CN105150876B - 一种基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，步骤包括：1)将两个以上轨枕检测传感器按照指定间距依次布置在列车上；列车开始启动运行后，转入执行步骤2)；2)获取当前列车运行的加速度，根据获取的加速度计算当前列车速度；3)判断当前列车速度是否处于预设的低速区，如果是，返回执行步骤2)以对低速区进行速度补偿，否则转入执行步骤4)；4)实时接收各个轨枕检测传感器发送的检测信号，根据检测信号计算当前列车速度；返回执行步骤3)，直至列车停止运行。本发明基于轨枕检测实现磁悬浮列车速度的检测，同时能够对低速区速度进行补偿，具有实现方法简单、非低速区以及低速区均检测精度高的优点。

Description

一种基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮列车技术领域，尤其涉及一种基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法。

背景技术

磁悬浮列车作为一种新兴的先进轨道交通系统工具，具有噪声低、转弯半径小、爬坡能力强、安全性好且维护成本低等地铁和城市轻轨所无法比拟的优势。测速系统是磁悬浮列车的系统技术之一，其为牵引系统、制动系统、运行系统和监控系统提供速度信号。因而测速系统所提供信号的准确性和可靠性是列车安全、稳定、可靠运行的保障和必要条件，具体包括：

为牵引控制(DCU)子系统、制动控制(BCU)子系统提供速度信号，实现列车速度的闭环控制；

为列车自动监控(ATS)子系统提供列车速度信息，作为现实列车运行状态的基本信息，为驾驶员驾驶列车提供依据；

为列车自动防护(ATP)子系统提供准确的速度信息，作为列车在车站打开车门以及站内屏蔽门的依据和实现自动驾驶与自动保护功能。

测速系统在整个系统中的这些重要作用要求其必须能够保证提供准确的列车速度信息，而由于磁浮列车特性的特殊性，无法直接采用轮轨铁路的测速方法，因而针对磁悬浮列车的测速方法有限，目前主要有如下几种测速方法：

1)交叉感应回线测速

交叉感应回线测速方法是通过在轨道上铺设交叉回线，在列车上装配车载感应线圈来实现。但该类方法必须全线铺设环线，且必须保证回线内的激励信号满足车载线圈检测需要。在长距离轨道线路中，由于激励信号驱动功率及可靠性的需要，感应回线一般需要分区段控制，一旦某一段出现故障，则全线列车运行就会受到影响。

2)多普勒雷达测速

通过列车上安装雷达，雷达天线向轨面发射电磁波，经过轨面反射回天线，列车相对轨面的运动会使得发射波和接收波之间存在一定的频率差，及多普勒频率，其值正比于列车速度，多普勒雷达测速方法即是根据该原理测得列车运行速度。但是该类方法易受环境的影响，例如雨雪天气时易造成误测量，且在低速时其测量精度也会下降。

3)轨枕检测测速

通过在列车上安装多个传感器，由各传感器检测到轨枕时所发送的检测信号进行测速。该类方法进行测速时，只需要存在金属材质的轨枕，采用电涡流传感器通过非接触主动检测就可以完成测速，不需要地面增设专用设备，抗干扰性能好、结构简单、便于维护、可靠性高且成本低，同时不需要轨枕均匀排列，减小了轨道设计和安装难度。

但是上述轨枕检测测速方法存在低速区精度低的固有问题，当列车行驶速度快时，速度脉冲频率也相应提高，速度更新快；反之，当列车行驶速度慢时，传感器脉冲获取慢，速度脉冲频率相应降低，速度更新慢，若此时加速度较大时，则会造成速度计算误差大、精度低。因此在列车以较大加速度低速运行时，采用上述轨枕检测测速方法的速度检测精度低，会影响列车自动停车及与BCU、ATS、ATP系统的配合，从而严重影响了该类测速方法的工程应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、非低速区以及低速区均检测精度高的基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，能够基于轨枕检测实现磁悬浮列车速度的检测，同时对低速区速度进行补偿。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，步骤包括：

1)将两个以上轨枕检测传感器按照指定间距依次布置在列车上；列车开始启动运行后，转入执行步骤2)；

2)获取当前列车运行的加速度，根据获取的加速度计算当前列车速度；

3)判断当前列车速度是否处于预设的低速区，如果是，返回执行步骤2)以对低速区进行速度补偿，否则转入执行步骤4)；

4)实时接收各个所述轨枕检测传感器发送的检测信号，根据所述检测信号计算当前列车速度；返回执行步骤3)，直至列车停止运行。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中计算当前列车速度的具体步骤为：当列车为开始启动后的加速运行状态时，按照式a·t₁计算当前列车速度，其中a为列车运行的加速度，t₁为从列车运行起始时刻至当前时刻的持续时间；当列车为减速运行状态时，按照式V_mc′+at₂计算当前列车速度，其中V_mc′为最后一次通过所述检测信号计算得到的列车速度，t₁为从计算起始时刻至当前时刻的持续时间，所述计算起始时刻为V_mc′所对应的时刻。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中加速度具体通过在列车上安装加速度传感器获取得到；或通过获取司机手柄级位信息，并进行比例调整以及延时后得到。

作为本发明的进一步改进，所述步骤3)中判断当前列车速度是否处于预设的低速区的具体步骤为：判断当前列车速度是否小于低速阈值V_thr，如果是，则判定为处于低速区，否则判定为处于非低速区，其中所述低速阈值V_thr按下式计算得到；

其中B为两个轨枕之间的距离，a_max为最大的加速度值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1)的具体步骤为：将四个轨枕检测传感器呈直线依次布置在列车底部，相邻两个轨枕检测传感器之间的间距D与相邻两个轨枕间距离B之间满足2D<B<4D；所述轨枕检测传感器检测到轨枕时，发送方波脉冲的检测信号。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4)中根据所述检测信号计算当前列车速度的具体步骤为：

4.1)实时接收各个轨枕检测传感器的检测信号；以相邻两个轨枕检测传感器的检测信号为一组并作为当前组检测信号，转入执行步骤4.2)；

4.2)根据当前组检测信号生成对应的延迟信号，所述延迟信号为从接收到当前组检测信号中第一个检测信号开始为高电平，直至接收到第二个检测信号，并按照下式计算出当前列车速度，得到一个速度计算值V′；取另相邻两个轨枕检测传感器的检测信号为一组并作为当前组检测信号，返回执行步骤4.2)；直至完成所有相邻两个轨枕检测传感器的检测信号的计算；

其中，D为相邻两个轨枕检测传感器之间的间距，T_H、T_L分别为所述延迟信号的一个周期中高电平、低电平持续时间；

4.3)综合所述步骤4.2)得到所有所述速度计算值V′计算当前列车速度的最终值并输出。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4.2)中还包括当前列车速度的方向的确定步骤，具体步骤为：若T_H<T_L，则当前列车速度的方向与第二个传感器向第一个传感器延伸的方向相同；若T_H>T_L，则当前列车速度的方向与第一个传感器向第二个传感器延伸的方向相同，所述第一个传感器为对应所述第一个检测信号的轨枕检测传感器，所述第二个传感器为对应所述第二个检测信号的轨枕检测传感器。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4.3)具体通过取所述步骤4.2)得到所有所述速度计算值V′的平均值，计算得到当前列车速度的最终值并输出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明基于轨枕检测方法对磁悬浮列车进行测速，实现方法简单、抗干扰性能好、可靠性高且成本低，同时通过在列车低速运行状态时，由加速度计算列车速度来进行速度补偿，提高低速区速度检测的精度，从而可以有效解决基于轨枕检测方法在低速区精度低的问题，使得在低速区以及非低速区均能够实现高精度的速度检测；

2)本发明通过判断列车速度确定测速方案，当判断到列车速度处于非低速区时，实时接收轨枕检测传感器的检测信号计算列车速度，以基于轨枕检测进行测速；当判断到列车速度处于低速区时，进入低速补偿模式，通过加速度来计算列车速度，从而可以保证低速区以及非低速区均能够实现高精度的速度检测；

3)本发明在列车低速运行的两个阶段中，对于加速运行阶段，根据加速器计算列车速度；对于减速运行阶段时，根据最后一次通过检测信号计算得到的列车速度以及加速度来计算列车速度，可以实现低速运行两个阶段的不同补偿，同时有效结合轨枕检测的结果完成低速区中减速运行的速度补偿，确保速度补偿的准确度；

4)本发明由最大加速度减速运行到列车停止、且未接收到速度更新检测信号的情况，来确定需要进行补偿的低速区，从而能够确保在列车低速运行且未有速度更新的时间段内进行补偿，以在合适的时机进行补偿，确保补偿的有效性以及精度。

附图说明

图1是本实施例基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法的实现流程示意图。

图2是本实施例基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法的实现原理示意图。

图3是列车从启动到停止状态时速度变化的原理示意图。

图4是本实施例中四个轨枕检测传感器的检测信号波形示意图。

图5是本实施例中列车向前行驶时S1和S2的检测信号及延迟信号的波形示意图。

图6是本实施例中列车向后行驶时S1和S2的检测信号及延迟信号的波形示意图。

图例说明：1、轨道；2、轨枕；3、轨枕检测传感器；4、测速装置；5、列车车体。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，步骤包括：

1)将两个以上轨枕检测传感器3按照指定间距依次布置在列车上；列车开始启动运行后，转入执行步骤2)；

2)获取当前列车运行的加速度，根据获取的加速度计算当前列车速度；

3)判断当前列车速度是否处于预设的低速区，如果是，返回执行步骤2)以对低速区进行速度补偿，否则转入执行步骤4)；

4)实时接收各个轨枕检测传感器3发送的检测信号，根据检测信号计算当前列车速度；返回执行步骤3)，直至列车停止运行。

本实施例基于轨枕检测方法对磁悬浮列车进行测速，实现方法简单、抗干扰性能好、可靠性高且成本低，同时通过在列车低速运行状态时，由加速度计算列车速度来进行速度补偿，提高了低速区速度检测的精度，从而可以有效解决基于轨枕检测方法在低速区精度低的问题，使得在低速区以及非低速区均能够实现高精度的速度检测。

本实施例中，步骤1)的具体步骤为：将四个轨枕检测传感器3呈直线依次布置在列车底部，相邻两个轨枕检测传感器3之间的间距D与两个轨枕2间距离B满足2D<B<4D；轨枕检测传感器3检测轨枕2时，发送方波脉冲信号的检测信号。如图2所示，本实施例基于轨枕检测方法，通过将四个传感器呈直线安装在列车车体5的底部用于检测轨枕2，传感器从前往后依次为S1～S4(前、后方向如图中箭头所示)，轨枕2以间距B分布在轨道1中，当列车向前行驶时，S1～S4传感器依次划过轨枕2，则一组传感器经过同一轨枕2时会产生依次相邻的触发信号，根据相邻触发信号的时间间隔即可计算得到列车速度。本实施例轨枕检测传感器3具体采用接近开关传感器，当接近开关传感器划过轨枕时，发送方波脉冲触发信号。

本实施例具体通过一个测速装置4来判断列车的运行状态，当判断到列车速度处于非低速区时，由测速装置4实时接收轨枕检测传感器3的检测信号计算列车速度V_mc，以基于轨枕检测进行测速；当判断到列车速度处于低速区时，进入低速补偿模式，由测速装置4通过加速度来计算列车速度V_mc，实现低速补偿，从而可以保证低速区以及非低速区均能够实现高精度的速度检测。

本实施例中，步骤2)中计算当前列车速度的具体步骤为：当列车为开始启动后的加速运行状态时，按照式a·t₁计算当前列车速度，其中a为列车运行的加速度，t₁为从列车运行起始时刻至当前时刻的持续时间；当列车为减速运行状态时，按照式V_mc′+at₂计算当前列车速度，其中V_mc′为最后一次通过检测信号计算得到的列车速度，t₁为从计算起始时刻至当前时刻的持续时间，计算起始时刻为V_mc′所对应的时刻。

如图3所示，以由传感器S1～S4计算得出的速度为V_mc，最终输出速度为V_out，列车从开始启动至停止后列车速度为阶跃变化的，在小于一预设的低速阈值V_thr的低速区(小于V_thr)内，加速度越大，则速度精度越低。本实施例当接收到传感器S1～S4的触发脉冲时更新V_mc，此时输出速度V_out跟随V_mc变化，若处于低速区时，以最后一次更新的V_mc为初始速度，按照加速度和时间进行计算得出最终输出速度V_out。其中，列车启动运行后低速运行区包括两个阶段，分别为低速加速阶段以及低速减速阶段，本实施针对该两个阶段计算当前列车速度V_mc的表达式为：

通过减速运行阶段时，根据最后一次通过检测信号计算得到的列车速度以及加速度来计算列车速度，能够有效结合轨枕检测的结果完成低速区中减速运行的速度补偿，确保速度补偿的准确度。

本实施例中，列车的加速度具体可采用两种方式获取，分别为：

①加速度传感器获取

即通过在列车上安装加速度传感器，由加速度传感器来获取列车的加速器信息；

②司机手柄级位获取

采用该类方式时，通过列车网络系统获取司机手柄级位信息，进行比例调整以及一定延时后，获取得到列车的加速度信息。由于司机手柄级位信息近似与列车加速度成正比，仅时时间上稍超前于加速度，所以可以由司机手柄级位信息近似得到列车的加速度。

本发明具体实施例中加速度可选取上述两种方式中的一种进行获取，当然也可以根据实际需求选取其他方式获取得到。

本实施例中，步骤3)中判断当前列车速度是否处于预设的低速区的具体步骤为：判断当前列车速度是否小于低速阈值V_thr，如果是，则判定为处于低速区，否则判定为处于非低速区，其中低速阈值V_thr按下式计算得到；

其中B为两个轨枕之间的距离，a_max为最大的加速度值。

即当列车速度V_mc>V_thr时，则处于非低速区时，本实施例基于轨枕检测传感器3的检测信号计算列车速度V_mc；当列车速度V_mc<V_thr时，则处于低速区时，通过加速度来计算列车速度V_mc，实现低速补偿。

本实施例假定列车以V_thr为初始速度且减速度运行到停止的时间段内，均未接收到轨枕检测传感器3的检测信号，即该时间段内不能更新列车速度V_mc，会造成该时间段内速度检测精度低，需要进行低速补偿。

由于V_thr存在以下关系：

s为列车以V_thr为初始速度运行到停止所行走的距离。

考虑最恶劣的情况，即加速度a取最大加减速度a_max，s取为列车以初始速度V_thr运行到停止且未接收到更新检测信号所行走的最长距离为B，则代入公式(5)中即可得到公式(2)。本实施例通过由最大加速度减速运行到列车停止、且未接收到速度更新检测信号的情况，来确定需要进行补偿的低速区，从而能够确保在列车低速运行且未有速度更新的时间段内进行补偿，确保补偿的有效性以及精度。以制动工况为例，以V_thr为初始速度、最大减速度进行制动，列车可能在没有行驶到能更新速度的距离就完全静止，导致列车的速度一直没有更新而使得速度检测精度低，通过公式(2)所确定的低速阈值V_thr，即能够确定得到所需的低速区。

本实施例中，步骤4)中根据检测信号计算当前列车速度的具体步骤为：

4.1)实时接收各个轨枕检测传感器3的检测信号；以相邻两个轨枕检测传感器3的检测信号为一组并作为当前组检测信号，转入执行步骤4.2)；

4.2)根据当前组检测信号生成对应的延迟信号，延迟信号为从接收到当前组检测信号中第一个检测信号开始为高电平，直至接收到第二个检测信号，并按照下式(6)计算出当前列车速度，得到一个速度计算值V′；取另相邻两个轨枕检测传感器3的检测信号为一组并作为当前组检测信号，返回执行步骤4.2)；直至完成所有相邻两个轨枕检测传感器3的检测信号的计算；

其中，D为相邻两个轨枕检测传感器3之间的间距，T_H、T_L分别为所述延迟信号的一个周期中高电平、低电平持续时间；

4.3)综合步骤4.2)得到所有速度计算值V′计算当前列车速度的最终值并输出。

本实施例中，步骤4.3)具体通过取步骤4.2)得到所有所述速度计算值V′的平均值，计算得到当前列车速度的最终值并输出。

如图4所示，列车运行时，轨枕检测传感器3依次通过轨枕2，会依次触发产生方波脉冲信号，相邻两个方波脉冲信号具有一定延时，从而可确定得到当前列车速度。以S1、S2传感器为例，接收到S1、S2的检测信号后，生成对应的延迟信号T12，具体逻辑为：当S1上升沿时延迟信号T12为高电平、S2上沿时延迟信号T12为低，其中T12的高电平持续时间为T12_H，T12的低电平持续时间为T12_L。列车向前行驶时，如图5所示，由于传感器的安装间距为D，且2D≤轨枕间距B≤4D，则T12高电平持续时间T12_H对应行驶的距离为D，而低电平持续时间T12_L对应行驶的距离为D～3D，由S1、S2计算得到的列车速度V12＝D/T12_H；当列车向后行驶时，如图6所示，则T12低电平持续时间T12_L对应行驶的距离为D，T12高电平持续时间T12_H对应行驶距离为D～3D，由S1、S2计算得到的列车速度V12＝D/T12_L。通过延迟信号的高、低电平持续时间以及传感器的安装间距来确定当前列车速度，并通过精度保证，能够进一步提高速度检测的精度。

采用上述相同方法得到V23(由S2、S3传感器得到)、V34(由S3、S4传感器得到)，通过取平均值得到当前列车速度的最终值，即为(V12+V23+V34)/3。

本实施例中，步骤4.2)中还包括当前列车速度的方向的确定步骤，具体步骤为：若T_H<T_L，则当前列车速度的方向与第二个传感器向第一个传感器延伸的方向相同；若T_H>T_L，则当前列车速度的方向与第一个传感器向第二个传感器延伸的方向相同，第一个传感器为对应第一个检测信号的轨枕检测传感器3，第二个传感器为对应第二个检测信号的轨枕检测传感器3。以上述S1、S2传感器为例，如图5、6所示，若T12_H<T12_L，则当前列车速度的方向向前(S2传感器向S1传感器延伸方向)；若T12_H>T12_L，则当前列车速度的方向向后(S1传感器向S2传感器延伸方向)。本实施例在由V12、V23、V34三组信号确定得到的方向一致时，作为最终列车运行方向输出。由相邻两个轨枕检测传感器3之间延迟信号的高、低电平持续时间来判断列车的运行方向，相比较于根据被触发传感器的顺序确定等的传统方式，能够获得更为精确的列车运行方向。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，包括1)将两个以上轨枕检测传感器(3)按照指定间距依次布置在列车上；其特征在于，还包括：列车开始启动运行后，转入执行步骤2)；

2)获取当前列车运行的加速度，根据获取的加速度计算当前列车速度；

3)判断当前列车速度是否处于预设的低速区，如果是，返回执行步骤2)以对低速区进行速度补偿，否则转入执行步骤4)；

4)实时接收轨枕检测传感器(3)发送的检测信号，根据所述检测信号计算当前列车速度；返回执行步骤3)，直至列车停止运行。

2.根据权利要求1所述的基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，其特征在于，所述步骤2)中计算当前列车速度的具体步骤为：当列车为开始启动后的加速运行状态时，按照式a·t₁计算当前列车速度，其中a为列车运行的加速度，t₁为从列车运行起始时刻至当前时刻的持续时间；当列车为减速运行状态时，按照式V_mc′+at₂计算当前列车速度，其中V_mc′为最后一次通过所述检测信号计算得到的列车速度，t₁为从计算起始时刻至当前时刻的持续时间，所述计算起始时刻为V_mc′所对应的时刻。

3.根据权利要求2所述的基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，其特征在于，所述步骤2)中加速度，具体通过在列车上安装加速度传感器获取得到；或通过获取司机手柄级位信息，并进行比例调整以及延时后得到。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，其特征在于，所述步骤3)中判断当前列车速度是否处于预设的低速区的具体步骤为：判断当前列车速度是否小于低速阈值V_thr，如果是，则判定为处于低速区，否则判定为处于非低速区，其中所述低速阈值V_thr按下式计算得到；

$V_{thr}=\sqrt{2\&times;B\&times;a_{max}}$

其中B为两个轨枕之间的距离，a_max为最大的加速度值。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，其特征在于，所述步骤1)的具体步骤为：将四个轨枕检测传感器(3)呈直线依次布置在列车底部，相邻两个轨枕检测传感器(3)之间的间距D与相邻两个轨枕(2)间距离B之间满足2D<B<4D；所述轨枕检测传感器(3)检测到轨枕(2)时，发送方波脉冲的检测信号。

6.根据权利要求5所述的基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，其特征在于，所述步骤4)中根据所述检测信号计算当前列车速度的具体步骤为：

4.1)实时接收各个轨枕检测传感器(3)的检测信号；以相邻两个轨枕检测传感器(3)的检测信号为一组并作为当前组检测信号，转入执行步骤4.2)；

4.2)根据当前组检测信号生成对应的延迟信号，所述延迟信号为从接收到当前组检测信号中第一个检测信号开始为高电平，直至接收到第二个检测信号，并按照下式计算出当前列车速度，得到一个速度计算值V′；取另相邻两个轨枕检测传感器(3)的检测信号为一组并作为当前组检测信号，返回执行步骤4.2)；直至完成所有相邻两个轨枕检测传感器(3)的检测信号的计算；

$V^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}D/T_H& T_H<T_L\\ D/T_L& T_H>T_L\end{array}\right.$

其中，D为相邻两个轨枕检测传感器(3)之间的间距，T_H、T_L分别为所述延迟信号的一个周期中高电平、低电平持续时间；

4.3)综合所述步骤4.2)得到所有所述速度计算值V′计算当前列车速度的最终值并输出。

7.根据权利要求6所述的基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，其特征在于，所述步骤4.2)中还包括当前列车速度的方向的确定步骤，具体步骤为：若T_H<T_L，则当前列车速度的方向与第二个传感器向第一个传感器延伸的方向相同；若T_H>T_L，则当前列车速度的方向与第一个传感器向第二个传感器延伸的方向相同，所述第一个传感器为对应所述第一个检测信号的轨枕检测传感器(3)，所述第二个传感器为对应所述第二个检测信号的轨枕检测传感器(3)。

8.根据权利要求6或7所述的基于轨枕检测的磁悬浮列车测速方法，其特征在于：所述步骤4.3)具体通过取所述步骤4.2)得到所有所述速度计算值V′的平均值，计算得到当前列车速度的最终值并输出。