CN113581255B - 一种列车测速装置和测速方法 - Google Patents

Abstract

一种列车测速装置和测速方法，通过里程计采集齿数信息，通过加速度计采集加速度值，列车控制器判断列车状态，当列车处于正常行驶状态，列车控制器根据里程计采集的信息计算列车速度值，当列车处于打滑状态或者空转状态，列车控制器根据加速度计采集的信息计算列车速度值。本发明能够克服外界环境的干扰，在牵引、制动、惰性、打滑和空转的情况下，均能够安全准确地测量列车的速度，降低了硬件成本，提高了列车控制器的可靠性和安全性，保证了列车控制器的安全监控和高效驾驶。

Description

一种列车测速装置和测速方法

技术领域

本发明涉及轨道交通的信号系统领域，尤其是涉及一种列车控制器(VOBC，VitalOn Board Controller)的测速装置和测速方法。

背景技术

当前，城市轨道交通信号系统的测速传感器，通常使用里程计、霍尔式速度传感器、雷达和加速度计，这些传感器各有优缺点，如何合理的利用上述传感器的组合，实现对列车速度的安全测量和精确估计，是目前地铁列车控制器的一大难题，也是各个信号厂商的核心技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种列车测速装置和测速方法，结合里程计和加速度计，在各种情况下都能够保证列车测速的可靠性、准确性和安全性。

为了达到上述目的，本发明提供一种列车测速装置，包含：列车控制器、里程计和加速度计；

所述里程计采集齿数信息；

所述加速度计采集加速度值；

所述列车控制器判断列车状态，当列车处于正常行驶状态，列车控制器根据里程计采集的信息计算列车速度值，当列车处于打滑状态或者空转状态，列车控制器根据加速度计采集的信息计算列车速度值。

设置三个加速度计。

本发明还提供一种列车测速方法，通过里程计采集齿数信息，通过加速度计采集加速度值，列车控制器判断列车状态，当列车处于正常行驶状态，列车控制器根据里程计采集的信息计算列车速度值，当列车处于打滑状态或者空转状态，列车控制器根据加速度计采集的信息计算列车速度值。

列车控制器采用三取二的原理，分别计算安全的最大、最小速度和非安全的精确速度，选取最大和最小的加速度值。

列车控制器采用滤波器对根据里程计得到的加速度和根据加速度计得到的加速度分别进行滤波处理。

列车控制器判断打滑或空转状态的方法包含：

判断是否同时满足打滑状态的三个条件，若是，则列车处于打滑状态，若否，则继续判断是否同时满足空转状态的三个条件，若是，则列车处于空转状态，若否，则列车处于正常状态；

所述打滑状态的三个条件为：

max(a₁′(k),a₂′(k))＜SlidingStartAccel

max(a₁′(k),a₂′(k))-average(a₁′(k),a₁′(k-1),…,a₁′(k-N))＜SlidingAccelBias

TimeFromSlippingStart＞SlippingToSlidingLatency

其中，a₁′(k)是根据里程计得到的加速度，a₂′(k)是根据加速度计得到的加速度，k表示周期，max是取最大值运算，average是取平均值运算，SlidingStartAccel是可配置参数，表示打滑开始的加速度；SlidingAccelBias是可配置参数，表示判断打滑的加速度偏移量门限值；TimeFromSlippingStart表示从空转状态的开始时刻到现在的时间；SlippingToSlidingLatency是可配置参数，表示从空转开始到打滑的切换延迟；

所述空转状态的三个条件为：

min(a₁′(k),a₂′(k))＞SlippingStartAccel

min(a₁′(k),a₂′(k))-average(a₁′(k),a₁′(k-1),…,a₁′(k-N))＞SlippingAccelBias

TimeFromSlidingStart＞SlidingToSlippingLatency

其中，a₁′(k)是根据里程计得到的加速度，a₂′(k)是根据加速度计得到的加速度，k表示周期，min是取最小值运算，average是取平均值运算，SlippingStartAccel是可配置参数，表示空转开始的加速度；SlippingAccelBias是可配置参数，表示判断空转的加速度偏移量门限值；TimeFromSlidingStart表示从打滑状态的开始时刻到现在的时间；SlidingToSlippingLatency是可配置参数，表示从打滑开始到空转的切换延迟。

本发明采用里程计和加速度计组合，能够克服外界环境的干扰，在牵引、制动、惰性、打滑和空转的情况下，均能够安全准确地测量列车的速度，降低了硬件成本，提高了列车控制器的可靠性和安全性，保证了列车控制器的安全监控和高效驾驶。

附图说明

图1是本发明提供的一种列车测速方法的流程图。

图2是列车控制器根据里程计的输入计算列车速度的流程图。

图3是列车控制器根据加速度计的输入计算列车速度的流程图。

图4是列车控制器判断打滑空转状态的流程图。

图5是列车控制器计算列车速度补偿算法的流程图。

具体实施方式

安装在列车轮轴上的里程计是较为常见且可靠性也高的传感器，但在列车打滑或者空转的情况下，轮轴的转动并不能实际反映列车的移动。在列车打滑的情况下，车轮相对轨道除了转动，也存在滑行，这些滑行的列车速度，是没有办法通过里程计获知的，此时通过车轮转动测量的速度，小于实际的列车速度。同理，对于空转，通过车轮转动测量的速度，大于实际的列车速度。因此，在里程计有局限的场景下，需要引入另一种传感器，来测量列车的速度。

雷达传感器安装在车体下方，通过多普勒效应测量列车的速度，且具有速度快，量程大，抗光、电干扰能力强等优点。但是在低速，或者轨道面环境不理想(如下雪)的情况，测量的误差会比较大，雷达的成本也比较高。

加速度计依据单摆原理测量采样周期内的加速度，即认定采样周期内为匀加速度运动，采样率越高则精度越高。加速度计安装在列车的设备机柜内，不受外界环境干扰，可靠性较高，并且在打滑或空转情况下，也不受影响，因此本发明考虑将加速度计和里程计进行组合，设计一套速度补偿算法，实现对列车速度的安全测量和精确估计，为实现对地铁列车的安全监控和高效驾驶提供基础保障。

以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种列车测速方法，包含以下步骤：

步骤A、列车控制器采集里程计和加速度计的输入；

步骤B、列车控制器根据里程计的输入计算列车速度；

步骤C、列车控制器根据加速度计的输入计算列车速度；

步骤D、列车控制器利用加速度计补偿里程计，计算列车速度。

相应地，本发明还提供一种列车测速装置，包含：列车控制器、里程计和加速度计，所述里程计采集齿数信息，所述加速度计采集加速度值，所述列车控制器判断列车状态，当列车处于正常行驶状态，列车控制器根据里程计采集的信息计算列车速度值，当列车处于打滑状态或者空转状态，列车控制器根据加速度计采集的信息计算列车速度值。

在本发明的一个实施例中，结合里程计和加速度计的列车测速方法包含以下步骤：

步骤1、列车控制器计算里程计测速。

里程计的原理是将圆盘细分为等刻度的齿，安装在列车轮轴上，列车运动后，里程计通过检测车轮的转动，获得齿数信息。VOBC还需要校准里程计的齿距，包括安全的最大、最小齿距和非安全的精确齿距。

参考图2，列车上电后，列车控制器执行里程计校准，得到里程计的齿距信息。列车控制器采集里程计的输入，获得开始时刻的齿数信息和结束时刻的齿数信息，并同时记录开始时刻和结束时刻的时间值。列车控制器根据开始时刻的齿数和结束时刻的齿数，相减得到本次采集的里程计转动齿数，与此同时，列车控制器根据开始时刻和结束时刻的时间值，相减得到本次采集的时间差。列车控制器使用里程计的齿距信息和本次采集转动的齿数信息，相乘得到位移信息，再除以采集的时间差，得到速度信息。结合上周期的列车速度信息，可进一步计算得到加速度信息。

在整个计算的过程中，列车控制器始终考虑计算的安全侧。所谓的计算安全侧，是指计算的过程中，最大、最小的计算结果和最大、最小的计算输入之间的关联。以除法计算为例，被除数取最大值，除数取最小值，则计算结果取最大值。

步骤2、列车控制器计算加速度计测速。

参考图3，列车控制器采集加速度计的输入，获得开始时刻到结束时刻的加速度值，并同时记录开始时刻和结束时刻的时间值t₁和t₂。对于三路加速度计的采集输入，列车控制器采用三取二的原理，分别计算安全的最大、最小速度和非安全的精确速度，选取最大和最小的加速度值。在加速度计的采样周期内，假定列车是匀加速度运动，于是结合上周期计算得到的列车速度信息v₀，根据

列车控制器可以计算得到基于加速度计输入的速度信息，其中，v₀表示本次计算前的列车速度，a表示加速度计的输入，t₁和t₂表示对应加速度计采集的开始时刻和结束时刻。

另外，考虑到加速度计在安装时会存在误差，可以利用里程计的输入，判断列车在零速的情况下，认为此时加速度计的输入是安装引入的偏差，进而消除加速度计的稳态误差，提高测速的准确性。

步骤3、列车控制器判断打滑、空转状态。

对于列车的打滑状态和空转状态，可通过列车的瞬时加速度对比列车本身的牵引性能和制动性能进行判别。例如，通过里程计测量的列车加速度为-2m/s²，列车最大的制动减速度为-1.2m/s²，通过加速度计测量的列车加速度为-1m/s²，则可以初步判断列车处于打滑状态，可通过多个周期进一步确认。

参考图4，通过里程计输入s(k)计算得到的加速度a₁(k)：

其中，s是位移信息，t是时间差，k表示周期；

以及通过加速度计采样得到的加速度a₂(k)，考虑不确定性，分别采用Butterworth滤波器进行ButterWorth滤波处理：

x(k)＝a₁(k)

y(k)＝B₁′y(k-1)+B₂′y(k-2)+B₃′y(k-3)+B₄′y(k-4)+A₀′x(k)+A₁′x(k-1)+A₂′x(k-2)+A₃′x(k-3)

a₁′(k)＝y(k)

x(k)＝a₂(k)

y(k)＝B₁″y(k-1)+B₂″y(k-2)+B₃″y(k-3)+B₄″y(k-4)+A₀″x(k)+A₁″x(k-1)+A₂″x(k-2)+A₃″x(k-3)

a₂′(k)＝y(k)

其中，B₁，B₂，B₃，B₄，A₀，A₁，A₂，A₃是butterworht滤波器的结构参数；

滤波后得到可靠的列车加速度a₁′(k)和a₂′(k)，结合既有的列车制动、打滑性能参数，判断列车是否处于打滑状态：

max(a₁′(k),a₂′(k))＜SlidingStartAccel

max(a₁′(k),a₂′(k))-average(a₁′(k),a₁′(k-1),…,a₁′(k-N))＜SlidingAccelBias

TimeFromSlippingStart＞SlippingToSlidingLatency

其中，max是取最大值运算，average是取平均值运算，SlidingStartAccel是可配置参数，表示打滑开始的加速度；SlidingAccelBias是可配置参数，表示判断打滑的加速度偏移量门限值；TimeFromSlippingStart表示从空转状态的开始时刻到现在的时间；SlippingToSlidingLatency是可配置参数，表示从空转开始到打滑的切换延迟；

如果以上三个条件均满足，则设置为打滑状态；否则，结合既有的列车牵引、空转性能参数，判断列车是否处于空转状态：

min(a₁′(k),a₂′(k))＞SlippingStartAccel

min(a₁′(k),a₂′(k))-average(a₁′(k),a₁′(k-1),…,a₁′(k-N))＞SlippingAccelBias

TimeFromSlidingStart＞SlidingToSlippingLatency

其中，min是取最小值运算，average是取平均值运算，SlippingStartAccel是可配置参数，表示空转开始的加速度；SlippingAccelBias是可配置参数，表示判断空转的加速度偏移量门限值；TimeFromSlidingStart表示从打滑状态的开始时刻到现在的时间；SlidingToSlippingLatency是可配置参数，表示从打滑开始到空转的切换延迟；

如果以上三个条件均满足，则设置为空转状态；否则，设置为正常状态。

步骤4、列车控制器执行速度补偿算法。

参考图5，如果列车处于打滑状态或者空转状态，列车控制器使用基于加速度计输入的速度信息，否则列车控制器使用基于里程计输入的速度信息。

在绝大部分的情况下，列车不会处于打滑状态或者空转状态，如果因为运营环境的变化，比如下雪、下小雨，导致列车打滑或者空转，列车控制器在没有确定打滑或空转的状态前，仍然使用基于里程计的速度信息，在确定状态后，切换到使用基于加速度计的速度信息。这样可以避免一直过估列车速度，也进而避免了过度打滑导致列车失位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、能够实现对打滑、空转情况下的列车速度测量，包括安全的最大、最小速度，以及非安全的精确速度，提高了列车控制器的安全性和可用性，保证了列车控制器的安全监控和高效驾驶。

2、采用里程计和加速度计组合，降低了硬件成本，能够克服外界环境的干扰，并且能够使用里程计纠正加速度的稳态误差，在牵引、制动、惰性、打滑和空转的情况下，均能够有效测量列车速度，保证列车控制器的可靠性。

需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种列车测速方法，其特征在于，通过里程计采集齿数信息，通过加速度计采集加速度值，列车控制器判断列车状态，当列车处于正常行驶状态，列车控制器根据里程计采集的信息计算列车速度值，当列车处于打滑状态或者空转状态，列车控制器根据加速度计采集的信息计算列车速度值；

列车控制器判断打滑或空转状态的方法包含：

判断是否同时满足打滑状态的三个条件，若是，则列车处于打滑状态，若否，则继续判断是否同时满足空转状态的三个条件，若是，则列车处于空转状态，若否，则列车处于正常状态；

所述打滑状态的三个条件为：

max(a₁′(k),a₂′(k))＜SlidingStartAccel

max(a₁′(k),a₂′(k))-average(a₁′(k),a₁′(k-1),…,a₁′(k-N))＜SlidingAccelBias

TimeFromSlippingStart＞SlippingToSlidingLatency

其中，a₁′(k)是根据里程计得到的加速度，a₂′(k)是根据加速度计得到的加速度，k表示周期，max是取最大值运算，average是取平均值运算，SlidingStartAccel是可配置参数，表示打滑开始的加速度；SlidingAccelBias是可配置参数，表示判断打滑的加速度偏移量门限值；

TimeFromSlippingStart表示从空转状态的开始时刻到现在的时间；

SlippingToSlidingLatency是可配置参数，表示从空转开始到打滑的切换延迟；

所述空转状态的三个条件为：

min(a₁′(k),a₂′(k))＞SlippingStartAccel

min(a₁′(k),a₂′(k))-average(a₁′(k),a₁′(k-1),…,a₁′(k-N))＞SlippingAccelBias

TimeFromSlidingStart＞SlidingToSlippingLatency

其中，a₁′(k)是根据里程计得到的加速度，a₂′(k)是根据加速度计得到的加速度，k表示周期，min是取最小值运算，average是取平均值运算，SlippingStartAccel是可配置参数，表示空转开始的加速度；SlippingAccelBias是可配置参数，表示判断空转的加速度偏移量门限值；TimeFromSlidingStart表示从打滑状态的开始时刻到现在的时间；SlidingToSlippingLatency是可配置参数，表示从打滑开始到空转的切换延迟。

2.如权利要求1所述的列车测速方法，其特征在于，列车控制器采用三取二的原理，分别计算安全的最大、最小速度和非安全的精确速度，选取最大和最小的加速度值。

3.如权利要求1所述的列车测速方法，其特征在于，列车控制器采用滤波器对根据里程计得到的加速度和根据加速度计得到的加速度分别进行滤波处理。

4.一种实现如权利要求1-3中任意一项所述的列车测速方法的列车测速装置，其特征在于，包含：列车控制器、里程计和加速度计；

所述里程计采集齿数信息；

所述加速度计采集加速度值；

所述列车控制器判断列车状态，当列车处于正常行驶状态，列车控制器根据里程计采集的信息计算列车速度值，当列车处于打滑状态或者空转状态，列车控制器根据加速度计采集的信息计算列车速度值。

5.如权利要求4所述的列车测速装置，其特征在于，设置三个加速度计。

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