鮑鵬宇，寧云轉(zhuǎn)

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

列控車(chē)載設(shè)備測(cè)速測(cè)距是車(chē)載設(shè)備的關(guān)鍵單元，負(fù)責(zé)測(cè)量列車(chē)運(yùn)行速度和距離，其性能直接影響著列控系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備的安全性、可靠性和可用性[1-2]。為實(shí)時(shí)獲取列車(chē)速度、距離信息，主要使用3 種傳感器：轉(zhuǎn)速計(jì)傳感器（速傳）、多普勒雷達(dá)傳感器（雷達(dá)）以及慣性加速度傳感器（加傳）。然而，單純的算法仿真并不能完全模擬傳感器數(shù)據(jù)，半實(shí)物平臺(tái)測(cè)試又無(wú)法覆蓋特殊工況[3-7]。為解決此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種列車(chē)測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)仿真方法，既可滿(mǎn)足傳感器數(shù)據(jù)的真實(shí)性，又可覆蓋特殊工況，保證算法和軟件安全可靠運(yùn)行。

1 測(cè)速測(cè)距仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)速測(cè)距仿真系統(tǒng)主要包含5 個(gè)部分，列車(chē)運(yùn)行控制單元、傳感器模擬單元、數(shù)據(jù)注入單元、測(cè)速測(cè)距待測(cè)試單元和測(cè)速測(cè)距仿真控顯界面，如圖1 所示。

圖1 測(cè)速測(cè)距仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of simulation system for speed and distance measurement

2 仿真系統(tǒng)子功能單元

下面分別對(duì)各單元的功能進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 測(cè)速測(cè)距仿真控顯界面

測(cè)速測(cè)距仿真環(huán)境的主操作界面上可以完成所有測(cè)試環(huán)節(jié)。通過(guò)在界面上進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)列車(chē)加減速、傳感器配置、傳感器狀態(tài)等信息的控制，并將待測(cè)試的測(cè)速測(cè)距軟件運(yùn)行結(jié)果顯示在界面上。

如圖2 所示，控顯界面包含4 個(gè)區(qū)域：列車(chē)控制區(qū)域、列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)域、傳感器控制區(qū)域和運(yùn)行結(jié)果顯示區(qū)域。各區(qū)域功能如下。

圖2 測(cè)速測(cè)距仿真控顯界面結(jié)構(gòu)Fig.2 Interface of control and display of speed and distance measurement simulation

列車(chē)控制區(qū)域：模擬列車(chē)的牽引制動(dòng)手柄，并通過(guò)牽引制動(dòng)手柄輸入列車(chē)的牽引制動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)列車(chē)加速和減速的仿真。

列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)域：顯示模擬的列車(chē)真實(shí)運(yùn)行速度、距離、加速度等信息，便于與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

傳感器控制區(qū)域：選擇使用的傳感器，以及傳感器的工作狀態(tài)等信息。例如，設(shè)置速傳的空轉(zhuǎn)打滑、方向、斷線(xiàn)等狀態(tài)；設(shè)置雷達(dá)的反射信號(hào)、擾動(dòng)等狀態(tài)。通過(guò)此區(qū)域的設(shè)計(jì)，可模擬傳感器的不同工況，實(shí)現(xiàn)傳感器組合故障狀態(tài)測(cè)試。

測(cè)速測(cè)距運(yùn)行結(jié)果顯示區(qū)域：顯示測(cè)速測(cè)距軟件計(jì)算列車(chē)運(yùn)行的速度、距離、加速度、空轉(zhuǎn)打滑狀態(tài)、方向和測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息。

2.2 列車(chē)運(yùn)行控制單元

列車(chē)運(yùn)行控制單元是仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)接收控顯界面的列車(chē)控制區(qū)域輸入的加減速狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行速度和距離的仿真，仿真方法如下。

牽引力對(duì)應(yīng)的加速度為a，列車(chē)當(dāng)前的速度為v0，已運(yùn)行的距離為d0，仿真周期為T(mén)，則本周期的速度v和距離d的計(jì)算方法如公式（1）所示。

2.3 傳感器模擬單元

傳感器模擬單元根據(jù)仿真界面輸出的狀態(tài)控制信息，并結(jié)合各傳感器的特點(diǎn)，模擬速傳、雷達(dá)和加傳的數(shù)據(jù)，如圖3 所示，主要包含兩個(gè)部分：傳感器基本數(shù)據(jù)模擬和傳感器狀態(tài)模擬。

圖3 傳感器模擬單元結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of sensor simulation unit

傳感器基本數(shù)據(jù)模擬單元可模擬速傳、雷達(dá)、加傳的數(shù)據(jù)，具體方法如下。

1）速傳脈沖模擬單元根據(jù)速度、距離信息，產(chǎn)生一定頻率的脈沖數(shù)據(jù)，并將脈沖數(shù)據(jù)以測(cè)速測(cè)距主程序可識(shí)別的協(xié)議進(jìn)行輸出；

2）雷達(dá)數(shù)據(jù)模擬單元根據(jù)速度距離信息，產(chǎn)生雷達(dá)數(shù)據(jù)，并將雷達(dá)數(shù)據(jù)以測(cè)速測(cè)距主程序可識(shí)別的協(xié)議進(jìn)行輸出；

3）加傳數(shù)據(jù)模擬單元根據(jù)加速度信息，產(chǎn)生加傳數(shù)據(jù)，并將加傳數(shù)據(jù)以測(cè)速測(cè)距主程序可識(shí)別的協(xié)議進(jìn)行輸出。

傳感器狀態(tài)控制包含各傳感器的狀態(tài)控制和斷線(xiàn)控制。其中速傳的狀態(tài)主要為空轉(zhuǎn)打滑可通過(guò)改變速傳脈沖頻率的形式實(shí)現(xiàn)，雷達(dá)和加傳的狀態(tài)可通過(guò)改變雷達(dá)（加傳）數(shù)據(jù)模擬單元生成的通信數(shù)據(jù)狀態(tài)信息的形式實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到傳感器狀態(tài)控制的目的。各傳感器的斷線(xiàn)控制可通過(guò)停止輸出傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.4 數(shù)據(jù)注入單元

數(shù)據(jù)注入單元接收來(lái)自仿真界面輸出的傳感器配置信息，選擇特定的傳感器配置組合，如“2 速傳+2 雷達(dá)”、“2 速傳+2 加傳”、“3 速傳”等，并為測(cè)速測(cè)距待測(cè)試軟件單元提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口。

2.5 測(cè)速測(cè)距待測(cè)試單元

測(cè)速測(cè)距待測(cè)試單元周期調(diào)用待測(cè)試的測(cè)速測(cè)距軟件，使用數(shù)據(jù)注入單元提供的軟件接口獲取傳感器數(shù)據(jù)，并將測(cè)速測(cè)距的運(yùn)行結(jié)果發(fā)送到仿真界面。

3 空轉(zhuǎn)打滑控制方法

速傳的空轉(zhuǎn)打滑現(xiàn)象是影響速傳測(cè)速測(cè)距精度的關(guān)鍵因素，因此對(duì)測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)空轉(zhuǎn)打滑現(xiàn)象的測(cè)試尤為重要[8-9]。目前，主要通過(guò)在鋼軌上噴涂減摩液，在通過(guò)減摩液的區(qū)域時(shí)進(jìn)行制動(dòng)和啟動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn)打滑的測(cè)試。這種測(cè)試方式既消耗大量的人力物力，又無(wú)法確保一定出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。因此，通過(guò)軟件模擬打滑的方式顯得尤為重要。

如圖4 所示，空轉(zhuǎn)打滑通過(guò)單獨(dú)設(shè)置某個(gè)速傳的加速度，實(shí)現(xiàn)加入ABS 功能的速傳空轉(zhuǎn)打滑仿真，具體方法如下。

圖4 空轉(zhuǎn)打滑仿真方法Fig.4 Method to simulate idle running and sliding

1）單次打滑控制

a.改變被設(shè)置速傳的加速度至a1；

b.經(jīng)過(guò)時(shí)間t1后，將加速度變?yōu)?；

c.改變被設(shè)置速傳的加速度至a2；

d.若打滑速傳速度與實(shí)際列車(chē)速度相同，則恢復(fù)為黏著狀態(tài)。

2）多次打滑控制

a.執(zhí)行1）單次打滑的a.～c.步驟；

b.經(jīng)過(guò)時(shí)間t2后，將加速度變?yōu)?，同時(shí)確保打滑速傳速度低于實(shí)際列車(chē)速度；

c.重復(fù)執(zhí)行2）多次打滑的a.、b.步驟；

d.直至恢復(fù)打滑，執(zhí)行1）單次打滑的d.步驟；

3）空轉(zhuǎn)模擬與打滑類(lèi)似，可類(lèi)比打滑的實(shí)現(xiàn)方式，將減速過(guò)程改為加速過(guò)程即可。

4 測(cè)速測(cè)距仿真界面

應(yīng)用上述方法，設(shè)計(jì)測(cè)速測(cè)距仿真測(cè)試平臺(tái)軟件如圖5 所示。

圖5 測(cè)速測(cè)距仿真測(cè)試平臺(tái)軟件Fig.5 Software of simulation test platform for speed and distance measurement

該測(cè)速測(cè)距仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）空轉(zhuǎn)打滑模擬仿真，包括單速傳空轉(zhuǎn)打滑、多速傳空轉(zhuǎn)打滑，以及空轉(zhuǎn)打滑類(lèi)型（單周期，多周期）設(shè)置，空轉(zhuǎn)打滑時(shí)延設(shè)置；

2）傳感器斷線(xiàn)仿真，包括單傳感器斷線(xiàn)、多傳感器斷線(xiàn)；

3）傳感器狀態(tài)控制，包括雷達(dá)、加傳狀態(tài)的設(shè)置；

4）傳感器數(shù)目控制，包括速傳、雷達(dá)、加傳的數(shù)目控制，速傳的通道控制；

5）測(cè)速測(cè)距數(shù)據(jù)的顯示和記錄；

6）可進(jìn)行上述功能的任意組合測(cè)試：如“單速傳空轉(zhuǎn)+雷達(dá)斷線(xiàn)”，“單速傳斷線(xiàn)+加傳失效”等。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的測(cè)速測(cè)距仿真方法和測(cè)試平臺(tái)，可通過(guò)軟件設(shè)置的方法覆蓋各類(lèi)特殊工況和組合故障模式，實(shí)現(xiàn)測(cè)速測(cè)距軟件的全面測(cè)試，保證算法和軟件安全可靠運(yùn)行。