如何在时速350公里/小时的轨道交通中，通过非接触式传感器实现±0.1%的真实地面速度与里程累计精度？【牵引制动防滑】

1. 轨道交通测速与长度控制的基本结构与技术要求

在轨道交通领域，无论是高速列车还是城市地铁，准确的速度和行驶距离（长度）测量都至关重要。我们可以把整个列车系统想象成一个巨大的、高速移动的“生产线”，它在“生产”的是运输服务。这条“生产线”上的每一个环节，从启动、加速、匀速运行、减速到停车，都需要精准的速度数据来指导。同时，列车行驶了多远，也就是所谓的“里程”或“长度”，也需要准确记录，这就像一个物流公司的订单追踪系统，需要知道货物精确的运输距离。

轨道交通测速和长度控制的核心，在于获取列车的真实地面速度和准确行驶里程。这听起来简单，但实际操作中会遇到几个挑战：

• 轮对打滑与空转： 列车在启动、加速或制动时，车轮与钢轨之间可能会发生打滑（车轮转速快于实际车速）或抱死（车轮停转但列车仍在移动）现象，这就像汽车在湿滑路面起步或急刹车时轮胎空转或抱死一样。如果仅仅依靠车轮的转速来计算车速，就会出现误差，导致实际地面速度与显示速度不符，进而影响牵引力控制和制动安全。

• 车轮磨损： 车轮在使用过程中会不断磨损，导致直径变小。如果测速系统不进行补偿，每次车轮转一圈，列车行驶的实际距离就会比新车轮时短，积累下来就会造成显著的里程误差。

• 恶劣运行环境： 轨道交通车辆常年暴露在户外，需要经受剧烈的温度变化、高湿度、雨雪、灰尘、振动和电磁干扰等考验。这要求测速传感器必须具备极高的环境适应性和可靠性。

• 高精度与高响应： 现代轨道交通系统对速度控制的精度要求越来越高，例如在自动驾驶、精准停靠、运行间隔控制等方面。同时，传感器需要能快速响应速度的瞬时变化，尤其是在加减速过程中，才能及时调整牵引或制动策略。

因此，轨道交通的速度和长度测量需要能够克服这些挑战，提供稳定、可靠且高精度的实时数据。

2. 轨道交通测速的相关技术标准简介

轨道交通的速度和长度监测，其核心参数的定义和评价方法都有严格的标准来规范。这些标准确保了不同系统和设备之间测量的准确性和可比性。

• 速度测量精度： 这是衡量测速系统好坏最重要的指标之一，通常以实际速度的百分比误差来表示，比如±0.1%。它反映了传感器测量值与列车真实运行速度之间的偏差。在评估时，通常会要求在不同速度区间（如低速、中速、高速）和不同运行状态（如加速、匀速、减速）下进行测试，以覆盖实际运行的复杂性。

• 里程测量精度： 长度测量精度则关注列车行驶的总距离累计误差，同样以百分比表示。这就像我们用卷尺量东西，精度越高，测量的总长度就越接近真实值。对于轨道交通，这关系到运行调度、设备维护周期（如车轮维护、钢轨养护）和计费等。评价方法通常是在已知长度的标定区间内进行多次往返运行，然后比较累积里程与实际里程的差异。

• 零速度测量与方向识别： 对于列车来说，能够准确判断是静止状态、以及前进还是后退，对于启动控制、停车定位和安全防护非常关键。例如，在站台精确对位时，需要传感器能够精确检测到零速度并提供方向信息。

• 最大测量速度与加速度响应： 这是指传感器能够准确测量的最高速度和能够承受的最大加速度变化率。高铁的速度可达数百公里每小时，城市轨道交通的加减速也很快，传感器必须能跟上这些变化，否则数据就会失真。

• 抗干扰能力与环境适应性： 轨道交通环境复杂，传感器需要抵抗来自电磁场、振动、冲击以及极端天气（如高温、严寒、雨雪、沙尘）的干扰，确保在任何工况下都能稳定工作。这通常通过一系列严苛的环境试验来验证。

3. 实时监测/检测技术方法

轨道交通的速度和长度监测技术种类繁多，各有特点。这里我们聚焦几种主流的、具有代表性的方案，来深入了解它们的工作原理和性能。

(1) 市面上各种相关技术方案

激光多普勒测速技术

想象一下，你站在铁路边，一列火车呼啸而过。火车接近时汽笛声调高，远离时声调降低，这就是“多普勒效应”。激光多普勒测速就是利用类似原理，只不过将声波换成了激光。

它的工作原理是：传感器会发射一道稳定的激光束到移动的物体表面（比如钢轨或路基）。当物体移动时，激光束中的光子被物体表面反射回来。由于物体在运动，反射回来的光线频率会发生微小的变化。这种频率变化与物体移动的速度成正比。

更具体地说，激光多普勒传感器通常采用一种叫做“差频法”或“外差法”的技术。它会发射两束具有特定夹角的激光束，这两束激光束在被测物体表面会形成一个交叠区域，并产生一系列干涉条纹，就像在水面上同时扔下两块石头形成的波纹交汇处。当物体表面上的微小颗粒或粗糙点经过这些干涉条纹时，它们反射回来的光线的强度会发生周期性变化。传感器内部的光电探测器会接收到这些反射光，并将其转换为电信号。

这些电信号的频率（即多普勒频移频率 f_d）就直接与被测物体的速度 v 相关。其基本关系式为：

f_d = (2 * v * sin(theta)) / lambda

这里，v 是被测物体的速度，lambda 是激光波长，theta 是激光束与运动方向的夹角。通过精确测量 f_d，传感器就能反推出 v。这种方法不仅能测速度，还能通过积分速度来计算长度。此外，通过分析反射信号的相位关系，还可以识别运动方向。

• 核心性能参数（典型范围）： 激光多普勒测速的精度通常优于±0.1%，高端系统可以达到±0.05%甚至更高。速度测量范围很宽，可以从接近静止到非常高的速度（例如，超过100 m/s）。一些先进的系统能够实现极快的响应时间，测量速率高达几百kHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 真正的非接触式测量，避免了接触式测量（如编码器）带来的磨损、打滑等问题，提供了真实地面速度。测量精度很高，响应速度快，可以精确捕捉高速运动和瞬时加减速。一些型号能同时实现零速度测量和方向识别。通常采用全固态设计，无活动部件，维护量极低，长期运行可靠性高。

  • 缺点： 测量效果会受到被测物体表面特性（如反射率、粗糙度）的影响，过于光滑或反射性差的表面可能需要进行特定处理。传感器安装位置需要确保激光光路无遮挡。成本相对较高。

光学相关测速技术

光学相关测速，就像给物体表面拍“连环画”，然后对比两幅画之间特征点的移动。传感器会发射两个平行的激光光束或在两个不同点采集物体表面的散射光。当物体移动时，传感器在不同位置的探测器会分别接收到物体表面反射回来的光信号。

它不直接测量频率变化，而是通过分析两个探测器接收到的信号波形之间的“相似度”和“时间差”。想象一下，一个微小的标记点从第一个光束下通过，然后隔了一小段时间后，又从第二个光束下通过。传感器会计算这两个信号之间最匹配的“延迟时间”。知道了两个光束之间的固定距离和这个时间延迟，就可以计算出物体的速度：

速度 = 两个光束间的距离 / 信号时间延迟

• 核心性能参数（典型范围）： 测量范围通常在0.1 m/s 至 10 m/s 或 0.1 m/min 至 3000 m/min。重复精度在±0.05%左右，分辨率可达0.01 m/s。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 非接触式测量，无磨损，对被测物体表面纹理要求相对较低，可以在较恶劣的环境下工作（如潮湿、多尘）。精度较高，响应速度快，适用于防止车轮打滑/抱死，优化牵引控制。

  • 缺点： 一般对测量距离有一定限制，需要保持在特定的工作距离内。对速度上限有一定的要求，不如激光多普勒那样能覆盖超高速。

多普勒雷达测速技术

多普勒雷达测速与激光多普勒原理相似，但它使用的是微波信号而非可见光或红外激光。想象一下交警用的测速枪，它发出的就是微波。

它的工作原理是：传感器向地面（轨道或路基）发射微波信号。当列车移动时，微波信号被地面反射回来，由于列车的移动，反射信号的频率会发生“多普勒频移”。传感器会精确测量发射信号与反射信号之间的频率差，这个频率差与列车的实际地面速度直接相关。

频率差 (f_shift) = (2 * 速度 * cos(角度)) / 微波波长

其中 f_shift 是多普勒频移，速度 是列车速度，角度 是微波发射方向与列车运动方向的夹角，微波波长 是发射微波的波长。

• 核心性能参数（典型范围）： 测量范围广，可从0 km/h 至 500 km/h。精度通常在±0.1% 至 ±0.5%之间。工作温度范围宽，抗震动和冲击能力强。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 非接触式测量，直接测量真实地面速度，不受车轮磨损或打滑影响。微波穿透能力强，受雨雪、雾霾等恶劣天气影响小，环境适应性极佳。通常具有较好的抗干扰能力。

  • 缺点： 相比激光技术，通常分辨率和瞬时精度略低，且测量的空间范围（光斑大小）可能较大，导致局部速度变化的细节捕捉能力稍弱。成本相对较高。

磁性传感器测速技术

磁性传感器测速是轨道交通领域一种非常传统且可靠的方法，它类似于我们常见的高精度编码器，但通常是非接触式地感应车轮轴上的齿轮。

它的工作原理是：传感器通常安装在车轮轴承箱附近，其内部有磁敏元件（如霍尔元件或变磁阻线圈）。车轮轴上会固定一个带有齿的齿轮（或目标轮）。当列车移动时，齿轮随车轮转动，齿和齿槽经过传感器时会引起磁场的变化。传感器感应到这些磁场变化，并将其转换为一系列电信号脉冲。

传感器通过计算单位时间内产生的脉冲数量（即脉冲频率），再结合齿轮的齿数和车轮的直径，就能计算出车轮的转速，进而推算出列车的速度：

车速 = 轮周长 * 车轮转速 = 轮周长 * (脉冲频率 / 齿数)

• 核心性能参数（典型范围）： 测量范围可达0 km/h 至 500 km/h。输出信号为方波脉冲。精度一般在±0.1% 至 ±1%之间，取决于齿轮精度和安装质量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 结构坚固，可靠性高，免维护，寿命长。成本相对较低，安装简便。对恶劣环境（如高低温、油污、振动）的抵抗力强。

  • 缺点： 测量的是车轮转速，而非真实地面速度。因此，在车轮打滑、抱死或磨损时，测量结果会产生误差。需要定期检查和校准车轮直径，以补偿磨损带来的误差。

(2) 市场主流品牌/产品对比

在轨道交通测速领域，有许多知名品牌提供了性能卓越的产品，它们各基于不同的技术原理，以满足多样化的应用需求。

• 德国赛克 德国赛克的OLS10光学线性速度传感器采用光学相关原理。其产品优势在于非接触、无磨损，且在高精度下能快速响应，特别适用于需要防止车轮打滑/抱死、优化牵引控制的场景。其典型的测量范围为0.1 m/s至10 m/s，重复精度可达±0.05%。德国赛克的产品以其在恶劣工业环境下的稳定性和可靠性而闻名，提供了一种鲁棒的非接触测速方案。

• 英国真尚有 英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器基于激光多普勒测量原理，专为工业应用中移动物体和材料的非接触式速度和长度测量设计。该系列传感器的工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，速度测量范围从静止到10,000 m/min，并支持零速度检测和方向识别。其内部测量速率高达200kHz，能精确捕捉高速运动和瞬时加速度。英国真尚有AJS10X系列采用全固态设计，无需维护，防护等级达到IP67，使其在需要非接触、高精度速度和长度测量的轨道交通及相关工业应用中表现出色，可用于精确的速度控制和高精度编码器校准。

• 美国霍尼韦尔 美国霍尼韦尔DRS系列铁路多普勒雷达传感器运用多普勒雷达原理。它通过发射微波信号并接收反射信号的频率变化来测量列车的真实地面速度。其优势在于完全非接触，不受车轮磨损影响，能在各种恶劣天气条件下（如雨雪）提供稳定的测量，并具备强大的抗干扰能力。DRS系列典型的测量范围是0 km/h至500 km/h，精度在±0.1%至±0.5%之间，且具有出色的抗震动和冲击能力，非常适合作为列车牵引控制和防滑/抱死系统的关键输入。

• 英国史密斯互连 英国史密斯互连的铁路车辆磁性速度传感器系列采用磁性原理（如霍尔效应或变磁阻）。这类传感器通常感应车轮轴上齿轮的转动来计算车速。其核心优势在于结构坚固、可靠性高、免维护且寿命长，能够适应-40°C至+125°C的宽广工作温度范围。典型的测量范围为0 km/h至500 km/h，精度在±0.1%至±1%之间，尽管测量的是轮周速度而非真实地面速度，但其优异的环境适应性和低成本使其成为列车控制和防滑保护系统的常用选择。

(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

选择轨道交通测速传感器，就像挑选一辆适合特定路况的车辆，需要综合考虑多个关键性能指标。

• 测量精度与重复性：

  • 实际意义： 测量精度决定了传感器输出值与实际真实速度/长度的接近程度，重复性则反映了多次测量同一状态时结果的一致性。比如，精度0.05%意味着每测量100公里，误差可能只有50米。

  • 影响： 高精度是确保列车安全运行、准时到达、精确停靠的基础。尤其在自动驾驶和精确里程累计中，微小的精度差异都会累积成显著的偏差。

  • 选型建议： 对于需要高精度控制（如自动驾驶、定点停车、高精度里程计费）的应用，应优先选择激光多普勒或高精度光学相关传感器，如精度优于0.1%的产品。对于一般速度显示或辅助控制，精度要求可适当放宽。

• 速度测量范围与零速度检测：

  • 实际意义： 涵盖列车从静止到最高运行速度的能力，以及能否准确识别静止状态并分辨前进/后退。

  • 影响： 广阔的速度范围确保了传感器在列车运行的各个阶段都能正常工作。零速度检测和方向识别对于列车启动、紧急制动后的重新启动以及站台精确对位至关重要。

  • 选型建议： 高铁或城际列车应选择能覆盖其最高运行速度（如350km/h或更高）且支持零速度和方向识别的传感器（如激光多普勒、多普勒雷达）。地铁或货运列车也需覆盖相应速度范围。

• 响应时间与加速度响应：

  • 实际意义： 传感器从接收到信号到输出测量结果所需的时间，以及它能承受的最大速度变化率。

  • 影响： 响应时间快能及时反映列车速度的瞬时变化，对于牵引防滑/抱死系统至关重要，能迅速调整控制策略，避免事故。高加速度响应能力保证在列车急加速或急减速时仍能提供准确数据。

  • 选型建议： 对于牵引控制、制动系统等实时性要求高的应用，选择响应时间在毫秒级别、加速度响应能力强的传感器。例如，采用高速内部测量速率的激光多普勒传感器在捕捉瞬时变化方面表现突出。

• 测量原理（接触式/非接触式，轮周/地面）：

  • 实际意义： 决定了传感器是否与车轮接触，以及测量的是车轮转速还是列车相对于地面的实际速度。

  • 影响： 接触式（如传统编码器）可能磨损，且受车轮打滑/抱死影响大。非接触式（如激光多普勒、雷达）无磨损，能提供真实地面速度，避免了车轮效应带来的误差。

  • 选型建议： 如果需要真实地面速度且能忍受较高成本，应首选非接触式传感器，尤其是激光多普勒或多普勒雷达。如果对成本敏感，且主要需求是轮速信息（辅以纠偏），则可考虑磁性传感器或传统编码器。

• 环境适应性与防护等级：

  • 实际意义： 传感器抵抗恶劣环境（温度、振动、冲击、水、尘）的能力。IP67防护等级表示能有效防尘和短时浸水。

  • 影响： 轨道交通环境恶劣，环境适应性差的传感器会导致故障率高，影响系统可靠性。

  • 选型建议： 必须选择工业级设计、高防护等级（至少IP67）、宽温范围、抗振动冲击能力强的传感器。例如，全固态设计（无活动部件）的传感器在长期可靠性方面有优势。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即便选用了性能优越的传感器，在实际的轨道交通应用中，仍可能遇到一些问题。

• 问题一：非接触式传感器（激光、雷达）受表面条件影响。

  • 原因与影响： 激光多普勒和光学相关传感器依赖于从物体表面反射的光信号。如果钢轨表面过于光滑（如雨后积水）、被油污覆盖、或存在大量冰雪、泥浆时，光信号可能衰减严重，导致测量不稳定甚至中断。多普勒雷达虽抗雨雪能力强，但在极端积雪覆盖下也可能受影响。这就像在光线不足或玻璃反光严重的地方用手机拍照，很难对焦一样。

  • 解决方案：

    1. 多传感器冗余： 在关键位置部署多个不同原理的传感器，例如激光多普勒与磁性传感器结合，或多个激光传感器错位安装，通过数据融合来提高可靠性。

    2. 清洁维护： 定期检查传感器探头表面的清洁度，确保没有油污、泥垢或冰雪覆盖。

    3. 安装优化： 调整传感器的安装角度和位置，避开车轮溅起的泥水或积雪最集中的区域，并确保光路不受列车其他部件的遮挡。部分传感器具有较远的安装距离和景深，提供了更大的安装灵活性。

    4. 智能算法补偿： 在信号质量不佳时，利用滤波、预测或与其他系统（如GPS/北斗）数据融合等算法进行短时补偿，维持系统运行。

• 问题二：磁性传感器或传统编码器受车轮打滑/抱死及磨损影响。

  • 原因与影响： 这类传感器测量的是车轮转速。在湿滑钢轨上启动（打滑）或紧急制动（抱死）时，车轮转速与列车实际地面速度会发生显著偏差。同时，车轮磨损会导致实际直径变小，使得相同转速下行驶距离变短，长期积累造成里程误差。这就像汽车仪表盘显示的速度是轮胎转速算出来的，但如果轮胎打滑了，你可能看到速度在涨，但车实际没动。

  • 解决方案：

    1. 结合真实地面速度传感器： 将磁性传感器数据与非接触式真实地面速度传感器（如激光多普勒或多普勒雷达）的数据进行比对和融合。当地面速度传感器检测到轮速与地面速度存在较大差异时，系统可以判断为打滑或抱死，并进行修正。

    2. 轮径补偿机制： 建立车轮磨损模型，或通过定期测量车轮直径并输入系统进行参数更新，对里程计算进行动态补偿。

    3. 防滑/抱死控制系统： 将传感器数据输入牵引和制动控制系统，一旦检测到轮对滑移，立即调整牵引力或制动力，避免打滑/抱死现象进一步恶化。

• 问题三：振动和冲击。

  • 原因与影响： 轨道交通车辆在运行中会受到持续的剧烈振动和冲击，可能导致传感器内部元件松动、连接线缆断裂，或影响光学系统的稳定性，进而降低测量精度和可靠性。

  • 解决方案：

    1. 选用工业级设计： 优先选择专为轨道交通或重工业环境设计的传感器，它们通常具有更坚固的外壳、抗振动设计和可靠的电气连接。

    2. 减振安装： 在传感器与车辆之间安装减振支架或减振垫，吸收部分振动能量。

    3. 定期检查： 定期检查传感器的紧固件和连接线缆，确保安装牢固，无松动或磨损。

4. 应用案例分享

• 列车牵引与制动控制： 激光多普勒传感器可以提供精确的列车真实地面速度，帮助牵引系统优化输出功率，防止车轮打滑，提高启动效率；在制动系统中，它能辅助实现更平稳、更精准的制动，并防止车轮抱死。

• 高精度里程累计与定位： 非接触式测长传感器能消除车轮磨损和滑移带来的里程误差，为列车的运营调度、设备维护计划（如按里程进行部件检修）提供准确的数据支持，并辅助列车在站台的精确停靠。

• 轨道几何状态检测车： 在专业的轨道检测车辆上，激光测速测长传感器可作为基准速度和距离测量设备，同步采集轨道不平顺、轨距等几何参数，确保测量数据的准确性和可追溯性。例如，英国真尚有的AJS10X系列就适用于这类应用。

• 动车组车轮防滑/抱死系统： 通过实时监测轮周速度与真实地面速度的差异，系统能够迅速识别打滑或抱死状态，并立即采取措施调整牵引或制动力，保证列车在复杂工况下的运行安全。