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70U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT双速度传感器冗余策略研究江 坤，杨迪飞（通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070）摘要：提出一种双速传列车冗余测速测距方法，并包含相对应的装置、电子设备及存储介质。首先获取速度传感器 1 以及速度传感器 2 在当前时刻的脉冲测量数据，确定累积脉冲误差；然后基于所述速度传感器 2 在当前时刻的脉冲测量数据、所述累积脉冲误差，以及瞬时脉冲误差，对所述速度传感器 1 在当前时刻的脉冲测量数据进行修正；最后通过双速度传感器互相修正的结果，确定列车在当前时刻的行驶距离和行驶速度。解决单个速度传感器产生故障时测量不准的问题，并且保证速度传感器从故障中恢复时距离输出值不发生跳变，提高列车速度测量和距离测量的准确性。关键词：冗余；测速测距；双速度传感器中图分类号：U284.48 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)07-0070-05Research on Redundancy Strategy of Dual Speed Sensors Jiang Kun,Yang Difei(CRSC Urban Rail Transit Technology Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)Abstract:This paper proposes a redundant speed-distance measurement method for dual-speed-sensors trains,and the corresponding devices,electronic equipment and storage media are included.This method fi rst obtains the pulse measurement data of odometer 1 and odometer 2 at the current moment to determine the cumulative pulse error;Then based on the pulse measurement data of odometer 2 at the current moment,the cumulative pulse error,and the instantaneous pulse error,the pulse measurement data of odometer 1 at the current moment is corrected;Finally,through the results of mutual correction of the two sensors,the distance and speed of the train at the current moment are determined.The method provided in this paper solves the problem of inaccurate measurement when a single speed sensor fails,and ensures that the distance output value of the speed sensor does not jump when it recovers from the fault,which improves the accuracy of train speed measurement and distance measurement.Keywords:redundancy;speed-distance measurement;dual-speed-sensorsDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.07.013收稿日期：2022-06-30；修回日期：2023-07-12基金项目：通号城市轨道交通技术有限公司科研项目（5100-K1220004）第一作者：江坤（1975），女，高级工程师，硕士，主要研究方向：铁路通信信号，邮箱：。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年7月，第20卷第7期71城轨交通URBAN RAIL TRANSIT1概述列车控制系统是城市轨道交通保障行车安全、提高运输效率和运营管理水平的重要设备，其中测速测距系统是其关键组成部分之一，主要功能是向列车控制系统提供准确的、具有时效性的速度和位移信息。测速测距系统在保证列车行车安全并提高列车运行效率上起着至关重要的作用。脉冲轮轴速度传感器技术的发展已经比较成熟，便于在实际应用中实现，具有获取速度和距离信息的精度高、数字化并且造价低的优点，近年来得到广泛应用。但是由于脉冲轮轴速度传感器安装在列车车轮上，因此当车轮发生空转或者打滑时，单独靠单一的脉冲轮轴速度传感器很容易发生测速测距误差；而若再安装一个雷达传感器，尽管雷达传感器不存在空转或者打滑的问题，但是将会大大提高测速测距装置的成本；或者选择两个传感器即一个主传感器和一个辅传感器，当主传感器正常工作时选择主传感器，主传感器异常时选择辅传感器的测量值作为输出，这种方法会因为传感器之间存在测距累计误差，主传感器在正常工作到空转打滑切换时，产生距离跳变或回缩，影响输出距离的准确性。2设计与实现本文设计一种双速传列车冗余测速测距方法，系统由双测速测距设备组成，置于列车首尾可以相互通信，并且列车首尾两端速度传感器测量信息通过所述通信装置在两个测速测距系统间共享。当车辆正常行驶时，速度传感器 以及速度传感器 记录当前时刻的脉冲测量数据的差值，确定当前累积的脉冲误差，作为“正常状态时误差参考值”，并进行记录。此时输出的最终路程值为速度传感器 以及速度传感器 所测距离的加权平均值，速度值为速度传感器 以及速度传感器 中速度较大的一个。当某一速度传感器发生空转打滑时，通过正常状态时误差参考值对未空转的测速单元进行补偿，以保证距离的输出值不发生跳变，并再次记录当前产生的误差值，作为“空转打滑状态时误差参考值”。此时输出的最终路程值为正常速度传感器的输出值的补偿值，速度值为正常速度传感器的输出值，由于距离的输出值使用“正常状态时误差参考值”对速度传感器进行补偿，因此距离值相比于空转打滑前依然不发生跳变。当发生空转打滑的速度传感器从异常状态回到正常状态时，再使用“空转打滑状态时误差参考值”以及“正常状态时误差参考值”对该速度传感器进行补偿，此时输出的最终路程值为速度传感器 以及速度传感器 所测距离的加权平均值，速度值为速度传感器 以及速度传感器 中速度较大的一个。本文的方法可以用列车在当前时刻的行驶距离和行驶速度解决单个速度传感器产生故障时测量不准的问题，并且速度传感器从故障中恢复时距离输出值不发生跳变，提高了列车速度测量和距离测量的准确性。2.1单传感器距离、速度有效性自检双速传系统的本质是两个速度传感器独立工作又相互协调的有机整体，因此做好单个速度传感器的信号处理是双速传系统的基础。单传感器对采集的信号三相脉冲进行处理。第一传感器和第二传感器都需要各自计算其三项距离脉冲信号和速度信号的平均值，并得到最大的距离差值和速度差值。若任一距离差值或速度差值大于最大阈值，则置位故障状态；若距离差值和速度差值最大值均低于阈值，则认为数据有效，并将轮轴速度、距离信息进行保存。2.2单传感器空转打滑检测根据单传感器距离、速度有效性自检，得到正确的距离、速度信息后，传感器可以独立判定自身是否发生空转打滑。通过判定单位时间速度的变化，计算得到当前传感器的加速度（减速度）值，当加速度值超过阈值，则判定车辆空转；当减速度值大于阈值，则判定车辆打滑。2.3双传感器空转打滑的补偿方法明确单个传感器的空转打滑判定原理后，进一步讨论对于冗余设置的双速度传感器的补偿机理。No.7江坤，杨迪飞：双速度传感器冗余策略研究72U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT对于双速度传感器来说，其工作状态包括两个速度传感器均正常工作、两个速度传感器均发生故障，以及其中一个速度传感器发生故障而另一个速度传感器正常工作。一般情况下，两个单元均正常工作，此时，输出的距离为两个传感器距离的平均值，输出的速度为两个传感器速度较大者。当两个速度传感器均发生故障时，此时应该对列车进行紧急制动。这两种工作方式均不存在空转打滑补偿的情况，因此本文主要讨论一个速度传感器发生故障而另一个速度传感器正常工作时双传感器的补偿方法。为了便于描述，本文实例中采用速度传感器 和速度传感器 进行描述，并假设速度传感器 发生故障，速度传感器 正常工作。由于正常行驶时实际输出距离为速度传感器 与速度传感器 的平均值，若下一时刻速度传感器 发生空转或打滑，直接由平均值切换到速度传感器 时，输出距离存在跳变。为了避免此时产生的跳变，在两个传感器均正常工作时，记录速度传感器 减去速度传感器 的距离差值，这里记为“正常差值”，设第 i 个时刻速度传感器 正常，其脉冲测量数据为 Ai，速度传感器 同样正常的脉冲测量数据为 Bi，则此时“正常差值”可以记为 C Ai Bi。当下一时刻第二测速单元发生空转打滑后，基于速度传感器 在当前时刻的脉冲测量数据，以及速度传感器 在当前时刻的脉冲测量数据，确定“累积差值”，设第 i 个时刻速度传感器 正常，其脉冲测量数据为 Ai ，速度传感器 发生空转打滑的脉冲测量数据为 Bi ，则此时“累积差值”可以设D Ai 1 Bi 。在车辆空转或者打滑的第一时刻，使用“正常差值”C 对速度传感器 在当前时刻的脉冲测量数据进行修正。A*Ai C/（）当速度传感器 在当前时刻的脉冲测量数据得到修正后，可以认为该脉冲测量数据是可靠的。此时，可以根据修正后的速度传感器 在当前时刻的脉冲测量数据，确定列车在当前时刻的行驶距离和行驶速度。当速度传感器 测量连续 个周期减速度或减速度小于阈值，则认为速度传感器 从发生的预设故障中恢复。此时利用实时累计的“累计误差”D、“正常差值”C，以及第一传感器测距值 A、第二传感器测距值 B，得到恢复正常时第二传感器的补偿后实际距离：B*Bi D C/（）3仿真验证为了验证所设计的双速传补偿方式的仿真效果，设计如下 种工况对所设计方法进行验证。）列车以.m/s加速 s，然后匀速行驶 s，最后以-m/s减速到停车，如图、所示。图工况速度变化示意Fig.1 Schematic diagram of speed change in working condition 1输出速度速度/(cm/s)时间/ms图例：传感器速度传感器速度从图 1、2 中可以看到，最终输出速度和传感器输入速度有微小差别，这是因为原始速度通过采集单位时间脉冲信号获取，再将单位时间脉冲信号在代码中通过脉冲信号和速度的映射关系转化为速度，该过程有数据的取整失真以及速度滤波，导致了些许偏差，对数据分析无影响。从图中可以看出，当车辆正常加速、匀速以及减速行驶时，算法可以正常反应车辆的行驶情况。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年7月73城轨交通URBAN RAIL TRANSIT图工况距离变化示意Fig.2 Schematic diagram of distance change in working condition 1车辆行驶距离/cm时间/ms输出距离图例：传感器测距值传感器测距值）列车以.m/s加速 s，传感器 加速阶段发生空转速度突升，然后回归正常，接着匀速行驶 s，最后-m/s减速到，如图、所示。图工况速度示意Fig.3 Speed diagram of working condition 2速度/(cm/s)时间/ms传感器空转传感器打滑输出速度图例：传感器速度传感器速度从图 3 中可以看出，当车辆传感器 发生空转时，车辆最终输出的速度和距离按照正常的传感器 的数据进行输出，并且距离输出值未发生跳变。）列车以.m/s加速 s，传感器 加速阶段发生空转速度突升，然后回归正常，接着匀速行驶 s，最后以-m/s减速到，如图、所示。从图 5 中可以看出，当车辆传感器 发生空转时，车辆最终输出的速度和距离按照正常的传感器 的数据进行输出，并且距离输出值未发生跳变。图工况距离示意Fig.4 Distance diagram of working condition 2车辆行驶距离/cm时间/ms输出距离图例：传感器测距值传感器测距值图工况速度示意Fig.5 Speed diagram of working condition 3sensor slide速度/(cm/s)时间/ms传感器空转输出速度图例：传感器速度传感器速度综上实验结果，双速度传感器冗余的补偿方法可以有效减小某一个速度传感器发生空转打滑时对整体系统造成的影响，提高系统的安全性和可用性。4结论对于双速度传感器系统，本文将采集的速度传感器 和速度传感器 的速度、距离数据进行整合。首先分别计算各自的运行状态，然后与另一个传感器的运动状态进行比较，分析两个传感器的数据是否处于正常区间，舍弃错误数据并保留故障前的正确数据，最后通过得到的正确数据计算实际输No.7江坤，杨迪飞：双速度传感器冗余策略研究74U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT出速度和输出距离，避免了一个传感器发生故障但另一个传感器正常工作时，输出的车辆距离发生跳变的问题，并通过仿真验证了程序的实用性。仿真结果表明，对于双速度传感器系统至多有一个传感器发生故障的情况，本文方法可以有效地保证车辆的速度、距离信息正确可靠，具有一定的实际意义。参考文献1 张彬.一种双速度传感器结合实现测速及定向的方法和实现 J.电子世界，2021（16）：134-136.Zhang Bin.Method and Implementation of Speed 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