CN101949955B - 列车组合测速定位系统的状态自检方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种列车组合测速定位系统的状态自检方法，该方法包括：利用速度传感器各自的多路信息进行冗余检验，判定速度传感器状态；以雷达测量数据为参照，判定速度传感器测量状态；根据速度传感器测量数据及雷达的输出状态字，判定雷达传感器的测量状态；根据速度传感器及雷达状态判定结果，按照系统状态转移模型确定系统结构重构方案，输出不包含失效或故障传感器或雷达测量结果的测速定位信息，并给出系统状态信息表示，或在所有传感器均失效时给出测量输出无效的状态表示。本发明的方法提高了传感器状态检测性能，降低了组合系统复杂性，可进一步节省工程支出和维护费用。
Description
技术领域
本发明涉及组合测速定位技术领域，尤其涉及一种列车组合测速定位系统的状态自检方法。
背景技术
实时精确的速度及位置信息是保障列车运行控制系统正常工作、列车安全运行的重要参数。在列车运行控制系统中，列车测速定位系统利用车载测速定位传感器(如脉冲速度传感器、多普勒雷达等)在列车运行过程中实时获取列车位置、速度等运行状态信息，从而准确有效的提供给控制系统实现列车的行进、停车、加速和缓行等。
目前在轨道交通中存在着多种列车测速定位方式，根据位置速度信息的来源，可以把测速定位方式分成两大类，即利用轮轴旋转信息的测速定位方法和利用无线方式的直接检测法，其中最为常用的是基于轮轴脉冲速度传感器和雷达传感器的测速定位。
基于轮轴脉冲速度传感器的列车测速定位借助于一个或多个安装在机车动轮轮轴上的速度传感器，通过测量测速轮对的转速脉冲来计算列车的速度及位置。该方法实现较简单，是目前应用最为广泛的列车测速定位方式，但是它也存在缺陷，如在列车实际过程中机车受测轮对与钢轨之间存在相对运动(如车轮空转、滑行)，列车测速定位的精度将随之而恶化。此外，随着列车运行过程车轮会不断受到磨损，参与速度位置计算的名义轮径若未得到及时校准和更新，则测速定位结果将包含轮径减小带来的误差。多普勒雷达测速是一种直接测量速度和距离的方法。在列车上安装多普勒雷达，始终向轨面发射电磁波，由于列车和轨面之间有相对运动，根据多普勒频移效应原理，在发射波和反射波之间产生频移，通过测量频移就可以计算出列车运行速度，并进一步计算出列车的运行距离。随着多普勒雷达测速技术日趋成熟，其测速定位精度不断提高，但是使用雷达进行速度测量会因为安装误差、外界电磁干扰等因素造成测速测距性能下降，因此，通常的做法是在车载测速定位系统中利用多个脉冲速度传感器、雷达传感器实现多传感器组合冗余，从而保证速度距离的测量精度满足精确性及可靠性需求。一个典型的多传感器列车组合测速定位系统结构如图1所示。
由于脉冲速度传感器、多普勒雷达在测量过程中可能出现传感器故障导致功能失效，且在车轮空转、滑行以及列车低速运行的情况下，速度传感器或雷达测量所得列车位置状态信息的有效性降低，此时在列车速度位置判决输出中应当隔离失效及低可信度的传感器测量，以保证输出精确可靠，如此则需要在组合系统中增加状态自检。现有的列车测速定位系统状态自检方式主要包括硬件自检和软件自检，即在启动运行时利用硬件响应反馈，或借助软件的分析比较算法判断传感器的状态，从而给出相应的状态指示。由于以往的列车测速定位系统多采用单一传感器配置，因此传统的状态自检方法无法从系统各传感器部件的独立性和耦合性出发，给出合理的综合判断，不具备不同传感器配置结构方案的适应性，尤其是当前所采用的速度传感器/雷达组合列车测速定位系统。因此，针对组合系统结构开发基于多传感器列车测速定位系统的状态自检方法，在每次运行起始时利用该方法在传感器级、系统级对其状态进行检测和判决，能够实现对低可信度及无效状态信息的有效隔离。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是：提高传感器状态检测性能，降低了组合系统复杂性，节省工程支出和维护费用。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种列车组合测速定位系统的状态自检方法，该方法包括步骤：
S1.列车启动，开始接收并记录速度传感器及雷达的测量数据；
S2.利用速度传感器各自的多路信息进行冗余检验，判定速度传感器状态；
S3.以雷达的测量数据为参照，对列车动轮的空转、滑行状态进行检测，判定速度传感器的测量状态；
S4.根据速度传感器的测量数据及雷达的输出状态字，进行雷达状态自检，判定雷达的测量状态。
其中，步骤S4后还包括步骤：
S5.根据速度传感器及雷达的测量状态判定结果，按照列车组合测速定位系统状态转移模型确定该系统的结构重构方案，使输出不包含失效或故障传感器或雷达测量结果的测速定位信息，并给出该系统的状态信息表示，或在所有传感器和雷达均失效时给出测量输出无效的状态信息表示。
其中，在步骤S2中，对于包含多路脉冲计数信息的速度传感器，分别接收和记录不同通路的计数及计算结果，并将同一速度传感器的不同通路信息进行比较检验，当其计数结果相同，或计数误差小于设定的误差阈值时，判定该速度传感器正常，否则判定其输出无效。
其中，在步骤S3中，对于多路信息冗余检验状态正常的速度传感器，
当速度传感器测速结果与雷达测速结果相同或误差小于给定阈值时，速度传感器测量状态正常；
当速度传感器测速结果小于雷达测速结果，且误差超过判决阈值时，判定速度传感器因受测轮对滑行而不可用；
当速度传感器测速结果大于雷达测速结果，且误差超过判决阈值时，判定速度传感器因受测轮对空转而不可用；
若速度传感器已处于空转或滑行状态，且持续时间超过给定的时间门限时，则判定速度传感器处于共模故障状态。
其中，在步骤S4中，
当雷达输出状态字正常，判定雷达工作正常；
当上周期雷达测速结果大于雷达工作门限，且雷达与速度传感器测速结果误差大于给定的误差阈值，则当前雷达输出状态字显示为异常，判定雷达处于失效状态；
当雷达上周期测速结果小于雷达工作门限，则当前雷达输出状态字显示为异常，雷达处于低速失效隔离状态。
其中，所述雷达输出状态字正常指：雷达测速结果大于雷达工作门限，且与速度传感器测量结果误差小于给定的误差阈值。
其中，所述雷达工作门限为5km/h。
(三)有益效果
本发明的方法为针对采用脉冲速度传感器、多普勒雷达组合进行测速定位的系统，针对组合系统结构开发的基于多传感器的列车测速定位系统的状态自检方法，实现了传感器级、系统级检测，提高了传感器状态检测性能，能够有效检测失效或者低可信度的传感器，隔离低可信度及无效状态信息，实现速度、距离的测量精度满足精确性及可靠性需求基础上，减少了传感器冗余模数，降低了组合系统复杂性，可进一步节省工程支出和维护费用。
附图说明
图1为现有的传感器列车测速定位系统结构示意图；
图2为依照本发明一种实施方式的列车组合测速定位系统的状态自检方法流程图；
图3为本发明方法中速度传感器多路冗余检验状态转移模型；
图4为本发明方法中速度传感器空滑检验状态转移模型；
图5为本发明方法中雷达状态检验状态转移模型；
图6为本发明方法中组合系统检验结构重构模型。
具体实施方式
对于本发明所提出的组合测速定位系统状态自检方法，结合附图和实施例详细说明。
本发明所提出的组合测速定位系统状态自检方法，其中的组合测速定位系统尤指脉冲速度传感器、多普勒雷达组合的测速定位系统，该自检方法用于在上述系统进行测速定位时，速度传感器及雷达传感器状态的自检，特别是应用于列车运行控制系统中，列车测速定位系统的状态自检。采用双路脉冲速度传感器、多普勒雷达的输出信息作为状态自检的依据，利用“速度传感器1/速度传感器2”、“速度传感器/雷达”以及雷达状态字等比较方案判断传感器工作状态以及车轮空转、滑行。根据不同状态判别依据作为状态转移条件，分别建立速度传感器多路冗余状态转移模型、速度传感器空滑检验状态转移模型以及雷达检验状态转移模型，形成完整的系统状态自检方案。根据所建立的系统状态转移模型所表征的各种传感器故障/失效状态，形成统一的系统检验结构重构模型，利用状态自检结果实现系统的有效性保障。
如图2所示，依照本发明一种实施方式的组合测速定位系统状态自检方法包括步骤：
S1.列车启动，开始接收速度传感器及雷达测量数据，并存储在指定空间；
列车由静止开始运动，启动后开始利用车载传感器测量位置、速度等信息，并将脉冲速度传感器以及雷达的测量结果分别存储于指定的空间以待判决和处理。
S2.利用速度传感器各自的多路信息进行冗余检验，判定速度传感器状态；
对于包含多路脉冲计数信息的速度传感器，分别接收和记录不同通路的计数及计算结果，并将同一传感器的不同路信息进行比较检验，当其计数结果相同，或计数误差小于一个给定的误差阈值ε，即
时，判定该速度传感器正常，否则其输出应视为无效。
S3.以雷达测量信息为参照，对列车动轮的空转、滑行状态进行检测，判定速度传感器测量状态；
对于多路信息冗余检验状态正常的速度传感器，在列车运行过程中以雷达传感器测得速度及位置为参考基准，实时地将速度传感器测量结果与之比较，判断速度传感器的空滑状态。其中：
当速度传感器与雷达测量值相同或误差小于给定阈值σ，即
时，速度传感器i状态正常；
当速度传感器测速结果小于雷达测量值且误差超过判决阈值时，即
且
判定速度传感器i因受测轮对滑行而不可用；
当速度传感器测速结果大于雷达测量值且误差超过判决阈值时，即
且
判定速度传感器i因受测轮对空转而不可用；
若速度传感器i已处于空转或滑行状态，且持续时间超过给定的时间门限τM，则判定速度传感器i处于共模故障状态。
多个速度传感器的状态检验分别进行。速度传感器空滑状态检验遵循如图4所示的状态转移模型。
S4.根据雷达测速信息及雷达输出状态字进行状态自检，判定雷达传感器的测量状态；
在列车运行过程中以处于正常状态的速度传感器输出作为参考基准，实时将雷达传感器测量结果与之比较，判断雷达状态并以雷达输出状态字为标志给出状态表示。
当雷达输出状态字正常，即雷达测速结果大于雷达工作门限νrd＞χv且与速度传感器测量结果误差小于给定的误差阈值
时，判定雷达工作正常；
当上周期雷达测速结果大于雷达工作门限νrd＞χv(门限χv通常取5km/h)，且雷达与速度传感器测量结果误差大于给定的误差阈值则当前雷达状态字显示为异常，雷达判定处于失效状态；
当雷达上周期测速结果小于雷达工作门限νrd＜χv，则当前雷达状态字显示为异常，雷达处于低速失效隔离状态。
S5.根据速度传感器及雷达状态判定结果，按照测速定位系统状态转移模型确定系统结构方案，利用有效的传感器测量信息输出测速定位结果，或在所有传感器均失效时给出测量输出无效的状态表示。
根据传感器级的测速定位状态检验结果，从系统级层面上确定传感器组合方案重构系统，使输出测速定位信息不包含失效或故障传感器测量结果，并给出系统状态信息表示。当各速度传感器及雷达均工作正常，且上周期雷达测量速度高于雷达工作门限，则系统处于正常状态且由“双速度传感器+雷达”全组合方案进行计算输出；当速度传感器i失效或检测到车轮空转滑行状态，则由余下的速度传感器与雷达共同完成测速定位功能；若所有速度传感器均处于失效状态或上周期雷达测量速度低于雷达工作门限，则组合系统不进行重构，而直接转为无效状态。各传感器的状态检验分别进行，组合系统状态信息要包含于最终的系统输出。
以下，优选基于CBTC列车运行控制系统，对本发明方法进行详细说明，该系统采用两个速度传感器和一个多普勒雷达组合的测速定位系统。
1.列车启动运行并记录测量数据
列车由静止开始运动，启动后开始利用车载传感器测量位置、速度等信息，并将脉冲速度传感器(独立的两个)以及雷达的测量结果分别存储于指定的空间以待判决和处理。
2.速度传感器多路信息冗余检验
对于包含多路脉冲计数信息的速度传感器，分别接收和记录不同通路的计数及计算结果，并将同一传感器的不同路信息进行比较检验，当其计数结果相同，或计数误差小于一个给定的误差阈值ε，即
时，判定该速度传感器正常，否则其输出应视为无效。多个速度传感器的状态检验分别进行。速度传感器多路信息冗余检验遵循如图3所示的状态转移模型。
3.速度传感器空转滑行状态检测
对于多路信息冗余检验状态正常的速度传感器，在列车运行过程中以雷达传感器测得速度及位置为参考基准，实时地将速度传感器测量结果与之比较，判断速度传感器的空滑状态。当速度传感器与雷达测量值相同或误差小于给定阈值σ，即
时，速度传感器i状态正常；当速度传感器测速结果小于雷达测量值且误差超过判决阈值时，即
且
判定速度传感器i因受测轮对滑行而不可用；当速度传感器测速结果大于雷达测量值且误差超过判决阈值时，即
且
判定速度传感器i因受测轮对空转而不可用；若速度传感器i已处于空转或滑行状态，且持续时间超过给定的时间门限τM，则判定速度传感器i处于共模故障状态。多个速度传感器的状态检验分别进行。速度传感器空滑状态检验遵循如图4所示的状态转移模型。
4.雷达传感器状态检测
在列车运行过程中以处于正常状态的速度传感器输出作为参考基准，实时将雷达传感器测量结果与之比较，判断雷达状态并以雷达输出状态字为标志给出状态表示。当雷达输出状态字正常，即雷达测速结果大于雷达工作门限νrd ＞χv且与速度传感器测量结果误差小于给定的误差阈值
时，判定雷达工作正常；当上周期雷达测速结果大于雷达工作门限νrd＞χv(通常取5km/h为门限)，且雷达与速度传感器测量结果误差大于给定的误差阈值
则当前雷达状态字显示为异常，雷达判定处于失效状态；当雷达上周期测速结果小于雷达工作门限νrd＜χv，则当前雷达状态字显示为异常，雷达处于低速失效隔离状态。雷达传感器状态检验遵循如图5所示的状态转移模型。
5.系统级状态检验及结构重构
根据传感器级的测速定位状态检验结果，从系统级层面上确定传感器组合方案重构系统，使输出测速定位信息不包含失效或故障传感器测量结果，并给出系统状态信息表示。当各速度传感器及雷达均工作正常，且上周期雷达测量速度高于雷达工作门限，则系统处于正常状态且由“双速度传感器+雷达”全组合方案进行计算输出；当速度传感器i失效或检测到车轮空转滑行状态，则由余下的速度传感器与雷达共同完成测速定位功能；若所有速度传感器均处于失效状态或上周期雷达测量速度低于雷达工作门限，则组合系统不进行重构，而直接转为无效状态。各传感器的状态检验分别进行，组合系统状态信息要包含于最终的系统输出。组合系统检验及结构重构遵循如图6所示的状态转移模型。
本发明的检测方法应用于基于CBTC列车运行控制系统，采用两个速度传感器和一个多普勒雷达组合系统，结果表明列车定位系统满足测速、测距精确性要求；在5km以下低速测试中误差很小，测速、测距效果理想。本发明降低了硬件系统要求，更加易于实现，定位传感器级异常，隔离异常、无效传感器信息，保证测速定位系统在低模冗余组合(如两模冗余)系统条件下具有较高的测量精度，且低速条件下具备较好的测量精度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种列车组合测速定位系统的状态自检方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.列车启动，开始接收并记录速度传感器及雷达的测量数据；
S2.利用速度传感器各自的多路信息进行冗余检验，判定速度传感器状态；
S3.以雷达的测量数据为参照，对列车动轮的空转、滑行状态进行检测，判定速度传感器的测量状态；
S4.根据速度传感器的测量数据及雷达的输出状态字，进行雷达状态自检，判定雷达的测量状态；
S5.根据速度传感器及雷达的测量状态判定结果，按照列车组合测速定位系统状态转移模型确定该系统的结构重构方案，使输出不包含失效或故障传感器或雷达测量结果的测速定位信息，并给出该系统的状态信息表示，或在所有传感器和雷达均失效时给出测量输出无效的状态信息表示。
2.如权利要求1所述的列车组合测速定位系统的状态自检方法，其特征在于，在步骤S2中，对于包含多路脉冲计数信息的速度传感器，分别接收和记录不同通路的计数及计算结果，并将同一速度传感器的不同通路信息进行比较检验，当其计数结果相同，或计数误差小于设定的误差阈值时，判定该速度传感器正常，否则判定其输出无效。
3.如权利要求2所述的列车组合测速定位系统的状态自检方法，其特征在于，在步骤S3中，对于多路信息冗余检验状态正常的速度传感器，
当速度传感器测速结果与雷达测速结果相同或误差小于给定阈值时，速度传感器测量状态正常；
当速度传感器测速结果小于雷达测速结果，且误差超过判决阈值时，判定速度传感器因受测轮对滑行而不可用；
当速度传感器测速结果大于雷达测速结果，且误差超过判决阈值时，判定速度传感器因受测轮对空转而不可用；
若速度传感器已处于空转或滑行状态，且持续时间超过给定的时间门限时，则判定速度传感器处于共模故障状态。
4.如权利要求3所述的列车组合测速定位系统的状态自检方法，其特征在于，在步骤S4中，
当雷达输出状态字正常，判定雷达工作正常；
当上周期雷达测速结果大于雷达工作门限，且雷达与速度传感器测速结果误差大于给定的误差阈值，则当前雷达输出状态字显示为异常，判定雷达处于失效状态；
当雷达上周期测速结果小于雷达工作门限，则当前雷达输出状态字显示为异常，雷达处于低速失效隔离状态。
5.如权利要求4所述的列车组合测速定位系统的状态自检方法，其特征在于，所述雷达输出状态字正常指：雷达测速结果大于雷达工作门限，且与速度传感器测量结果误差小于给定的误差阈值。
6.如权利要求5所述的列车组合测速定位系统的状态自检方法，其特征在于，所述雷达工作门限为5km/h。
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