光对射探测器为核心，包括DA208Y-1型激光对射探测器的激光发射端110、激光接收端120以及应答器1 130和CC2500型2.4G的无线通信模块140、采用MSP430F149芯片的主控模块150；主控模块150的MSP430F149脚32、33分别与无线通信模块140端口2、1相连，主控模块150的MSP430F149脚34、35分别与应答器1 130端口2、1相连，主控模块150的MSP430F149脚12、16分别与激光发射端110端口1、激光接收端120端口2相连；应答器1 130只接收不发送射频信号--接收列车标配查询器发射的射频信号/读取相邻应答器响应的报文，作为第一扩展激光对射探测器100的启动/故障诊断信号；激光发射端110发射的激光束被车载装置400激光遮挡板阻断，激光接收端120生成地铁轮径实时检测中断1，作为第一扩展激光对射探测器100的关闭信号和地铁轮径检测的启动信号；

第二扩展激光对射探测器200类同，应答器2 230只接收不发送射频信号--读取相邻应答器响应的报文/接收列车标配查询器发射的射频信号，作为第二扩展激光对射探测器的启动/故障诊断信号；激光发射端210发射的激光束被车载装置400激光遮挡板阻断，激光接收端220生成地铁轮径实时检测中断2，作为第二扩展激光对射探测器200的关闭信号和地铁轮径检测的结束信号。

如图3(a)、图3(b)、图1所示，车载装置400包括CC2500型2.4G的车载无线通信模块410、采用TDC_GP21芯片的时间测量模块420、采用MSP430F149芯片的车载主控模块430、激光遮挡板440；车载主控模块430的MSP430F149脚32、33分别与车载无线通信模块410端口2、1相连，车载主控模块430的MSP430F149脚27、28、31、29、30分别与时间测量模块420的TDC_GP21脚8、9、10、11、12相连，车载主控模块430与DF16/1.200fadk型轮轴测速传感器相连；激光遮挡板440安装在列车头部，安装高度H＝激光发射/接收端的安装高度。

如图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)所示，地铁轮径实时检测方法的流程包括地铁轮径的实时检测流程和地铁轮径的故障诊断流程，地铁轮径的故障诊断流程由地铁轮径实时检测系统的故障诊断流程、地铁轮径磨损率的故障诊断流程组成。

地铁轮径的实时检测流程如下：

①第一扩展激光对射探测器启动：

应答器11接收/响应列车查询器射频信号

应答器1 130接收应答器11响应报文

主控模块150启动第一扩展激光对射探测器100

激光发射端110发射激光束

激光接收端120接收激光束

②轮径检测启动：

激光遮挡板440阻断激光束

激光接收端120生成检测中断1

主控模块150经通信模块140发射检测启动信号

主控模块430经通信模块410接收检测启动信号

时间测量模块420记录检测启动时间t_start

③-1第一扩展激光对射探测器关闭：

主控模块150发射检测启动信号后延时t_delay

主控模块150关闭第一扩展激光对射探测器100

③-2轮径检测：

主控模块430读取轮轴测速传感器的计数脉冲

时间测量模块420记录计数脉冲的时间t₁、t₂、……t_N，t_N为最后一个(即第N个)计数脉冲的时间

④第二扩展激光对射探测器启动：

应答器2 230接收列车查询器射频信号

主控模块250启动第二扩展激光对射探测器200

激光发射端210发射激光束

激光接收端220接收激光束

⑤轮径检测结束：

激光遮挡板440阻断激光束

激光接收端220生成检测中断2

主控模块250经通信模块240发射检测结束信号

主控模块430经通信模块410接收检测结束信号

时间测量模块420记录检测结束时间t_end

⑥第二扩展激光对射探测器关闭：

主控模块250发射检测结束信号后延时t_delay

主控模块250关闭第二扩展激光对射探测器200

⑦轮径计算：

计算启动时非整数圈DS_decimal＝(t₁－t_start)/(t₂－t₁)

计算结束时非整数圈DE_decimal＝(t_end－t_N)/(t_N－t_N-1)

计算轮径检测圈数K＝N+DS_decimal+DE_decimal

计算轮径Φ＝[L+2⊿L]÷K÷π

存储轮径Φ对应的列车里程D_mileage；

地铁轮径实时检测系统的故障诊断流程：

·若应答器1 130接收到查询器射频信号，

但未读取到相邻应答器11响应报文，则表明应答器11故障

·若应答器1 130未收到查询器射频信号，

但查询器读取到相邻应答器11报文，则表明应答器1 130故障

·若应答器1 130接收到应答器11响应报文，

但无发射检测启动信号，则表明第一激光对射探测器故障

·第二扩展激光对射探测器200的故障诊断与第一扩展激光对射探测器100类同；

地铁轮径磨损率的故障诊断流程：

·读取轮径磨损参数D_parameter＝0.125mm/万km

·读取存储的轮径值Φ、里程D_mileage；此过程中需要分别读取前一次测量得到的轮径值Φ₁、里程D_1mileage和当前测量得到的轮径值Φ₂、里程D_2mileage

·磨损率故障诊断

计算⊿Φ＝[Φ₂－Φ₁]/[D_2mileage－D_1mileage]

若⊿Φ≥2D_parameter，则轮径磨损故障。

说明2：热备冗余架构的车载装置由两套相同的装置组成，两套装置平行独立工作，具有高可靠可用性；采用离线定期维护策略。因此，本文不涉及地铁轮径检测系统车载装置的故障诊断。