4. 测速定位数据采集与预处理
CTCS车载测速定位单元的输出质量，取决于从轮轴传感器（或雷达、多普勒传感器）拿到原始信号之后，如何把它变成可信的速度与位移。这一节聚焦在“采集—换算—净化”这条链路上：脉冲计数与频率测量解决“怎么把物理量变成数字量”，滤波解决“怎么抑制随机抖动”，异常值剔除解决“怎么识别并隔离空转、滑行、传感器丢脉冲等错误数据”。三者不是可选项，而是车载测速定位模块必须同时具备的处理环节。
一、脉冲计数：把轮轴转动变成位移增量
轮轴传感器（常见为光电式或磁电式）每转输出固定数量的脉冲，设每转脉冲数为 Np，车轮直径为 D（单位 m），则每个脉冲对应的位移增量为：
Δs = π · D / Np （单位：m/脉冲）例如某车型车轮直径 0.86 m、每转 200 个脉冲，则 Δs ≈ 3.1416 × 0.86 / 200 ≈ 0.0135 m，即约 13.5 mm/脉冲。测速定位单元在固定周期 Tc（如 20 ms）内对脉冲做计数，得到计数值 ΔN，则该周期内的平均速度为：
v = ΔN · Δs / Tc脉冲计数法的本质是“位移增量累加”，它的优点是低速时仍能分辨（只要脉冲还在来），缺点是速度越低、周期越短，ΔN 的量化误差占比越大。因此工程上常采用“高频时钟测周期 + 脉冲计数”的混合方式，或根据速度区间切换计数周期，避免低速段速度值跳变。
二、频率测量：用脉冲间隔反推瞬时速度
频率测量不数“一个周期内来了几个脉冲”，而是测“相邻脉冲之间的时间间隔”。设相邻两个脉冲的时间差为 Δt，则瞬时速度为：
v = Δs / Δt这种方法在高速段精度高，因为高速时 Δt 小、脉冲密集，时间测量分辨率相对更高；但在极低速时 Δt 可能长达数百毫秒，响应变慢。实际车载设备通常把两种方法结合：高速用频率测量保证分辨率，低速用脉冲计数保证连续性，并在切换点做平滑过渡，避免速度曲线出现台阶。
三、滤波：抑制随机抖动与量化噪声
原始速度序列中混有量化噪声、轮轴振动引起的周期性抖动以及电磁干扰造成的毛刺。常用滤波方法有三类：
- 滑动平均滤波：对最近
M个采样值取平均，实现简单、对白噪声有效，但会引入约(M-1)/2个周期的相位滞后，M 越大越平滑、响应越慢。 - 一阶低通滤波：
v_k = α·v_raw + (1-α)·v_{k-1}，α 越小越平滑。α 与截止频率fc、采样周期Tc的关系为α = 1 - exp(-2π·fc·Tc)，可按需要的带宽反算。 - 中值滤波：取最近奇数个采样点的中位数，对孤立尖峰毛刺特别有效，且不会像均值滤波那样把毛刺“摊”到多个点上。
工程上常见的组合是“先中值、后低通”：中值滤波先剔除单点毛刺，低通滤波再压制残余的高频抖动。需要注意，滤波只能改善“看起来的平滑度”，不能修复系统性错误——空转导致的持续偏大速度，滤波是压不下去的，必须靠异常值剔除。
四、异常值剔除：识别空转、滑行与丢脉冲
异常值剔除的核心是建立“可信速度”的参照。常用判据有三条：
- 物理加速度约束：列车纵向加速度受牵引/制动能力限制，正常不超过约 1.0～1.2 m/s²（常用示例值）。若相邻周期速度变化对应的加速度超过阈值
a_max，则该点判为可疑。 - 多传感器一致性：轮轴速度与雷达/多普勒速度比对，偏差超过门限（如 5% 或绝对 2 km/h）时，结合加速度方向判断是空转（轮轴偏大）还是滑行（轮轴偏小）。
- 脉冲连续性：若某周期计数值
ΔN突降为零而此前速度不为零，且持续时间超过阈值，判为丢脉冲或传感器故障。
剔除策略上，不建议直接“删点”，而应采用“保持 + 外推 + 标记”：可疑点用上一可信速度按加速度外推短时保持，同时置“测速降级”标志，供后续定位融合和制动控制降级使用。若异常持续超过设定时间（如 500 ms），则上报故障并切换到备用测速源。
五、一个可复现的处理示例
假设某车载测速单元采样周期 Tc = 20 ms，轮径 0.86 m、每转 200 脉冲，即 Δs ≈ 0.0135 m。某 5 个连续周期的原始计数为 [42, 43, 41, 0, 44]，对应原始速度约为 [28.35, 29.03, 27.68, 0, 29.70] km/h（示例数据，用于说明处理逻辑）。
处理过程：第 4 点计数值突降为零，而前后速度均在 28 km/h 左右，加速度约束判据立即触发，判为丢脉冲异常；中值滤波窗口取 5 点时，该点被中位数替换为 28.35 km/h；随后一阶低通按 α = 0.3 平滑，输出序列约为 [28.35, 28.55, 28.29, 28.31, 28.73] km/h。同时系统置“测速短时降级”标志，若第 5 点恢复正常计数则清除标志，否则在 500 ms 后上报传感器故障。
| 处理环节 | 关键参数（示例） | 作用 | 失效时的典型表现 |
|---|---|---|---|
| 脉冲计数 | Np=200，Tc=20 ms | 低速段位移增量累加 | 低速速度跳变、量化误差大 |
| 频率测量 | 时钟分辨率 1 μs | 高速段瞬时速度 | 极低速响应迟滞 |
| 中值滤波 | 窗口 5 点 | 剔除单点毛刺 | 毛刺进入速度序列 |
| 一阶低通 | α=0.3，fc 按带宽反算 | 压制高频抖动 | 速度曲线抖动、控制抖动 |
| 异常剔除 | a_max=1.2 m/s²，偏差 5%，超时 500 ms | 隔离空转/滑行/丢脉冲 | 错误速度进入定位与制动 |
把这条链路串起来看：脉冲计数和频率测量负责“把转动变成数字”，滤波负责“把数字变干净”，异常值剔除负责“把错误数字挡在外面”。三者顺序不能颠倒——先剔除再滤波，才能避免毛刺被均值“摊”进正常数据；先滤波再剔除，则可能把真实的速度突变误判为异常。实际实现中，异常判据应尽量使用未经低通滤波的原始速度或短窗速度，而输出给控制与定位融合的则是滤波后的可信速度，两者分工明确，才能兼顾灵敏与平稳。