王曉紅 阮久宏 張立東

摘要：根據(jù)軌道交通國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，研制開(kāi)發(fā)出一輛能在軌道實(shí)驗(yàn)線(xiàn)上運(yùn)行的小車(chē)，將無(wú)線(xiàn)Lora技術(shù)應(yīng)用到軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)上面，控制軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)的啟動(dòng)、停止、加速、減速等，開(kāi)發(fā)出了軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)的模擬控制系統(tǒng)，可以使自動(dòng)化、信號(hào)控制專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)一步了解專(zhuān)業(yè)知識(shí)，把課堂中的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中來(lái)，滿(mǎn)足教學(xué)科研和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的需要。

關(guān)鍵詞：軌道實(shí)驗(yàn)線(xiàn)；Lora技術(shù)；模擬控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）47-0232-02

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究意義

軌道交通的飛速發(fā)展對(duì)軌道車(chē)輛技術(shù)的提升有很大的幫助，軌道車(chē)輛成為了人們?nèi)丈钪邢喈?dāng)重要的一部分，并使人們的出行變得十分便利，所以研究軌道車(chē)輛的運(yùn)行控制系統(tǒng)就顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)：地鐵（輕軌）以及電氣化交通的列車(chē)運(yùn)行控制方式近十多年來(lái)得到飛速的發(fā)展，以往列車(chē)運(yùn)行要依靠地面信號(hào)指示，如信號(hào)燈等。前期發(fā)展應(yīng)用多年的模擬ATC控制系統(tǒng)，是基于無(wú)絕緣音頻軌道電路的基礎(chǔ)上形成的。雖然解決了閉塞區(qū)間的車(chē)輛“占有”和空閑問(wèn)題，可以控制后續(xù)列車(chē)的安全進(jìn)入，但這種模擬的ATC方式發(fā)送的信息量太少，不能滿(mǎn)足列車(chē)精細(xì)的運(yùn)行控制。閉塞區(qū)間也不可能分得太小。數(shù)字化ATC系統(tǒng)的研究成功，解決了模擬ATC系統(tǒng)的上述缺項(xiàng)。國(guó)外：歐洲正在開(kāi)發(fā)的EYCS系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)，其基本原理是以無(wú)線(xiàn)方式為主構(gòu)建地面與以車(chē)載為主實(shí)施列車(chē)控制。

考慮到國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，研制出一輛能在軌道實(shí)驗(yàn)線(xiàn)上運(yùn)行的小車(chē)，并且將無(wú)線(xiàn)Lora通信技術(shù)應(yīng)用到軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)上面，控制軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)的啟動(dòng)、停止、加速、減速等，滿(mǎn)足我校新建軌道信號(hào)控制專(zhuān)業(yè)、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的需要，模擬新一代列車(chē)運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于無(wú)線(xiàn)傳輸信息的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)?？珊?jiǎn)單實(shí)現(xiàn)虛擬閉塞或移動(dòng)閉塞。

二、軌道線(xiàn)實(shí)驗(yàn)小車(chē)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軌道車(chē)輛正在向著高性能、高智能、高品質(zhì)的方向發(fā)展。軌道車(chē)輛系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，由于軌道車(chē)輛的運(yùn)行存在很多不確定性干擾因素，可能導(dǎo)致車(chē)輛的運(yùn)行偏離計(jì)劃，從而引起軌道車(chē)輛運(yùn)行的延誤和沖突，擾亂車(chē)輛運(yùn)行秩序，造成通過(guò)能力的損失，增加運(yùn)輸?shù)碾y度。由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性?xún)?yōu)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，適合啟動(dòng)加速等特性，并且具有環(huán)保清潔等特點(diǎn)，所以最終確定出為采用電力驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)作為車(chē)輛的動(dòng)力。

針對(duì)軌道車(chē)輛的使用要求，研究牽引用的直流電機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)讓電機(jī)具有四象限工作的能力，可以大大地提高工作效率，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行輸出動(dòng)力，又能夠作正反轉(zhuǎn)的發(fā)電制動(dòng)能量回饋。

以城市軌道交通車(chē)輛直流電力拖動(dòng)為背景，對(duì)于軌道車(chē)輛需滿(mǎn)足的運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，使其可進(jìn)行四象限運(yùn)行。這樣便于對(duì)軌道車(chē)輛進(jìn)行調(diào)速以及制動(dòng)，提高軌道車(chē)輛整個(gè)系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化水平。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，可使電路中的能量進(jìn)行雙向流動(dòng)，降低了能量損耗，并且節(jié)約了成本。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出軌道車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程可以分為幾個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)、加速、勻速、減速、停車(chē)、換向運(yùn)行。要使得軌道車(chē)輛可在四象限運(yùn)行，就必須對(duì)拖動(dòng)車(chē)輛的直流電機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，這樣電機(jī)的調(diào)速范圍會(huì)變得更寬，而且運(yùn)行的精度和效率都會(huì)得到很大的提高。軌道車(chē)輛在運(yùn)行時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很多的能量，通過(guò)四象限運(yùn)行可以將部分能量回饋到電網(wǎng)上，從而減少能量的損耗。四象限運(yùn)行的過(guò)程：當(dāng)軌道車(chē)輛在電動(dòng)機(jī)的作用下沿著某一方向做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的轉(zhuǎn)速是同一個(gè)方向的，此時(shí)該系統(tǒng)正處于電動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)就將電能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能；當(dāng)速度降低時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向發(fā)生改變并與原來(lái)的方向相反，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)在第二象限內(nèi)，該系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速下降，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能被儲(chǔ)存；當(dāng)軌道車(chē)輛沿著另一方向運(yùn)行時(shí)，情況相同，以此構(gòu)成四象限運(yùn)行狀態(tài)。

主要是采用H橋主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)控制H橋電路中的四個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)，進(jìn)而控制電機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)。這樣電路不需要再外加電路就可以直接實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，并使得整個(gè)系統(tǒng)的控制性、可靠性及自動(dòng)化水平都比較高。

三、軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)控制的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)發(fā)

由于我們的軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)處在室外的軌道線(xiàn)上，室外環(huán)境惡劣，同時(shí)和作為主控室的實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)室有大約1km以上的距離，選擇Lora產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道車(chē)的通信控制，Lora特性：超遠(yuǎn)通訊距離、高抗干擾性、優(yōu)秀的穿墻（繞射）能力、支持低功耗通信模式，喚醒周期可配置、支持無(wú)線(xiàn)或串口升級(jí)固件、支持跳頻、統(tǒng)一區(qū)域內(nèi)多套網(wǎng)絡(luò)可共存。

SX1278Lora模塊，采用Lora調(diào)制技術(shù)，集多年物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研發(fā)，實(shí)測(cè)通信距離>11.5km，完美解決了小數(shù)據(jù)量在復(fù)雜環(huán)境中的超遠(yuǎn)距通信問(wèn)題，為各行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供有力的無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)保障。并且Lora的耗電量也比較少，如果正常使用，理論上最高可以維持十年不需要換電池。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以開(kāi)發(fā)軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)的模擬控制系統(tǒng)，可以將傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳輸?shù)絃ora終端，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信或者無(wú)線(xiàn)控制。將Lora技術(shù)應(yīng)用到軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)上面，可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)接收到軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)來(lái)控制電機(jī)，進(jìn)而控制軌道實(shí)驗(yàn)車(chē)的啟動(dòng)、停止、加速、減速等等。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對(duì)出行的安全性也越來(lái)越重視，作為軌道車(chē)輛安全性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)——制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就顯得尤為重要。模擬實(shí)驗(yàn)車(chē)輛在運(yùn)行的過(guò)程中，運(yùn)行方向以及運(yùn)行速度都會(huì)根據(jù)一些特殊情況發(fā)生改變，所以這時(shí)就必須要求電機(jī)具有四象限運(yùn)行工作的能力，且在各象限之間必須自動(dòng)轉(zhuǎn)換，平穩(wěn)過(guò)渡，才能保證車(chē)輛在運(yùn)行當(dāng)中平穩(wěn)。

四、教學(xué)開(kāi)發(fā)研究的創(chuàng)新點(diǎn)和預(yù)期效果

基于工程教育的理念，應(yīng)用型人才培養(yǎng)應(yīng)從人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力與增強(qiáng)職業(yè)素質(zhì)為主線(xiàn)，構(gòu)建與培養(yǎng)目標(biāo)要求的知識(shí)、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合的理論教學(xué)體系。

我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究就是要開(kāi)發(fā)出適合調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，模擬在軌道線(xiàn)上運(yùn)行的小車(chē)，以一輛小車(chē)來(lái)模擬一列火車(chē)。通過(guò)控制該軌道信號(hào)車(chē)輛和開(kāi)發(fā)相關(guān)的試驗(yàn)項(xiàng)目，可以使自動(dòng)化、信號(hào)控制專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)一步了解專(zhuān)業(yè)知識(shí)，把課堂中的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中來(lái)，也可以幫助年輕教師實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)計(jì)劃。

實(shí)現(xiàn)功能面向和平臺(tái)面向：功能面向指學(xué)生服務(wù)方面滿(mǎn)足如下專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要：（1）認(rèn)知實(shí)習(xí)；（2）鐵路信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備；（3）車(chē)站自動(dòng)控制技術(shù)；（4）區(qū)間控制技術(shù)；（5）列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制技術(shù)；（6）鐵路信號(hào)中的通信技術(shù)。社會(huì)服務(wù)方面可以為高鐵員工進(jìn)行培訓(xùn)，如信號(hào)系統(tǒng)故障模擬培訓(xùn)（軌道電路分路不良等）。

平臺(tái)面向：實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)計(jì)劃，為專(zhuān)業(yè)教師提供了科研平臺(tái)，為研究生提供了訓(xùn)練摸索的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本教學(xué)開(kāi)發(fā)研究的創(chuàng)新點(diǎn)是為了進(jìn)行成果導(dǎo)向課程設(shè)計(jì)，緊密?chē)@學(xué)生能力培養(yǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)環(huán)節(jié)；積極挖掘和充實(shí)專(zhuān)業(yè)課程的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育資源，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，根據(jù)軌道交通各專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，構(gòu)建科學(xué)合理的課程體系，重視課程內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)銜接。

軌道線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)小車(chē)研制與教學(xué)開(kāi)發(fā)就是圍繞“定義預(yù)期學(xué)習(xí)成果——實(shí)現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)成果——評(píng)估學(xué)習(xí)成果”進(jìn)行的，體現(xiàn)一切以學(xué)生為本的教育理念

五、結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)線(xiàn)運(yùn)行速度低、行車(chē)荷載小、使用頻率低，使用過(guò)程中可以加強(qiáng)檢查保養(yǎng)，可以確保使用安全?？梢詾閷W(xué)生完成專(zhuān)業(yè)課提供演示和操作實(shí)驗(yàn)，也可以幫助年輕教師實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)計(jì)劃，為專(zhuān)業(yè)教師提供了科研平臺(tái)，也可以為研究生提供訓(xùn)練摸索的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏長(zhǎng)亮.無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：北京科學(xué)出版社，2009：23-49.

[2]陳伯時(shí)，阮毅.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：96-98.