城市軌道交通車載綜合里程同步系統高精度里程賦值的關鍵技術*

李 洋 俞璞涵 麻全周

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;2.天津智能軌道交通研究院有限公司, 301700, 天津∥第一作者, 副研究員)

近年來,我國城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)運營里程不斷增加,針對基礎設施綜合、高效的檢測需求愈加迫切[1]。基礎設施的技術指標反映列車行車安全與平穩能力,高精度的指標判別能力已成為相關技術服務、智能運維、裝備制造行業的一致性追求。

在高速鐵路領域,已經形成包括小型檢測系統、固定監測系統、車載綜合系統在內的基礎設施綜合檢測技術體系,其中車載綜合系統是實現高速鐵路基礎設施動態檢測的有效手段[2-5]。

與高速鐵路不同,城軌檢測列車運行速度較低,可將檢測與巡檢系統集成一體。由中國鐵道科學研究院集團有限公司牽頭研制的城軌綜合檢測車搭載了車輛、土建、線路、供電、通號等多專業檢測與巡檢系統。但隨著檢測裝備的智能化、綠色化升級以及檢測技術的突破進步,當前綜合檢測車的里程定位能力難以滿足多類檢測系統的數據分析以及系統間數據耦合分析的需要。為提升北京地鐵19號線新型綜合檢測車的數據分析能力,研究了車載動態檢測數據高精度里程賦值方法,設計了車載綜合里程同步系統,為各系統檢測數據提供了統一、精確的里程信息。

1 車載綜合里程同步系統設計

1.1 系統架構

城軌綜合檢測車通過搭載綜合里程同步系統實現高精度里程賦值。車載綜合里程同步系統由軌枕計數模塊、時空同步模塊和車載綜合管控系統內部的數據處理模塊組成。車載綜合里程同步系統整體架構如圖1所示。其中:軌枕計數模塊采集軌枕編號信息,并發送至時空同步模塊;時空同步模塊接收車下軸端編碼器信息、電子標簽閱讀器信息和軌枕編號信息,結合軌枕臺賬和偏移校準算法自動計算當前里程,并將里程信息和由NTP(網絡時間協議)對時獲取的時間信息一并發送至車載綜合管控系統中的數據處理模塊;數據處理模塊具有預處理功能,將接收到的檢測任務數據與當前時間里程進行結合與校準。此外,編碼器在當前城軌綜合檢測車上為輪軌力、軌道幾何等系統提供脈沖觸發信號,控制采集裝置的啟動,因此同步將脈沖信號差分至各檢測專業。

圖1 車載綜合里程同步系統整體架構圖

1.2 系統工作流程

車載綜合里程同步系統的整體工作流程如圖2所示。在系統剛啟動時,數據處理模塊檢測并發送統一對時指令,全列綜合檢測車檢測系統自動校準系統時間為當前北京時間,校準后在單次采集中保持超低時間誤差。當時空同步模塊掃描到始發站電子標簽或數據處理模塊的里程值達到預設里程時,車輛開始采集數據。時空同步模塊將軌枕計數模塊的軌枕編號等信息換算為里程值,結合從編碼器、電子標簽閱讀器等設備獲取的多類里程信息進行校準,得到精確里程、時間等信息。同時,數據處理模塊接收檢測系統的檢測數據、時間、原有里程等信息,利用線性差分將精確里程覆蓋原有里程,實時獲得數據與精確里程的映射關系,達到里程賦值的效果。數據處理模塊對標記后的里程進行統一存儲管理,以支撐后續的數據關聯分析。

圖2 車載綜合里程同步系統工作流程圖

2 車載綜合里程同步系統的關鍵技術

2.1 多源里程定位技術

2.1.1 基于編碼器的定位技術

編碼器的本質為速度傳感器,當其做定位信號源時,可將角位移換算為電信號進行脈沖計數[6]。城軌領域通常使用結構簡單、體積小、每秒脈沖數高的增量式編碼器,該類編碼器安裝在綜合檢測車的車輪軸端位置,其換算里程的原理為將編碼器提供的脈沖信號換算為車輪轉角和轉數,結合車輪輪徑計算出車輪累積轉動的距離,進而實現列車定位。但由于增量式編碼器僅在啟動時單次尋零,且車輪在轉動時會出現不同程度的磨損導致輪徑值發生變化,編碼器里程在每轉中均存在極小的記錄偏差且會持續累積;同時在列車運行過程中,車輪可能出現空轉或滑行等情況[7]。上述情況將導致脈沖數換算里程的方法出現偏差,且該偏差隨列車運行里程的增加而增加,因此僅采用基于速度編碼器的定位方法在較長段線路上進行采集作業時定位精度較低。

2.1.2 地面標簽識別技術

地面標簽識別技術基于非接觸式射頻識別,通過射頻信號自動讀取目標對象的唯一編碼,并解析相關數據實現通信。整個過程無須人工干預,且可工作于惡劣環境[8]。車載綜合里程同步系統通過連通車下安裝的閱讀器天線,對包含絕對里程信息的地面電子標簽信息進行讀寫,以達到定位目的。

閱讀器天線在列車行駛中掃描到定位點標簽時,得到絕對里程信息并在數據處理模塊進行處理。然而,電子標簽能否布置及其布置數量需符合城軌線路運營公司要求,通常其布置的密度很低。此外,標簽信息讀取的靈敏度容易受特殊天氣與環境影響。因此,里程精確定位的實現需將地面標簽識別技術與其他方法結合使用。

2.1.3 點式應答器定位技術

點式應答器定位技術通常用于高速鐵路,在城軌列車上使用情況偏少。應用該技術時需要在車上安裝應答器感應天線,實時讀取點式應答器數據并聯合數據庫導出里程值。但該技術在城軌線路聯調聯試階段無法使用[9]。

應答器將按照一定間隔安裝于軌道之間,當列車通過應答器上方時,通過應答器接收天線完成對應答器內信息的讀取,通過相關里程信息完成對列車的定位?；邳c式應答器的定位方法具有在應答器附近定位精度高、自動區分車輛上下行、使用壽命長等優點,但定位頻率低,安裝和維護成本高,使用限制條件較多。

2.1.4 車輛信號系統定位轉接技術

城軌車輛本身是具有多類承載定位信息的系統,如TCMS(列車控制和管理系統)、ATC(列車自動控制)系統等。以TCMS為例,該系統記錄車輛設備狀態和故障數據,并在綜合檢測車司機室的屏幕上顯示,輔助司機實時掌握車輛運行狀況[10],同時感應列車自身速度并將其實時轉換為里程信息。現有城軌綜合檢測車選用TCMS控制和管理列車運行。在不影響列控系統網絡工作的情況下,可由TCMS分發一路帶有里程數據的信息至車載綜合里程同步系統所在的交換網絡,由里程同步系統抓取TCMS報文并提取里程信息實現定位感知。TCMS可提供實時、連續且無累計誤差的里程信息,但整體精度較低,只能作為備用定位方式。

2.1.5 軌枕識別技術

軌枕計數模塊通過距離傳感器獲取開始檢測后的軌道部件狀態信息,如軌枕、扣件、道床、排水溝等。綜合檢測車行駛過程中,軌枕計數模塊每檢測到1根軌枕的扣件,即向時空同步模塊發送1個“1”信號,且信號將連續、穩定發送直到檢測任務停止。

時空同步模塊接收軌枕計數模塊的信號并自動轉換為軌枕編號,以確定列車自有效檢測開啟后經過的軌枕數量,結合線路軌枕臺賬信息、軌枕數量及其相應里程的映射關系和校準偏移值,計算出列車距地面觸發電子標簽后的超高精度里程,如圖3所示。

圖3 軌枕里程計算原理框圖

城軌綜合檢測車軌枕計數模塊傳感器采樣頻率約為32 kHz,縱軸方向分辨率達到0.001 5 mm。圖4為列車運行速度為120 km/h時我國5類常用型號扣件高度隨里程變化曲線。由圖4可見:該模塊能夠明顯區分數據點采集時是否對應軌枕扣件,并同時可將采集數據換算成高度曲線;WJ2型和WJ5型扣件的高度曲線在低谷處波動較大,究其原因是這兩種型號的軌道扣件為有砟軌道扣件。

a) WJ2型扣件

相較電子標簽、應答器等的定位方法,基于軌枕識別技術的定位方法具有信號密度高的優勢。相較編碼器的定位方法,后者不產生累積里程誤差,保證里程偏差始終不超過相鄰兩根軌枕的間距。

2.2 里程信號優先級

鑒于車載綜合里程同步系統需要整合統一的里程信息,通過對不同定位信號源進行優先級排列,確定主信號源,并利用次信號源對主信號源進行校準。

按照城軌綜合檢測車長距離行車下的定位精度排序,從高到低依次是點式應答器定位信息和電子標簽信息(并列)、軌枕識別得到的里程信息、編碼器計算得到的里程信息、TCMS等車輛信號系統提供的里程信息。各類定位方式的優先級分析如下:

1) 點式應答器和電子標簽定位方式提供的里程信息代表絕對位置,精度極高,但密度很低,用于在特定位置校準其他定位信號。

2) 軌枕識別方法提供的里程數據精度和密度均很高,可作為綜合檢測車里程賦值的主要方式。

3) 編碼器提供的里程數據精度略低于軌枕識別方法,但密度極高且含有速度信息,可作為綜合檢測車里程標記賦值的輔助方法。

4) 車輛信號系統提供的里程數據精度一般,密度較高,相比其他定位方式無明顯優勢。

因此,車載綜合里程同步系統的里程校準算法應圍繞軌枕識別得到的里程展開修正,在點式應答器或電子標簽位置利用絕對位置信息進行里程校準,同時在兩根軌枕之間的位置利用編碼器的極高密度和速度信息進行校準。

2.3 里程修正和校準算法

軌枕計數信號作為主要里程信號源,直接影響綜合檢測車的數據同步精度?？蓮淖R別誤差補償、細化相鄰軌枕間距等方向提升該定位技術的準確性。

2.3.1 結合軌枕臺賬修正里程

軌枕臺賬包含軌枕根數與線路里程的關聯信息。為減少軌枕扣件丟失、漏檢造成的誤差,提出如下修正思路:

1) 我國城軌常用混凝土枕的配置標準為1 667根/km,相鄰軌枕間距約為0.6 m。設定軌枕間距范圍為0.5～0.7 m,若超過1.0 m未檢測出軌枕扣件的,默認中間扣件丟失或漏檢,應實現自動插入1根軌枕的功能。

2) 將不足0.35 m的間隔視為檢測誤差,應實現自動減去1根軌枕的功能。

3) 兩站之間的軌枕采集數量與軌枕臺賬具有偏差的,應實現在站點處自動同步里程的功能。

2.3.2 結合斷鏈臺賬修正里程

斷鏈臺賬可關聯城軌線路圖紙上具有的所有長短鏈及其里程信息,不連續的里程表示可能在軌枕數量換算里程時引起誤差。車載綜合里程同步系統在里程換算時將里程全部轉換為浮點數,避免長短鏈里程標造成的誤差,實現斷鏈處智能換算里程功能。

2.3.3 里程校準算法

由于軌枕計數模塊與檢測數據產生點之間存在位置差異,且部分檢測系統數據的產生頻率高于軌枕計數模塊定位數據的產生頻率,因此提出軌枕里程矯正思路:通過位置標定消除各系統檢測數據源與軌枕計數模塊數據源的位置差;利用頻率更高的編碼器速度值,對每兩根軌枕之間的距離進行線性差分計算,得到區間內檢測數據點的精確里程?；谲壵碛嫈捣椒ǖ睦锍绦仕惴ㄊ疽鈭D如圖5所示。

注:x2為某一采集到的軌枕里程,x1為x2對應采集點前1根的軌枕里程,x3為x2對應采集點后1根的軌枕里程;t1、t2、t3分別為x1、x2、x3處軌枕采集時間;t0為欲校準的高頻率檢測數據的產生時間;x0為t0處產生數據的里程。

則校準里程x0的計算公式如下:

x0=x2+v(t0-t2)-l

式中:

v——t0處編碼器上報速度;

l——軌枕計數模塊傳感器與檢測系統采集裝置的間距。

2.4 里程賦值技術研究

通過對里程信號優先級的研究,以及對精確里程的修正校準,多類定位信號可實現整合與統一輸出,并作為里程值標記的基準。

里程賦值技術可用于數據綜合分析展示前的預處理階段。該技術的原理為車載綜合里程同步系統解析每條動態檢測數據后,將信息準確、格式統一的里程值替換檢測數據上報時自帶的低精度、具有格式差異的里程值。

該技術的應用需要對車載綜合里程同步系統具有將各類里程值的格式統一為浮點數里程戳的程序。在檢測作業開始前,車載綜合里程同步系統應發送“校正所有系統的時間”指令到檢測系統,由于車上各系統均有主機設備,采用精度超高的電子時鐘,保證時間在校準后2 h內與標準時間差在毫秒級,此時認為車載綜合里程同步系統與各檢測系統內部的時鐘保持對齊狀態。因此,在里程賦值進程中,可通過查詢“檢測數據采集的瞬時時間”,并使用該時刻下車載綜合里程同步系統的“已校準里程”覆蓋原有檢測數據里程,完成里程標記賦值。

3 結語

本文利用軌枕識別、多源里程定位及里程賦值等技術,提出了一種適用于城軌綜合檢測車的精確里程賦值方法。該方法兼容車輛信號系統定位信號、編碼器脈沖信號、電子標簽信號、軌枕計數模塊信號等多通道信號輸入,達到統一、高精度的里程信息輸出賦值效果,實現了高精度、高密度、抗干擾、成本可控的車載動態綜合檢測里程數據同步功能,滿足了同里程斷面下多類檢測數據的綜合分析與關聯指標耦合分析需求,進而可有效指導城軌基礎設施病害溯源及日常維保工作。