孫曉光

(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)

隨著我國(guó)軌道交通線(xiàn)路的發(fā)展，中低速磁浮交通憑借其噪音低、轉(zhuǎn)彎半徑小、振動(dòng)小、投資成本低、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，借助2016年開(kāi)通的長(zhǎng)沙中低速磁浮示范線(xiàn)、2017年開(kāi)通的北京中低速磁浮S1線(xiàn)的示范作用，正在逐步走入建設(shè)運(yùn)營(yíng)方的視野，各地正在積極推進(jìn)中低速磁浮交通的落地。本文提出一種適用于中低速磁浮的測(cè)速測(cè)距方案，并基于北京中低速磁浮S1線(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)工程項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證該測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)的可行性及性能指標(biāo)。

1 概述

中低速磁浮交通基于電磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)與軌道無(wú)接觸運(yùn)行，北京磁浮公司、國(guó)防科技大學(xué)、北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)通號(hào)院）聯(lián)合相關(guān)單位對(duì)中低速磁浮交通技術(shù)工程化進(jìn)行研發(fā)，在唐山建成中低速磁浮交通示范線(xiàn)路，通號(hào)院負(fù)責(zé)該示范線(xiàn)路的列車(chē)控制系統(tǒng)[1]。

與傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)相比，中低速磁浮交通具有列車(chē)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)輪、列車(chē)無(wú)空轉(zhuǎn)/打滑、安裝空間小等特點(diǎn)，對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)要求高、影響大。為了適應(yīng)中低速磁浮交通系統(tǒng)，本文通過(guò)差置的渦流傳感器組進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)速測(cè)距、通過(guò)加速度傳感器在渦流傳感器測(cè)量基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)速測(cè)距精度、通過(guò)交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)進(jìn)行列車(chē)位置建立、走行距離校正[2，3]。

2 測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磁浮列車(chē)測(cè)速測(cè)距設(shè)備的測(cè)速測(cè)距原理與傳統(tǒng)列車(chē)的測(cè)速測(cè)距原理不同，是一種全新的測(cè)速測(cè)距方法。在應(yīng)用到車(chē)載列控系統(tǒng)時(shí)，需解決安全性、抗干擾性、冗余性和測(cè)速測(cè)距精度的問(wèn)題。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)電磁傳感器組、加速度傳感器、交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)數(shù)據(jù)、交叉點(diǎn)融合計(jì)算測(cè)速測(cè)距信息，測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of speed and distance measurement system

測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)采集車(chē)輛上差置的電磁傳感器組的脈沖信號(hào)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖一致性對(duì)比，檢測(cè)可能的接口故障，并實(shí)施故障導(dǎo)向安全措施。同時(shí)測(cè)速單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器電源狀態(tài)，針對(duì)可能的電源故障采取故障-安全措施。

測(cè)速測(cè)距單元通過(guò)RS-422接口獲取加速度傳感器，獲取列車(chē)加速度信息。測(cè)速測(cè)距單元在電磁傳感器測(cè)速的基礎(chǔ)上，使用加速度信息進(jìn)一步平滑運(yùn)行速度、運(yùn)行距離。

測(cè)速測(cè)距單元根據(jù)交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)數(shù)據(jù)信息中的環(huán)線(xiàn)標(biāo)志判斷列車(chē)所在位置，通過(guò)兩個(gè)相鄰交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)變化信息判斷列車(chē)運(yùn)行方向。

測(cè)速測(cè)距單元通過(guò)感應(yīng)地面交叉環(huán)線(xiàn)獲得交叉點(diǎn)信息。

測(cè)速測(cè)距單元通過(guò)RS-485以通信的方式和車(chē)載邏輯單元連接，其處理結(jié)果通過(guò)測(cè)速單元內(nèi)部雙CPU的取二運(yùn)算，接口通信協(xié)議符合安全通信相關(guān)要求。車(chē)輛兩端的測(cè)速測(cè)距單元與兩端車(chē)載邏輯單元交叉連接，車(chē)載邏輯單元綜合使用車(chē)輛兩端的測(cè)速測(cè)距單元的測(cè)速測(cè)距信息。

2.2 測(cè)速測(cè)距算法設(shè)計(jì)

測(cè)速測(cè)距單元所使用的傳感器為接近式電磁傳感器，該傳感器在附近有金屬物和無(wú)金屬物輸出不同的電平，測(cè)速單元所用傳感器為車(chē)輛安裝6個(gè)獨(dú)立的磁感應(yīng)傳感器構(gòu)成傳感器組。車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，磁感應(yīng)傳感器依次劃過(guò)金屬軌枕，產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出，測(cè)速單元獲取所有磁感應(yīng)傳感器輸出的脈沖信號(hào)，計(jì)算后得出當(dāng)前車(chē)輛運(yùn)行的速度值。

車(chē)載設(shè)備依靠交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)邊界及固定位置交叉點(diǎn)進(jìn)行列車(chē)定位校正。交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)沿線(xiàn)路布置，向車(chē)載設(shè)備發(fā)送地面信息幀，通過(guò)該信息幀傳遞本環(huán)線(xiàn)的標(biāo)識(shí)號(hào)。車(chē)載設(shè)備通過(guò)檢測(cè)交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)的標(biāo)識(shí)號(hào)變化，獲得列車(chē)經(jīng)過(guò)相鄰交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)邊界的順序及時(shí)刻，計(jì)算列車(chē)當(dāng)前的運(yùn)行方向及位置。

交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)經(jīng)過(guò)固定間隔進(jìn)行交叉，當(dāng)車(chē)載設(shè)備經(jīng)過(guò)交叉感應(yīng)環(huán)線(xiàn)交叉點(diǎn)時(shí)，車(chē)載設(shè)備接收天線(xiàn)檢測(cè)到信號(hào)相位發(fā)生變化，形成交叉點(diǎn)信息。車(chē)載設(shè)備根據(jù)交叉點(diǎn)信息進(jìn)行列車(chē)位置校正。

磁浮列車(chē)的測(cè)速測(cè)距傳感器相比于傳統(tǒng)列車(chē)的測(cè)速傳感器，更容易受到干擾，測(cè)速測(cè)距設(shè)備開(kāi)發(fā)中需解決抗干擾問(wèn)題，在速度脈沖丟失、收到干擾脈沖、脈沖沿抖動(dòng)的情況下，測(cè)速測(cè)距結(jié)果不受大影響。

在測(cè)速測(cè)距算法中，綜合采用以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗干擾。

1）脈寬濾波算法抑制脈沖沿抖動(dòng)造成的隨機(jī)干擾。

2）速度傳感器信號(hào)時(shí)間序檢查篩除干擾脈沖。

3）中值濾波算法篩除異常的脈沖對(duì)。

4）多速度傳感器信號(hào)對(duì)比檢測(cè)干擾。

基于上述測(cè)速傳感器抗擾算法的基礎(chǔ)上，在測(cè)速傳感器測(cè)速模糊區(qū)域，綜合使用加速度傳感器數(shù)據(jù)、加速度預(yù)測(cè)、速度－時(shí)間曲線(xiàn)擬合等方法，對(duì)當(dāng)前速度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，提高測(cè)速測(cè)距精度。

測(cè)速測(cè)距任務(wù)的主要流程如圖2所示。

3 測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)測(cè)試方案

列車(chē)以特定速度依次經(jīng)過(guò)地面進(jìn)行精確測(cè)量的特定距離，通過(guò)計(jì)時(shí)器記錄列車(chē)運(yùn)行該特定區(qū)域的時(shí)間。與車(chē)載設(shè)備輸出的測(cè)速測(cè)距單元距離值、速度值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算測(cè)速測(cè)距精度。為了充分驗(yàn)證，列車(chē)應(yīng)分別以勻速、加速、減速方式通過(guò)起點(diǎn)、終點(diǎn)，同樣場(chǎng)景測(cè)試10次，以偏差值最大記錄作為測(cè)試結(jié)果。

3.2 測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)距精度測(cè)試勻速結(jié)果如表1所示。

圖2 測(cè)速測(cè)距主要流程Fig.2 Main flow of speed and distance measurement

表1 測(cè)距精度勻速測(cè)試結(jié)果Tab.1 Testing results of distance measurement accuracy of trains with uniform speed

測(cè)距精度測(cè)試加減速結(jié)果如表2所示。

測(cè)速精度測(cè)試結(jié)果如表3所示。

綜上所述，車(chē)載測(cè)速測(cè)距單元在勻速、加速及減速過(guò)程中，測(cè)速測(cè)距誤差均小于1.5%。

表2 測(cè)距精度加速、減速測(cè)試結(jié)果Tab.2 Testing results of distance measurement accuracy of trains speeding up and down

表3 測(cè)速精度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Testing results of speed measurement accuracy

4 結(jié)論與展望

中低速磁浮交通因具備投資成本低、運(yùn)行噪音小、維護(hù)要求低等特點(diǎn)，成為城市軌道交通領(lǐng)域的熱點(diǎn)發(fā)展方向。本文描述了一種適用于中低速磁浮的測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用的北京地鐵S1線(xiàn)已于2017年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。