城市轨道交通作业城轨系统中几种常见的测速方法
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日期：2014年4月
摘要
本文针对城市轨道交通中几种常见的测速方法的原理进行了介绍。

城市轨道中主要应用轮轴速度传感、多普勒雷达测速、测速发电机。

并且针对不同这三种测速方法的优缺点进行比较。

并举例说明了在实际应用中，将不同的测速方法运用在城市轨道交通中的例子。

关键词：城市轨道交通；测速方法；应用
一．引言
城市轨道交通是现代化城市的重要基础设施。

与其他形式的公共交通相比，城市轨道交通具有运量大、速度快、污染小及安全可靠等优点。

列车运行超速防护系统 ( ATP) 能保证行车安全、防止列车进入前方列车占用区段和防止超速运行。

ATP 实现良好的控车需要大量的速度信息，因此，速度信息的重要性不言而喻。

选择合适的测速方法，对于获得精确的速度信息起着重要作用。

二．几种常见的测速方法
2.1轮轴速度传感器原理
基于脉冲速度传感器的测速定位是最常用的列车测速定位方法。

所谓的脉冲转速传感器是指通过测量列车车轮转速测量列车运行速度的传感器，常用的转速传感器包括测速发电机、脉冲测速传感器等。

目前轨道交通中普遍采用脉冲转速传感，其原理如图1所示。

N
时间闸门T
对T 内的脉冲信号进行计数
图1 测周法示意图
轮轴转速传感器测速基本工作原理为：利用车轮的周长作为“尺子”测量列车的走形距离，根据测量得到的列车走形距离测算出列车运行速度，其基本公式为 D N
D V πϕπn
∆== （1-1） 式中 D -----车轮直径； ϕ-----车轮转速。

从式（1-1）可以看出，在转速传感器随车轮每旋转一圈发出的脉冲数N 确定的条件下，通过测量单位时间内脉冲传感器输出的脉冲数n ∆就可以实时计算得出车轮的转速。

因此，只要预先确定了列车轮径，就可以计算出列车延轨道速度径向运行的线速度，即列车实时速度。

列车车轮转速的测量方法有： （1）测频法
测频法就是定时计数法。

系统设置固定的时间闸门T ，在T 内计数到来脉冲，根据计数值求出脉冲频率，如图2所示。

测频法的测量误差取决于两点：一是闸门时间T 的准确程度；二是计数值N 的准确性，实际是1±误差的大小，而计数精度T
E m f 1
∝。

为减小误差，可以加大闸门时间T 或提高被测脉冲的频率，因此测评法主要用于测量高频信号。

（2）测周法
测周法，其时基信号为高频（与所测信号相比）脉冲，对所测信号一个周期内的时基脉冲进行计数，由计数值求出信号频率，如图3所示。

被测信号
时基信号
被测信号周期
在此周期内对时基信号计
数
图2 测周法示意图
设时基信号频率为f ，被测信号一个周期内的计数值为N ，则被测信号频率为T
f
f m =。

测周法的测量精度取决于两点：一是时基信号的频率精确度；二是计数值的准确性，即1±误差的大小，而计数精度m
fT E 1
∝。

为了减小误差，可以提高时基信号频率f 或加大被测脉冲的周期m T ，因此测周法用于测量低频信号。

（3）多周期法
多周期法是在周期法的基础上提出的，其基本原理是根据被测信号频率范围的不同选择不同的被测信号周期数的方法，使总的计数时间与时基信号的周期相比很大，即减小1±误差，如图3。

Tm-n
Tm-2
Tm-1Tm
被测信号
时基信号
图3 多周期示意图
计数时间为
n m m T T nT T --==∆ （1-2） 为保证低频至高频内都具有较高的测量，对不同的频率范围采用不同的计数时间，即令变量n 与被测信号频率成正比。

当1=n 时，多周期转化为测周法。

2.2多普勒雷达测速
多普勒效应的原理是：波是由频率及振幅构成，而无线电波是随着波而前进的。

当无
线电波在行进的过程中碰到物体时，该无线电波会被反射，而且反射回来的波，其频率与振
幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。

测速雷达安装在列车底部。

由于机车和轨面之间有相对运动，根据多普勒移频效益原理，在发射波和反射波之间产生频差，通过测量频差可以计算出机车的运行速度。

基于多普勒雷达的测速原理如图4。

v
vf
F
f2f1C
反射面
a2
a1
图4 基于多普勒雷达的列车测速技术
雷达发射电磁波的频率为F ，在介质中的传播速度为c ，发射角为1α，当雷达以速度V 平行于反射面运动（反射面静止），则在反射面接收到的波频率为
1
1cos αv c c
F
f -= （2-1）
而此时反射面把波反射回去，相当于波源（静止），雷达接收反射回来的波，相当于观察者（平行反射面速度为V ），由于雷达的运动，入射角为2α，则雷达接收到的波频率为
1
2
21
2cos cos cos αααV c V c F c V c f f -+=+= （2-2）
发射波与接收波的移频为
1
12122cos )
cos (cos )1cos cos (
αααααV c V F V c V c F F f f r -+=--+=-= （2-3）
由于雷达运动的速度V 远远小于电磁波的速度c ，可以近似认为12αα≈，则频移为
2
1
cos cos 2ααV c V F
f r -≈ （2-4）
将上式展开为泰勒级数，并舍去高次项，可得
c
V F
r f 1
cos 2α≈∧
（2-5） 也就是说，发射波与入射波之间的移频r
f
∧
与雷达的速度V 沿发射波方向的分量的大小
成正比。

如果发射角1α固定，则移频r
f
∧
就是与雷达速度V 成正比，只要测出移频
r
f
∧
的
值，就可以计算出雷达的运动速V 。

2.3测速发电机
直流测速发电机其实是一种测量转速的微型直流发电机。

当被测机构与测速发电机同
轴联接时，只要检测出输出电动势，即能获得被测机构的转速。

直流测速发电机原理图如图 5所示。

TG
Uf
Rf
If Ia
N
Rl
图5 直流测速发电机原理图
测速电机安装在车轮外侧，发电机所产生电压的频率与列车速度 ( 车轮的转速) 成正比，然后经过频率-电压的变换，把列车实际运行的速度转换为电压。

测速发电机所产生的频率可按式 （1-3）计算: D
z
v f ⨯⨯=
π6.31000 (3-1) 式中 f ----测速发电机产生的频率 ( Hz) V ----列车速度 ( km/h) Z ---- 为发电机的齿数 D -----车轮直径 ( mm)
通常要求电机的输出电压与转速成 ( 严格)正比关系。

三．测速方法的应用分析
在城市轨道交通系统中，为了得到更加精确的速度信息，常常将几种测速装置配合使用。

例如速度传感器和多普勒雷达配合使用，或者是测速电机和多普勒雷达配合使用，这样一方面可以完成速度的精确测量，控制列车超速防护和定点停车，另一方面还可以检测列车的空转或打滑。

下面介绍几家公司 ATC 采用的测速方法。

表1 三种测速方法对比
测速方法速度电机脉冲速度传感器多普勒雷达
优点测速方便技术成熟，
应用广泛原理简单，测速准确
度高，受环境因素影
响小
有效克服空转和滑行
等因素产生的误差，
技术也越来越成熟
缺点误差较大，尤其是非
线性误差可能发生机械损坏，
车轮磨损带来测量误
差
可能受环境因素影
响，制造成本高，调
试较困难
1． Westinghouse公司采用双测速电机+多普勒雷达方法。

ATP车载设备采用2个测速电机，来提供速度、走行距离和运行方向等信息，测速电机一般安装在列车头车的拖车轴上。

由于测速电机无法精确补偿车轮空转和打滑，故采用一台多普勒雷达装置，一方面提供速度信息，与测速电机测出的速度相比较，提高测速可靠性;另一方面提供另一套距离、方向和速度的测量系统，通过串行接口，修正列车空转和打滑带来的误差。

在国内，该方法应用在北京地铁系统和天津地铁1号线。

2． Siemens公司采用脉冲速度传感器+多普勒雷达方法。

脉冲速度传感器为ATP功能提供输入，用以完成所需的速度、距离和方向信息的计算。

脉冲速度传感器安装在列车前部车辆后转向架的2个轴上。

多普勒雷达配合脉冲速度传感器进行测速、测距、提高精确程度。

3．US＆S公司采用双速度传感器方法。

每个传感器都是多通道的，它们安装在无动力车辆的轮轴上。

采用光电传感技术，信号被传递给ATP单元，以确定车辆运行参数，包括速度、距离、方向等。

ATP 子系统比较来自2个速度传感器的数据，以最后确定列车的速度。

在国内，上海地铁2号线和天津滨海线上有应用。

4． Alstom 公司采用双速度传感器方法。

对来自2个速度传感器的信息进行安全处理和轮
径补偿，得到实际速度，通常与2个ATP/TWC接收线圈配合使用，实现自动限速。

广州地铁3 号线采用该系统。

四．参考文献
[1] 谭星张睿兴城轨系统中几种常用测速方法的误差与应用分析,铁道通信信号,2012年一月，第48，第一期
[2] 唐涛列车运行控制系统，北京，中国铁道出版社，2012年。