机车在0.8-200 km/h速度范围如何实现高精度非接触式对地速度测量，以解决车轮打滑和磨损误差问题？【轨道交通】【列车防滑】

1. 基于机车的基本结构与技术要求

要实现机车车速的精确测量，首先我们需要理解机车自身的运动特性和传统测速方法的局限性。机车，无论是电力机车、内燃机车还是其他轨道车辆，其核心运动机制是通过车轮与钢轨的摩擦来实现前进。这个速度范围从缓慢的0.8 km/h（比如调车或启动阶段）一直到高速运行的200 km/h。

传统的机车测速方式通常依赖于测量车轮的旋转速度。想象一下，就像你自行车上的码表通过感应车轮转动来计算速度一样，机车也会在车轮轴上安装编码器或者在车轮边沿安装接近传感器来计数车轮的转动圈数。然后，系统会根据预设的车轮直径来计算出机车的行驶距离和速度。

然而，这种基于车轮转动的测量方式存在固有的问题： * 车轮打滑或空转：在启动、急刹车或者钢轨表面附着力差（如雨雪、落叶）的情况下，车轮可能会在钢轨上打滑，车轮虽然在转动，但机车实际移动的距离却少于车轮转动理论上的距离；反之，在制动时，车轮抱死拖行也会导致实际速度与轮转速度不符。这就好比汽车在冰面上起步，发动机轰鸣，车轮飞转，但车身却纹丝不动，此时车轮测速会告诉你速度很快，但实际对地速度却是零。 * 轮胎/车轮周长变化：机车车轮在长期运行中会发生磨损，导致实际周长变小。此外，不同负载、温度甚至车轮安装方式的细微差异，都可能影响其有效周长。周长一旦变化，基于固定周长计算出的速度就会产生偏差。这就像你用一把刻度不准的尺子量东西，结果自然不准确。

为了克服这些问题，我们需要一种“非接触式”且能直接测量机车对“真实地面”或“真实轨道”速度的技术，从而避免车轮打滑和周长变化带来的误差，实现0.8 km/h至200 km/h的精确测量。

2. 针对机车相关技术标准简介

在机车速度测量领域，存在一系列技术标准来规范速度监测参数的定义和评价方法，以确保测量的准确性、可靠性和系统间的兼容性。

• 速度准确性（Accuracy）：这是最核心的参数，它定义了传感器测量到的速度值与机车实际真实速度之间的偏差程度。通常用绝对误差（如±0.1 km/h）或相对误差（如读数的±0.1%）来表示。在机车运行中，准确的速度数据对于安全控制、列车间隔保持以及能耗优化至关重要。就好比飞行员需要知道飞机精确的空速和地速，才能准确导航和控制飞行姿态。

• 速度测量范围（Measurement Range）：指传感器能够有效测量并输出速度值的最低和最高限度。机车需要覆盖从极低速（如0.8 km/h的调车速度）到高速（如200 km/h的运营速度）的全范围，传感器必须能够稳定地在此范围内工作。

• 信号更新率/响应时间（Update Rate/Response Time）：这反映了传感器输出速度数据的实时性。更新率表示传感器每秒钟能提供多少次速度数据，而响应时间则指从机车速度发生变化到传感器输出相应变化所需的时间。对于需要实时反馈进行闭环控制的系统（比如防滑控制），更快的更新率和更短的响应时间意味着系统能更迅速、更精准地做出调整。

• 环境适应性（Environmental Adaptability）：由于机车常在户外恶劣环境中运行，传感器必须能承受宽泛的温度（例如-40°C到+70°C）、湿度变化、高强度振动和冲击，以及灰尘、水汽、电磁干扰等。标准会对这些环境因素下的防护等级（如IP67/IP69K）和抗电磁兼容性（EMC）提出明确要求。

• 输出接口兼容性（Output Interface Compatibility）：传感器需要将测量到的速度数据传输给机车的控制系统。因此，其输出接口类型（如脉冲信号、RS232串行通信、CAN总线）必须与机车上已有的车载计算机或控制器相匹配，以便无缝集成和数据交换。

3. 实时监测/检测技术方法

实现机车车速的非接触式精确测量，避免车轮打滑和轮胎周长变化带来的误差，主要有以下几种技术方案。

3.1 市面上各种相关技术方案

雷达多普勒测速技术

工作原理与物理基础： 雷达多普勒测速技术是利用多普勒效应来测量物体速度的。想象一下，当一辆救护车向你驶来时，它的警笛声会变得尖锐（频率变高），驶离时则变得低沉（频率变低），这就是声波的多普勒效应。雷达测速传感器则是利用电磁波的这种特性。它持续向地面或轨道发射一束特定频率（比如24 GHz）的电磁波。当这些电磁波遇到移动的地面或轨道表面并被反射回来时，反射波的频率会因为相对运动而发生变化，这个变化就叫做“多普勒频移”。传感器接收到反射波后，通过精确测量这个频移，就能计算出机车相对于地面的真实速度。

这个过程可以用多普勒频移公式来表示： $f_d = frac{2v costheta}{lambda}$ 其中： * $f_d$ 是多普勒频移，即反射波频率与发射波频率之差。 * $v$ 是被测物体（地面/轨道）相对于传感器的速度。 * $costheta$ 是传感器发射方向与物体运动方向夹角的余弦值。传感器通常会以一个固定的倾斜角度安装，以确保能够捕捉到速度分量。 * $lambda$ 是发射电磁波的波长。由于电磁波速度（光速 $c$）已知，波长 $lambda = c / f_0$，其中 $f_0$ 是发射频率。

通过测量 $f_d$，并已知 $theta$ 和 $f_0$，传感器就能反推出真实的地面速度 $v$。

核心性能参数典型范围： * 测量范围：从极低的0.1 km/h到高速的300 km/h甚至更高。 * 测量精度：通常可以达到±0.1%或更好的精度，在低速时甚至能达到±0.05 km/h的绝对精度。 * 响应时间/更新率：通常在20 Hz到100 Hz，可以满足实时控制需求。 * 安装距离：从几十毫米到几百毫米，灵活适应不同安装环境。

技术方案的优缺点： * 优点： * 非接触式测量：这是其最大的优势，直接测量对地速度，完全不受车轮打滑、车轮周长磨损或胎压变化的影响。 * 环境适应性强：电磁波穿透性好，受雾、雨、雪、灰尘等恶劣天气影响较小，传感器本身通常设计为高防护等级（IP6K9K, IP68等），能在工业和铁路的恶劣环境中稳定工作。 * 精确度高：能够提供高精度的真实地面速度数据，对于需要高精度速度控制（如防滑控制、列车自动驾驶）的应用非常有利。 * 安装方便：通常易于与被测物体平行安装，维护需求较低。 * 缺点： * 成本较高：相较于传统的轮轴编码器或接近传感器，雷达多普勒测速传感器的初始采购成本通常较高。 * 可能受电磁干扰：在一些具有强电磁辐射源的特殊环境中，可能会受到一定程度的电磁干扰，影响测量稳定性，但现代传感器通常具有良好的抗干扰设计。

GNSS多普勒测速技术

工作原理与物理基础： 全球导航卫星系统（GNSS），如GPS、GLONASS、Galileo和北斗，最初主要是为定位服务。然而，GNSS接收机也能非常精确地测量速度。其原理是利用接收到的卫星信号中蕴含的多普勒效应。每颗卫星都在以极高的精度发射已知频率的载波信号。当GNSS接收机（安装在机车上）移动时，它接收到的卫星信号频率会因接收机相对于卫星的运动而产生多普勒频移。通过精确测量这些来自多个卫星的频率偏移，接收机能够实时计算出自身的三维速度矢量，即机车在地面上的真实速度。

多普勒频移的公式表示为： $f_d$2 其中： * $f_d$ 是多普勒频移。 * $f_d$4 是卫星信号的载波频率。 * $f_d$5 是接收机（机车）的速度矢量。 * $f_d$6 是从接收机指向卫星的单位矢量。 * $c$ 是光速。

核心性能参数典型范围： * 速度精度：在RTK（实时动态）模式下，水平速度精度可达到0.03米/秒（约0.1 km/h），垂直速度精度约0.05米/秒。 * 更新率：最高可达50赫兹，提供快速的速度信息。 * 支持卫星系统：通常支持多频段、多卫星系统（GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou等），提高定位和测速的可靠性与精度。

技术方案的优缺点： * 优点： * 非接触式，高精度：提供厘米级定位的同时，能提供高精度的速度测量，同样不受车轮打滑等机械因素影响。 * 全球覆盖，三维速度：可以在全球范围内工作，并提供三维（水平和垂直）速度信息。 * 除了速度还提供位置信息：这对于列车控制、自动驾驶等需要精确位置的应用非常有利。 * 缺点： * 易受遮挡：在隧道、高楼峡谷、茂密森林等卫星信号容易被遮挡的环境下，性能会急剧下降甚至失效。 * 启动时间：从开机到首次定位和测速可能需要一定时间。 * 多径效应：卫星信号在建筑物或山体反射后可能产生多径误差。

轮轴编码器测速技术

工作原理与物理基础： 轮轴编码器是一种直接测量机车车轮（或传动轴）旋转角度或转速的传感器。它通常安装在车轮轴的末端，通过光电或磁性原理，将轴的机械旋转量转换为电脉冲信号。每个脉冲对应轴旋转的特定角度。通过计数单位时间内产生的脉冲数量，就能计算出车轮的转速。然后，结合预设的车轮直径，就可以计算出机车的行驶速度。

计算速度的基本公式为： $f_d$8 其中： * $f_d$9 是机车速度。 * $v$0 是圆周率。 * $v$1 是车轮的有效直径。 * $v$2 是车轮的转速（通常是每秒转数）。 或者，如果用脉冲数计算： $v$3

核心性能参数典型范围： * 分辨率：高达25000 PPR（每转脉冲数），能够提供非常精细的转速测量。 * 接口类型：推挽、TTL/RS422、HTL/Push-Pull等，适应不同的电气系统。 * 防护等级：高防护等级（最高IP67），适应恶劣工业环境。

技术方案的优缺点： * 优点： * 机械坚固，可靠性高：编码器通常设计得非常耐用，能承受高冲击和振动，适用于铁路等重载环境。 * 响应快，分辨率高：能够提供快速、高分辨率的速度反馈。 * 成本相对较低：相对于一些先进的非接触式方案，编码器的成本更具优势。 * 缺点： * 接触式测量，存在磨损：尽管通常安装在轴端而非直接接触地面，但它测量的仍是车轮的转速，受限于机械磨损、轴承间隙等问题。 * 受车轮打滑和周长变化影响：这是其主要局限性，无法提供真实的对地速度，易受车轮打滑、磨损导致的周长变化影响，从而引入测量误差。

感应式接近传感器测速技术

工作原理与物理基础： 感应式接近传感器通过产生高频电磁场来检测附近是否存在金属物体。它通常安装在车轮的齿轮或者车轮上的特定标记附近。当金属齿或标记进入传感器的电磁场时，会在金属物体内部产生涡流，从而改变传感器的振荡特性。传感器检测到这种变化并输出一个开关信号（脉冲）。通过计数单位时间内产生的脉冲数量，结合车轮上齿槽的数量和车轮周长，就可以计算出车轮的转速，进而推算机车的行驶速度。

速度计算类似于编码器，通常基于： $v$4 其中，“每个齿代表的距离”是车轮周长除以齿槽总数。

核心性能参数典型范围： * 检测距离：通常为2.5毫米至60毫米，需要在非常近的距离工作。 * 开关频率：最高可达2000赫兹，能够适应较高的车轮转速。 * 防护等级：IP67/IP69K，具备良好的抗尘、抗水能力。

技术方案的优缺点： * 优点： * 成本效益高，结构简单：传感器本身价格低廉，安装和维护相对简单。 * 非接触（短距离）：传感器与被测金属部件之间没有物理接触，减少了磨损。 * 抗环境能力较好：对灰尘、油污、潮湿等环境有较好的抵抗力。 * 缺点： * 测量精度依赖车轮特性：严重依赖于车轮直径的准确性和齿槽的均匀性，对车轮打滑问题无能为力。 * 检测距离短：安装时对距离要求苛刻，需要非常靠近被测金属部件。

激光特征追踪测速技术

工作原理与物理基础： 激光特征追踪测速，通常涉及到激光轮廓测量或视觉系统中的特征点匹配。传感器发射一束激光线或激光点到机车下方的地面或铁轨表面。当机车移动时，传感器以极高的速度连续获取地面表面的微小特征（如纹理、凹凸不平）。通过分析这些特征在连续图像帧中的移动距离和时间间隔，利用图像处理算法和特征匹配技术，可以精确追踪地面特征点的运动，从而计算出机车相对于地面的瞬时速度。

其核心思想是基于光学流或特征点匹配算法，计算特征点的位移： $v$5 其中： * $f_d$9 是机车的速度。 * $v$7 是传感器识别到的地面特征点在两次采样之间的位移。 * $v$8 是两次采样之间的时间间隔。

核心性能参数典型范围： * 采样速度：最高可达128 kHz，能够捕捉到极快的速度变化和细微的表面特征。 * 分辨率：极高，X方向（横向）分辨率可达0.6微米，Z方向（高度）精度可达0.1微米。 * 测量范围：多样，取决于具体型号和配置，例如宽度24mm-300mm，高度20mm-400mm。

技术方案的优缺点： * 优点： * 极高精度，非接触：能够提供极高的速度测量精度，并且完全非接触，不受车轮问题影响。 * 可提供表面信息：除了速度，还能获取地面或轨道的详细轮廓数据，可用于路况分析、防滑检测等更复杂的应用。 * 动态性能好：超高速采样能力使其能够精确测量高动态变化的速度。 * 缺点： * 成本最高：通常是所有方案中成本最高的。 * 对表面纹理有要求：如果地面过于光滑或特征不明显，可能会影响追踪效果。 * 可能受光照影响：强烈的环境光或光照变化可能对测量造成干扰，需要特殊的抗干扰设计。 * 计算复杂：需要复杂的图像处理和算法支持。

3.2 市场主流品牌/产品对比

以下是对市场上几种主流品牌及其所采用的技术方案和特点的对比。

• 德国米高乐 (雷达多普勒测速技术) 德国米高乐在雷达测速领域享有盛誉，其产品专门为铁路和重型车辆等苛刻应用设计。米高乐的雷达测速传感器基于多普勒效应，通过发射电磁波并分析反射波的频率偏移来测量机车的对地速度。其突出特点是极高的坚固性和可靠性，能够在-40°C至+85°C的宽泛温度范围内稳定工作，并具有IP6K9K和IP68的顶尖防护等级，非常适合铁路车辆在恶劣环境下的长期运行。测量范围宽广，可达0.1至300公里/小时，测量精度通常优于0.1%。

• 英国真尚有 (雷达多普勒测速技术) 英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器采用雷达多普勒技术，通过发射24 GHz的电磁波来测量移动物体的速度。其测量范围为0.8 km/h 至 200 km/h，20 Hz的信号更新率适用于实时监测和闭环控制。该传感器具有IP6KX、IPX7、IPX9K防护等级，以及-40°C 至 +70°C的工作温度范围，环境适应性强。安装距离可调范围为100 mm 至 700 mm，且符合DIN 9684 / ISO 11786标准，易于集成到各种应用中。

• 美国天宝 (GNSS多普勒测速技术) 美国天宝作为全球领先的GNSS技术提供商，其产品基于多频段全球导航卫星系统技术，通过接收多个卫星系统的信号（如GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou）并分析其多普勒频移来计算机车的实时三维速度矢量。其核心优势在于能够提供极高的速度精度，在RTK模式下水平速度精度可达0.03米/秒，垂直速度精度0.05米/秒，并且更新率最高可达50赫兹。除了速度，天宝的解决方案还能提供厘米级的高精度位置信息，这对于需要精确位置和速度信息的铁路列车控制、自动驾驶等应用具有独特优势，但其性能易受卫星信号遮挡影响。

• 瑞士宝盟 (轮轴编码器测速技术) 瑞士宝盟的HOG 10 G系列是重载增量型编码器，主要用于传统的轮轴速度测量。它通过光电或磁性原理，将机车车轮轴或传动轴的旋转角度转换为高分辨率的电脉冲信号，从而计算出车轮转速并推算机车速度。这款编码器以其卓越的机械坚固性和可靠性而闻名，专为恶劣的工业和铁路环境设计，能够承受高冲击和振动，并具有高达IP67的防护等级和-40°C至+100°C的工作温度范围。其最高达25000 PPR的分辨率确保了精确的速度反馈。然而，作为一种依赖车轮转动的测量方式，它无法完全避免车轮打滑和周长变化带来的误差。

• 日本基恩士 (激光特征追踪测速技术) 日本基恩士的LJ-X8000系列超高速激光轮廓测量仪，虽然主要用于轮廓和尺寸测量，但其核心技术可以应用于基于激光特征追踪的测速。它利用三角测量法的激光扫描原理，以超高速（最高达128 kHz）连续获取地面或铁轨表面的微小特征，并通过复杂的算法追踪这些特征的移动，从而间接推算出机车的瞬时对地速度。这种方法是非接触式的，能提供极高的测量速度和精度，并且除了速度还能提供丰富的表面信息。其主要优势在于能够捕捉到物体表面的细微变化，实现非常精密的对地速度测量，同时避免了机械磨损，但对表面纹理有一定要求且成本较高。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择机车速度测量设备时，我们需要综合考量多种技术指标，并根据实际应用场景做出最优决策。

• 测量范围与精度：

  • 实际意义：测量范围决定了传感器能否覆盖机车从最低到最高的所有运行速度；精度则衡量了测量结果的可靠性，它直接影响到列车控制系统的决策准确性。

  • 影响：如果测量范围不足，传感器可能无法在某些速度下工作；精度不够则可能导致制动距离计算错误、防滑控制失效，甚至影响行车安全。

  • 选型建议：首先要明确机车的实际运行速度范围，并选择能够完全覆盖且留有余量的传感器。对于要求高精度的应用（如闭环控制、自动驾驶），应优先选择精度优于0.1%的雷达或GNSS多普勒传感器。

• 响应时间与更新率：

  • 实际意义：响应时间是指传感器感知到速度变化并输出相应数据所需的时间。更新率是每秒输出数据点的数量。它们共同决定了系统对速度变化的实时感知能力。

  • 影响：响应时间过长或更新率过低，会导致控制系统滞后，无法及时调整机车状态，尤其在应对突发情况（如紧急制动时的打滑）时，可能造成严重后果。

  • 选型建议：对于需要实时闭环控制的应用，建议选择更新率在20 Hz甚至50 Hz以上的传感器，如高动态性能的雷达或GNSS多普勒传感器。

• 非接触性：

  • 实际意义：非接触式测量意味着传感器与被测表面或部件没有物理接触，直接测量对地速度。

  • 影响：非接触性直接解决了车轮打滑、磨损、周长变化等传统轮轴测速的固有弊端，大大提高了测量精度和可靠性。

  • 选型建议：如果目标是消除轮缘磨损和打滑误差，必须选择真正的非接触式传感器，如雷达多普勒、GNSS多普勒或激光特征追踪传感器。

• 环境适应性：

  • 实际意义：传感器在恶劣工作环境（温度、湿度、振动、冲击、灰尘、水汽、电磁干扰）下的稳定性和可靠性。

  • 影响：环境适应性差的传感器容易出现故障，降低系统可用性，甚至引发安全问题。

  • 选型建议：机车运行环境复杂多变，应选择具有高防护等级（如IP6KX, IPX7, IPX9K）、宽工作温度范围和良好抗振动、抗电磁干扰能力的传感器，如工业级雷达多普勒传感器。

• 输出接口与兼容性：

  • 实际意义：传感器输出信号类型（脉冲、RS232、CAN总线等）与机车现有控制系统的匹配程度。

  • 影响：接口不兼容会增加系统集成难度和成本，甚至无法使用。

  • 选型建议：在选型前务必确认机车控制系统支持的接口类型，选择提供多种标准输出接口的传感器以确保兼容性。

• 安装要求：

  • 实际意义：传感器对安装位置、距离和角度的要求。

  • 影响：不符合安装要求会导致测量不准或传感器无法正常工作。

  • 选型建议：考虑机车底部可用的安装空间和结构，选择安装距离和角度灵活，且易于安装和校准的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了先进的测速技术，在实际应用中机车速度传感器仍可能遇到一些问题。

• 环境因素造成的干扰

  • 问题描述：灰尘、水、冰雪、泥浆等污垢可能覆盖传感器窗口，影响激光或雷达信号的发射和接收；强烈的电磁干扰（如高压输电线路、电机启动）可能对雷达或GNSS信号造成干扰；GNSS在隧道、高架桥下或密集的城市区域可能出现信号遮挡或多径效应。

  • 原因分析：传感器原理对环境介质或电磁环境的敏感性。

  • 解决建议：

    • 对于雷达/激光传感器：定期清洁传感器窗口，或选用自带自清洁功能、抗污损设计的产品。安装时尽量避开容易积聚污垢的位置，并加装防护罩。选择工作频率和调制方式具有良好抗干扰能力的传感器。

    • 对于GNSS传感器：安装在视野开阔、无遮挡的位置。在信号不佳区域可考虑结合惯性导航系统（INS）进行组合导航，利用惯性传感器的短时高精度弥补GNSS在信号中断时的不足，实现无缝测速。

• 低速测量精度下降

  • 问题描述：部分传感器在机车极低速（如0.8 km/h以下）运行时，测量精度可能下降，甚至无法有效输出速度值。

  • 原因分析：多普勒频移在低速时非常微弱，难以精确检测；或传感器内部信号处理算法在低频信号下表现不佳。

  • 解决建议：在选型时，需要特别关注传感器在低速范围内的性能指标，选择明确标示支持超低速测量的产品。如果低速精度要求极高，可以考虑多传感器融合方案，例如在低速时辅助以高分辨率编码器数据（如果允许轮轴误差），或采用专门优化低速测量算法的雷达传感器。

• 安装与校准误差

  • 问题描述：传感器安装角度或距离不准确，以及首次校准不当，都可能导致系统性测量误差。

  • 原因分析：安装环境限制、人工操作误差、缺乏专业校准工具。

  • 解决建议：严格遵循制造商的安装指南，使用专用工装夹具确保安装角度和距离的精确性。首次部署后，进行实车测试与对标，利用高精度参考速度（如通过高精度GNSS或标定好的测速仪）进行校准和验证，必要时进行参数调整。定期检查安装状态，防止因振动或冲击导致的传感器位移。

• 电源稳定性问题

  • 问题描述：机车供电电压波动大，或电源噪声过高，可能影响传感器正常工作。

  • 原因分析：机车电气系统复杂，负载变化大，导致供电不稳定。

  • 解决建议：为传感器配备独立的稳压电源模块，或使用具有宽电压输入范围和良好电源抗噪能力的传感器（如9V至28V DC）。在供电线路上增加滤波器，确保传感器获得纯净稳定的电源。

4. 应用案例分享

• 列车防滑/防空转系统：在列车启动或制动时，通过非接触式传感器精确测量真实对地速度，与车轮转速进行对比，及时发现车轮打滑或空转现象，并反馈给列车控制系统，实现精准的牵引力和制动力调节，提高运行安全性和乘坐舒适性。例如，英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器，可以应用于此类系统，提高控制精度和可靠性。

• 轨道交通维护车辆速度测量：轨道检测车、钢轨打磨车等维护车辆需要精确控制其行驶速度，以确保检测或作业质量。非接触式测速系统可以提供可靠的对地速度数据，指导车辆以恒定速度或按预设曲线行驶。

• 重型机械和工程车辆的速度控制：在采矿、建筑工地等非公路环境中，大型挖掘机、装载机、平地机等重型机械需要精确的速度信息来实现作业自动化和效率优化，如自动装载、精确平整地面。

• 输送带物料流速监测：在物流中心、港口码头、矿山等场所，输送带上的物料流速监测对于库存管理、生产线控制和避免物料堆积至关重要。非接触式传感器可以直接测量物料的真实线速度，确保系统高效稳定运行。例如，英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器，也适用于输送带的物料监测，提供准确的速度数据。

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参考资料：

• DIN 9684 (农业机械和拖拉机——电子接口)

• ISO 11786 (拖拉机和农业机械——电子通信接口)