列車測速測距設備故障檢測系統研究

龍廣錢，李 博，陳啟新

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081;3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081)

0 引言

列車車載測速測距設備主要包括輪軸速度傳感器、測速雷達和測速測距處理單元，是列車運行控制系統的重要組成部分，主要用于實現車載ATP(automatic train protection, 列車自動防護)和ATO(automatic train operation, 列車自動駕駛)系統在列車運行過程中的速度測量、距離測量及列車精確定位等功能，其服役性能狀態直接關系到行車安全和運營效率。

在故障診斷和服役狀態檢測方法方面，目前的運維方案對于測速測距設備的故障診斷方法比較單一，主要依靠回看ATS(automatic train supervision，列車自動監控系統)故障列表和分析行車日志兩種方法，但是ATS中記錄的信息十分有限，同時分析日志的診斷方法效率低下，對于運維人員的現場運維經驗要求也較高[1]。

在設備故障種類方面，測速測距設備故障多為偶發瞬間故障，且對于多傳感器的車載列控系統而言，當測速測距系統故障時難以快速定位具體故障傳感器[2]；在目前車載信號設備的運維策略中，子系統級別的故障定位雖可以實現，但對于部件級別的故障定位主要通過人工對故障子系統所有組成部件進行遍歷更換[3]；此外，驗證故障和復現故障的方法往往需要列車在試車線或正線進行動態測試之后才能對故障進行準確驗證和復現[4]。因此，能夠實現測速測距設備離線檢測并對設備故障進行診斷的系統對于現場運維工作有重大意義。

在此基礎上，本文所提出的系統能夠實現對列車速度傳感器和測速測距處理單元的離線檢測。系統的主要檢測邏輯為：根據運維人員需求利用軟件預設的速度曲線或人工輸入的速度序列對待測件進行測量，通過系統軟件的分析邏輯和預警策略對各項測試數據進行分析和故障模式辨別，以此實現對速度傳感器和測速測距處理單元服役性能參數的閉環檢測。

1 列車測速測距設備概述

列車的測速測距傳感器主要包括輪軸速度傳感器(OPG,odometer pulse generator)和測速雷達，輪軸速度傳感器安裝于列車非動力輪上，車輪轉動的過程中速度傳感器的多個通道會輸出脈沖信號；測速測距處理單元通過計算脈沖頻率以及個數得出車輪轉速狀態，結合輪徑值計算出列車走行速度和距離。當旋轉方向不同時，不同通道輸出信號的相位差不同，通過測量OPG脈沖信號的相位差可以判斷OPG的旋轉方向，即列車的走行方向[5]。主流的車載列控系統測速測距設備構成如圖1所示。

圖1 測速測距設備架構圖

2 系統架構

2.1 硬件架構

系統的硬件架構主要分為轉速發生裝置、速度傳感器、測速測距處理單元、上位機控制軟件、工作電流采集單元和打印機。各部分在上位機軟件的協調和控制下，完成設備的通信和邏輯執行功能。

1)轉速發生裝置主要用于接收上位機的控制命令，驅動電機帶動速度傳感器轉動，同時將電機實際轉速及里程信息送交上位機。具體部件包括：①RS485串口，為數據的輸入輸出接口；②集成電路板，用于控制電機轉速；③直流電機，用于模擬列車走行過程，帶動速度傳感器舌軸轉動。

2)速度傳感器在電機的驅動下轉動，將與轉速成比例的脈沖信號傳輸給測速測距處理單元。

3)測速測距處理單元主要完成對傳感器各通道信號的處理，并輸出傳感器轉動方向、速度和脈沖信息。其主要部件包括：①主控單元，用于對脈沖、速度、方向等信息的處理；②RS485接口，用于接收來自上位機的配置信息以及輸出速度傳感器原始信息處理結果。

4)上位機控制軟件(終端)作為人機界面，其主要工作是完成測試參數的輸入及測試進程和測試結果的呈現。主要硬件包括：① 搭載Windows系統的電腦主機，為軟件提供運行及輸入輸出環境；② RS485串口擴展卡，用于與轉速發生裝置和測速測距處理單元通信。

5)工作電流采集單元可對速度傳感器所有通道的電源工作電流進行采集，并將電流信息送交上位機軟件進行分析。

6)打印機用于檢測完成后打印測試報告。系統硬件架構如圖2所示。

圖2 系統硬件架構圖

2.2 軟件架構

系統軟件主要分為上位機和測速測距處理單元程序兩部分。上位機以Visiual Studio為軟件開發平臺，利用C#為編程語言。上位機架構主要包括人機接口、預警策略、通信接口和日志記錄等模塊。開始測試前，測試人員需對測試模式、測試工況、速度序列、目標速度、測試模式、輪徑值等參數進行設置；開始測試后，軟件對速度、脈沖、工作電流等信息在界面上顯示，并將各項測試信息記錄在CSV格式的文件中，如有異常信息會在狀態通知欄進行提示預警；測試完成后，軟件自動生成測試報告。測速測距處理單元程序主要完成的工作分為以下幾個部分：1)對傳感器脈沖信號的采集；2)對傳感器輸出脈沖個數的檢測；3)由脈沖個數及輪徑值計算速度信息。系統的軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件架構原理圖

上位機軟件為用戶提供了豐富的接口。根據現場運維人員建議，預設了3個測試模式，分別為自動測試模式、手動測試模式和工況測試模式，用戶可以進行直接選擇。用戶可以進行手動操作，拖動虛擬列車控制手柄可以實現傳感器從0%～100%的五級牽引或制動。軟件可對目標速度曲線和速度傳感器的所有通道速度曲線進行顯示。同時上位機會對各項測試數據進行記錄，并在測試完成后生成檢測報告。軟件界面如圖4所示。軟件工作流程如圖5所示。

圖4 上位機軟件界面

圖5 軟件工作流程圖

3 系統檢測原理

3.1 速度模擬原理

轉速發生裝置是系統的主要部件，主要用于完成速度傳感器轉速模擬的功能，以此對列車的走行過程進行仿真。轉速發生裝置主要由控制單元、轉速電機和顯示屏組成。上位機軟件通過RS485串口實現對轉速發生裝置控制單元的控制及信息傳輸。在開始檢測后，上位機首先將速度控制命令下達給轉速發生裝置的控制單元，控制單元控制電機驅動速度傳感器轉動，并將方向、轉速和里程等信息反饋給控制單元，控制單元利用反饋信息和上位機的控制命令完成對電機轉速的閉環控制?？刂茊卧矊⑥D速發生裝置的方向、轉速、里程信息上傳給上位機，供上位機完成速度信息的比較和分析等操作。同時，方向、轉速、里程等信息也會由控制單元傳輸給顯示屏進行顯示，便于試人員實時掌握轉速發生裝置的工作狀態。

3.2 速度采集原理

速度傳感器中的LED所產生的光源經過碼盤上的光柵照射到光敏元件上可以產生脈沖方波[6]。脈沖的頻率反映當前速度傳感器的轉速，不同的轉向所產生的脈沖信號之間的相位差不同，通過相位差可以判斷傳感器的轉動方向[7]。

脈沖信號頻率與轉速的關系為：

fplus=ω×N

其中:fplus為脈沖信號頻率，ω為車輪轉速，N為每轉脈沖數。

列車速度v計算公式如下[8]：

其中:Nplus為車輪每轉一周所產生的脈沖數，Dwheel為車輪直徑。

轉速發生裝置中的電機轉動的同時也帶動被測傳感器按照目標速度曲線轉動。被測傳感器將脈沖模擬信號輸出給脈沖采集模塊。由脈沖采集單元將其轉化為數字信號，通過速度計算單元即可得出脈沖個數及傳感器速度。

3.3 速度曲線生成原理

速度曲線的生成邏輯主要分為軟件測試和人為設置兩種。軟件測試邏輯是測試人員按照上位機設定的測試邏輯生成目標速度曲線參數，人為設置則是按照測試需求人為輸出目標速度曲線的速度時間序列；下位機在接收到速度曲線參數或序列后會生成電機控制邏輯來控制電機轉動，同時測速測距處理單元會采集傳感器的實際轉速，以此生成目標速度曲線和實際速度曲線。

4 故障檢測

4.1 故障檢測邏輯

1)傳感器故障檢測邏輯:

此檢測邏輯中，上位機通過RS485串口與標準測速測距處理單元和轉速發生裝置連接。上位機通過計算兩種運動信息的差值并結合報警策略來判斷被測傳感器的性能狀態。如果發現有超出判斷閾值的結果，上位機將輸出報警信息告知測試人員。

2)測速測距處理單元故障檢測邏輯:

此檢測邏輯中，上位機與待測測速測距處理單元、標準傳感器硬件連接方式與“傳感器故障檢測邏輯”中表述的連接方式相同。上位機通過計算兩種運動信息的差值并結合報警策略來判斷待測測速測距處理單元的性能狀態，在性能下降時進行預警。同時測速測距處理單元卡也會對列車的不同工況做出不同反應，參照“人工可編程檢測邏輯”可以對測速測距處理單元卡的處理邏輯進行檢測。 傳感器與測速測距處理單元檢測模式架構如圖6所示。

圖6 傳感器與測速測距處理單元檢測模式架構圖

3)人工可編程檢測邏輯:

上位機給測試人員預留了測試策略輸入口，可以根據測試需求對測試的時長、最大速度、最大加速度、惰行時間進行設置。利用故障注入原理，測試人員可以輸入目標速度時間序列，系統按照序列中的速度進行測試，這種測試邏輯的優點在于離線復現故障工況，同時可編輯引起測速測距處理單元報警速度序列，例如注入速度突變很大的速度時間序列，測速測距處理單元理應輸出打滑信息，可以據此對測速測距處理單元的處理邏輯進行檢測。典型的列車打滑工況速度曲線如圖7所示。

圖7 典型列車打滑工況速度曲線示意圖

4)典型工況檢測邏輯:

行車數據中包含全部的行車信息，從中可提取出典型工況速度曲線，通過典型工況速度曲線系統可以對正線行駛的典型工況進行仿真，以此檢測在典型工況下速度傳感器的和測速測距處理單元的狀態特征。這種檢測方法的優點在于不用列車上線測試，利用離線仿真的形式即可對測速測距設備進行測試。此種檢測邏輯使得檢測過程更加符合實際工況，貼合設備真實運營場景。典型運行場景工況速度曲線如圖8所示。

圖8 典型運行場景工況速度曲線示意圖

5)傳感器電源檢測邏輯:

系統可以對速度傳感器所有通道的電源工作電流進行采集。在傳感器電源工作異常時進行預警，同時在傳感器工作異常時，也可根據工作電流信息確認故障是否由傳感器電源模塊故障導致。

系統故障檢測邏輯表達式如下：

1)轉速閾值檢測主要分為目標速度差檢測與速度傳感器各通道間速度差檢測；

目標速度差檢測：Vtarget-chn=|Vtarget-Vchn|

其中:Vwaring為預警閾值，Vfault為故障閾值；

通道間速度差檢測：Vchx-chy=|vchx-vchy|

2)脈沖閾值檢測為速度傳感器各通道間脈沖差檢測；

通道間脈沖差檢測：Nchx-chy=|nchx-nchy|

其中:Nwaring為預警閾值，Nfault為故障閾值；

3)工作電流檢測為速度傳感器各通道間電流差檢測；

其中：Ichx為速度傳感器通道x的工作電流，Iwaring為預警閾值，Ifault為故障閾值；

4.2 故障檢測實例

故障檢測實例以某地鐵線路列控車載系統所采用的速度傳感器及測速測距處理單元為診斷部件。該速度傳感器共有4個輸出通道，為光電式速度脈沖傳感器。

通過對現場故障傳感器的分析得出，傳感器故障主要分為以下幾種：偶發丟失脈沖、傳感器虛接和通道故障等。偶發丟失脈沖是傳感器的脈沖采集模塊偶發故障導致的速度傳感器單個或多個通道的脈沖值丟失。常表現為單個或多個通道的速度有偶發偏差，累計時間內脈沖值偏差較大。傳感器虛接是列車在走行過程中的震動使傳感器通道線路虛接或通道觸點接觸不良，故障現象通常反映為單個或多個通道的脈沖值在一段時間內保持不變，傳感器單個或多個通道的突然失速；虛接情況下該通道的加速度也會有較大幅度的波動。通道故障是測速傳感器單個或多個通道無信號輸出，故障通常表現為故障通道的速度和脈沖變化值均為零。

利用示波器對速度傳感器的輸出信號進行檢測，可以看出傳感器的4個通道所輸出都是峰峰值為24 V的方波信號，信號的頻率隨著傳感器轉速的增大而增加，信號的占空比為50%，且不同通道的信號間相位差為。

對于通道故障傳感器4個通道的電源工作電流進行檢測，得出的結果如表1所示。由表中信息可以得出，正常的通道工作電流在0.03 A左右，而故障通道的電流0.005 A，因此可以根據電流信息診斷傳感器的通道故障。

表1 傳感器檢測電信號信息

對于脈沖丟失故障可根據軟件中脈沖預警閾值對丟失脈沖的情況進行報警。通過4個通道之間的相互比較，當通道發生脈沖丟失時系統會進行預警。脈沖丟失故障波形圖如圖9所示，圖中所示通道1為丟失脈沖的通道。

圖9 偶發脈沖丟失波形圖

對于傳感器虛接故障可以根據速度曲線對故障進行診斷，如圖10所示。圖中通道2、3和4都發生了虛接的情況。虛接通道的表現為速度信號時斷時續，速度曲線無規律地上下大幅波動，且該通道的加速度會有較大幅度的波動。從傳感器的輸出波形來看，虛接通道的波形表現為波形丟失，如圖11所示。系統為傳感器虛接檢測提供了可編輯的預警策略，在通道速度波動達到預警的閾值時進行預警。

圖10 傳感器虛接故障軟件測試結果

圖11 傳感器虛接波形圖

綜上，通過通道速度差的判斷、合法性檢查、脈沖值差閾值檢查和通道工作電源檢查可以在很短時間內診斷出速度傳感器的具體故障，并給出診斷結果，提高故障查找效率。同時，系統還能在不同模式下檢測速度傳感器的性能表現，對被測傳感器進行故障預警和性能評估，并給出分析報告，為運維人員提供維修作業的數據支撐。系統測試報告如圖12所示。

圖12 系統測試報告

5 結束語

本文主要針對既有信號維護中速度傳感器故障定位困難的弊端，提出一種對速度傳感器進行離線檢測的系統方案。該系統利用閉環檢測方法可以對速度傳感器和測速測距處理單元的測速測距精度進行檢測，利用人工目標速度序列輸入進行故障注入測試，節省了運維時間，對工況進行

了準確的復現，體現了離線檢測對于設備故障檢測的優越性，為列車測速測距設備的故障檢測提供參考和借鑒。

本文通過離線設備對列車速度傳感器及測速測距處理單元進行檢測，但這與設備離線檢測與故障診斷問題的完美解決尚有一定差距，存在進一步改進的空間。在檢測方面可以引入多傳感器信息融合技術對速度傳感器的輸出信號波形及震動狀態進行采集[9]，通過時頻域與小波分析進行故障診斷。在故障診斷方法上也可利用神經網絡、隨機森林、支持向量機等機器學習算法對故障進行分類[10]。

綜上，對于列車測速測距設備故障診斷和維修策略優化這方面的研究，應遵循理論研究、模型驗證、實際應用等步驟。并在這一過程中不斷引入新的方法和手段，從而逐步降低運維人員勞動強度，提高運維效率。