陳玉泉
目前,我國(guó)高鐵建設(shè)已經(jīng)取得巨大成就,中低速磁浮交通已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,高速磁浮正在積極推進(jìn)中,磁浮交通已經(jīng)成為我國(guó)未來(lái)軌道交通的發(fā)展方向之一。我國(guó)于2018年正式啟動(dòng)超高速磁浮技術(shù)發(fā)展研究項(xiàng)目,開(kāi)始探索1 000 km/h以上速度范圍的超高速磁浮交通技術(shù)發(fā)展路線。本文結(jié)合我國(guó)超高速磁浮技術(shù)發(fā)展研究課題,對(duì)最高運(yùn)行速度1 000~1 200 km/h的超高速磁浮列車運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和展望。
課題組通過(guò)一系列調(diào)查和研究,將高溫超導(dǎo)真空管道方案作為超高速磁浮交通技術(shù)發(fā)展方向,該方案主要具有以下特點(diǎn):
(1)超高速磁浮懸浮與導(dǎo)向采用超導(dǎo)永磁釘扎斥力懸浮技術(shù),也可采用閉合線圈電動(dòng)斥力懸浮技術(shù)。列車在運(yùn)行過(guò)程中懸浮于軌道上方,與軌道不產(chǎn)生任何接觸。
(2)超高速磁浮驅(qū)動(dòng)方式可采用空芯長(zhǎng)定子單邊或雙邊永磁或超導(dǎo)同步直線電機(jī)、鐵心長(zhǎng)定子單邊雙邊異步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
(3)超高速磁浮采用高溫超導(dǎo)真空管道,列車在真空管道中運(yùn)行。
(4)超高速磁浮列車最高運(yùn)行速度可達(dá)1 000~1 200 km/h。
(5)超高速磁浮列車沒(méi)有動(dòng)力,由地面牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推動(dòng)列車運(yùn)行;每個(gè)供電分區(qū)只能運(yùn)行一列車。
(1)應(yīng)遵循故障-安全原則。
(2)應(yīng)滿足最高運(yùn)行速度1 000~1 200 km/h的需求。
(3)自動(dòng)化等級(jí)(GOA)不宜低于GOA3級(jí)。
(4)應(yīng)滿足在真空管道內(nèi)運(yùn)行的需求。
(5)應(yīng)按供電分區(qū)設(shè)置分區(qū)控制系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)相鄰分區(qū)控制自動(dòng)無(wú)縫切換。
(6)應(yīng)通過(guò)與牽引和懸浮控制系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)列車牽引和制動(dòng)控制。
(7)應(yīng)具備可靠的測(cè)速定位手段,基于準(zhǔn)確的測(cè)速定位監(jiān)控列車安全運(yùn)行。
(8)應(yīng)具備冒進(jìn)防護(hù)功能。
(9)應(yīng)具備進(jìn)站、出站、折返聯(lián)鎖控制功能。
(10)應(yīng)保證相鄰列車間足夠的安全追蹤間隔。
(11)應(yīng)具備精確停車功能,并實(shí)現(xiàn)車門與站臺(tái)門精確對(duì)位,保證乘客上下車的安全和舒適。
(12)應(yīng)具備車-地雙線通信功能。
(13)應(yīng)具備對(duì)列車狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。
超高速磁浮列車運(yùn)行控制與傳統(tǒng)輪軌列車運(yùn)行控制系統(tǒng)有所不同,主要體現(xiàn)在:(1)列車無(wú)動(dòng)力,牽引和制動(dòng)均由地面系統(tǒng)完成;(2)列車運(yùn)行速度為超高速,對(duì)車-地通信的傳輸速率和可靠性要求較高;(3)超高速列車的加速和制動(dòng)距離較長(zhǎng),適合超長(zhǎng)的站間距和追蹤間隔;(4)超高速條件下,列車控制應(yīng)具備更高的安全性、可靠性和自動(dòng)化程度;(5)列車在真空管道內(nèi)運(yùn)行,列車控制系統(tǒng)應(yīng)考慮軌旁設(shè)備的安裝條件以及與管道隔離系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。
基于超高速磁浮的特點(diǎn),提出以下由傳統(tǒng)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)向列車自主運(yùn)行控制方向發(fā)展的不同思路:將列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的重心放在地面設(shè)備上,全面提高地面系統(tǒng)的安全性和可靠性,車載系統(tǒng)主要完成列車完整性檢查和狀態(tài)監(jiān)控,并精簡(jiǎn)車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的信息傳輸。主要理由有:
(1)列車的牽引和制動(dòng)均由地面系統(tǒng)完成,雖然可以通過(guò)車-地通信的方式實(shí)現(xiàn)由車載系統(tǒng)向地面系統(tǒng)輸出控制指令實(shí)現(xiàn)列車自主運(yùn)行控制,但是,超高速運(yùn)行列車的車-地通信信息量增大,對(duì)無(wú)線通信的可靠性和安全性要求更高,暫時(shí)尚無(wú)可靠的手段予以保證;盡管未來(lái)通信技術(shù)發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo),但精簡(jiǎn)車-地通信信息量能更好地完成車-地信息傳輸。
(2)實(shí)現(xiàn)列車自主運(yùn)行控制其中的一個(gè)目的是為了減少地面信號(hào)設(shè)備尤其是軌旁設(shè)備,而超高速磁浮列車是以供電分區(qū)作為閉塞分區(qū),且運(yùn)行時(shí)與地面系統(tǒng)未發(fā)生物理接觸,以地面系統(tǒng)為控制重心并不代表需要大量增加地面設(shè)備,而只是將控制的核心功能由地面設(shè)備來(lái)完成。
(3)列車懸浮控制、牽引控制和制動(dòng)控制也是列車運(yùn)行控制的關(guān)鍵,需要對(duì)上述控制系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將相關(guān)信息傳送至列車運(yùn)行控制系統(tǒng)核心設(shè)備。若控制核心在列車上,車-地雙向通信數(shù)據(jù)量將較傳統(tǒng)方式大大增加,對(duì)車-地通信的帶寬、速率、時(shí)延、誤碼率的要求也會(huì)提高,并進(jìn)一步加大車-地通信功能實(shí)現(xiàn)的難度。
超高速磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)可分為中心控制系統(tǒng)、分區(qū)控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)三部分,如圖1所示。
圖1 超高速磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)架構(gòu)
中央控制系統(tǒng)位于運(yùn)營(yíng)控制中心,負(fù)責(zé)全線超高速磁浮列車自動(dòng)或人工的運(yùn)行控制、調(diào)度管理與監(jiān)控。與傳統(tǒng)方式的不同點(diǎn)在于超高速磁浮中央控制系統(tǒng)是一個(gè)安全系統(tǒng),安全等級(jí)與分區(qū)控制系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)一致,均應(yīng)采用高可靠、高速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)平臺(tái),并滿足SIL4級(jí)要求。
根據(jù)供電分區(qū)的設(shè)置情況,分區(qū)控制系統(tǒng)通過(guò)有線骨干網(wǎng)與中央控制系統(tǒng)和相鄰的分區(qū)控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),接收并執(zhí)行來(lái)自中央控制系統(tǒng)的命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔和牽引制動(dòng)系統(tǒng)等軌旁執(zhí)行設(shè)備的控制、對(duì)本分區(qū)內(nèi)列車進(jìn)行控制和管理、向中央控制系統(tǒng)和相鄰分區(qū)控制系統(tǒng)報(bào)告本分區(qū)管內(nèi)設(shè)備狀態(tài)等。
超高速磁浮列車兩端均設(shè)置一套車載控制系統(tǒng)設(shè)備,每套車載控制系統(tǒng)設(shè)備均能單獨(dú)與車-地通信系統(tǒng)聯(lián)系,形成相對(duì)獨(dú)立的雙套熱備系統(tǒng)。車載控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)磁浮列車狀態(tài)的信息獲取和控制,向地面分區(qū)控制系統(tǒng)報(bào)告列車狀態(tài)信息,并與分區(qū)控制系統(tǒng)配合,共同控制列車安全運(yùn)行。
列車測(cè)速定位技術(shù)是列車運(yùn)行控制的關(guān)鍵技術(shù)之一,列車測(cè)速定位的精度和可靠性對(duì)列車安全防護(hù)至關(guān)重要,其將影響列車的運(yùn)行追蹤間隔和運(yùn)營(yíng)效率。
傳統(tǒng)輪軌列車典型的測(cè)速定位方式是采用車輪測(cè)速傳感器測(cè)速,并通過(guò)絕對(duì)定位技術(shù)對(duì)其進(jìn)行校正。在磁浮交通系統(tǒng)中,由于磁浮列車與軌道完全無(wú)接觸,不需要設(shè)置車輪,因而無(wú)法采用車輪測(cè)速手段。超高速磁浮列車定位測(cè)速應(yīng)根據(jù)磁浮特點(diǎn)和速度等級(jí)選擇可行的測(cè)速定位技術(shù)甚至研究新型的測(cè)速定位技術(shù)。
3.1.1 已應(yīng)用并可適應(yīng)磁浮列車的測(cè)速定位技術(shù)
目前已應(yīng)用并可適應(yīng)磁浮列車的主要測(cè)速定位技術(shù)有:
(1)基于感應(yīng)環(huán)線的測(cè)速定位技術(shù)?;诟袘?yīng)環(huán)線的測(cè)速定位目前在日本名古屋和山梨試驗(yàn)線應(yīng)用,通過(guò)在軌道上鋪設(shè)感應(yīng)環(huán)線,并在車底安裝感應(yīng)線圈,利用地面感應(yīng)環(huán)線和車上感應(yīng)線圈之間的電磁感應(yīng)原理計(jì)算列車的相對(duì)位移,從而實(shí)現(xiàn)列車測(cè)速和定位?;诟袘?yīng)環(huán)線的測(cè)速定位方法可通過(guò)冗余設(shè)置感應(yīng)線圈提高可靠性和抗干擾能力,但是軌旁設(shè)備較多,并且在道岔區(qū)域還需進(jìn)行特殊處理,工程造價(jià)和維護(hù)工作量均較高。最關(guān)鍵的問(wèn)題是基于感應(yīng)環(huán)線的測(cè)速定位方法能否支持1 000 km/h以上的超高速運(yùn)行仍存在不確定性。
(2)基于長(zhǎng)定子齒槽檢測(cè)的測(cè)速定位技術(shù)。上海磁懸浮示范線應(yīng)用了基于長(zhǎng)定子齒槽檢測(cè)的測(cè)速和相對(duì)定位方法,并采用固定應(yīng)答器的絕對(duì)定位方法進(jìn)行校正。該方案基于列車采用長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)作為牽引驅(qū)動(dòng),列車上設(shè)置有固定頻率的激勵(lì)信號(hào)源和諧振電路驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)線圈,當(dāng)感應(yīng)線圈在齒槽上方移動(dòng)時(shí),由于齒槽結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致磁路發(fā)生變化,通過(guò)檢測(cè)線圈自身的等效電感的周期性變化可計(jì)算列車單位時(shí)間內(nèi)位移,從而實(shí)現(xiàn)列車的測(cè)速定位?;陂L(zhǎng)定子齒槽檢測(cè)的測(cè)速定位方法具有分辨力高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn);但是只能應(yīng)用于采用長(zhǎng)定子直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁浮系統(tǒng),且能否支持1 000 km/h以上超高速運(yùn)行同樣存在不確定性。
(3)基于計(jì)數(shù)軌枕的測(cè)速定位技術(shù)。長(zhǎng)沙磁浮快線和北京S1線中低速磁浮系統(tǒng)采用基于計(jì)數(shù)軌枕的測(cè)速定位方案。該方案在車底設(shè)置具有固定間距的電渦流接近開(kāi)關(guān)傳感器,對(duì)軌道的金屬軌枕進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)列車以一定的速度行駛時(shí),軌枕觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)傳感器形成一系列脈沖,通過(guò)測(cè)定脈沖頻率即可計(jì)算出列車速度和相對(duì)位移。該方法具有裝置簡(jiǎn)單、造價(jià)低、維護(hù)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)線路上軌枕安裝間距的精度有較高要求。
(4)基于多普勒雷達(dá)的測(cè)速定位技術(shù)。通過(guò)在車底安裝多普勒雷達(dá),向軌道的金屬軌枕發(fā)射電磁波,由于列車與軌枕存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),根據(jù)多普勒頻移效應(yīng),通過(guò)檢測(cè)發(fā)射波和反射波之間的頻移就可以計(jì)算列車的運(yùn)行速度。該技術(shù)方案不需要安裝軌旁設(shè)備,造價(jià)低,維護(hù)簡(jiǎn)單,且由于超高速磁浮在真空管道內(nèi)運(yùn)行,不易受外部條件影響導(dǎo)致誤差。但該方案對(duì)線路上軌枕或軌旁固定設(shè)施安裝間距的精度同樣有較高要求,可以進(jìn)一步研究軌旁具有高安裝精度的設(shè)施作為參照物。
(5)基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測(cè)速定位技術(shù)?;谌?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的定位方法是一種成熟的技術(shù),目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、鐵路、公路等領(lǐng)域。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè),我國(guó)可以在各領(lǐng)域充分利用純自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在定位精度上目前可達(dá)到2.5 m,且通過(guò)設(shè)置差分基站可以精確至厘米級(jí);對(duì)于超高速的適應(yīng)性方面也具有明顯優(yōu)勢(shì);唯一受限的是隧道內(nèi)的信號(hào)覆蓋問(wèn)題。
(6)SAR-INS組合測(cè)速定位技術(shù)。由于超高速磁浮時(shí)速大于1 000 km,因此也可以從速度等級(jí)角度考慮借鑒飛機(jī)的測(cè)速定位技術(shù)。飛機(jī)采用SAR-INS組合測(cè)速定位技術(shù)。合成孔徑雷達(dá)(SAR)為主動(dòng)式微波成像傳感器,可在能見(jiàn)度極低的氣象條件下得到高分辨率雷達(dá)圖像、高精度的觀測(cè)距離信息和多普勒信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)采用陀螺儀和3個(gè)互相垂直的加速度計(jì)測(cè)量速度和位置變化,由于不需要發(fā)送和接收信號(hào),自主性和抗干擾能力都非常強(qiáng)。通過(guò)SAR技術(shù)和INS技術(shù)結(jié)合,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),既能提高測(cè)速定位的精確度,又能增強(qiáng)抗干擾能力。
3.1.2 引用新技術(shù)應(yīng)用于超高速磁浮測(cè)速定位
(1)RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)速定位。通過(guò)在軌旁固定間距處設(shè)置RFID射頻電子標(biāo)簽,列車通過(guò)時(shí)掃描RFID射頻電子標(biāo)簽獲取絕對(duì)位置信息實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位,還可以根據(jù)列車通過(guò)固定間距的時(shí)間計(jì)算列車速度。為提高測(cè)速定位系統(tǒng)的可靠性,可在磁浮軌道兩側(cè)冗余設(shè)置固定間距的RFID射頻電子標(biāo)簽,在車載裝置列車上設(shè)置2套電子標(biāo)簽探測(cè)器,如圖2所示。該技術(shù)的缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)測(cè)速定位,更適合于絕對(duì)定位。
圖2 RFID射頻識(shí)別技術(shù)測(cè)速定位示意圖
(2)采用激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車定位。激光掃描技術(shù)可以快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息,具有快速、無(wú)接觸、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化等特性。掃描速度由最初1 000點(diǎn)/秒發(fā)展到目前的120萬(wàn)點(diǎn)/秒。因此,可通過(guò)在列車上設(shè)置激光掃描設(shè)備,地面設(shè)置便于激光掃描設(shè)備辨認(rèn)且不易誤認(rèn)的設(shè)施,按固定間距設(shè)置,可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位或根據(jù)列車通過(guò)固定間距的時(shí)間計(jì)算列車速度,如圖3所示。在地面設(shè)置激光掃描設(shè)備對(duì)列車進(jìn)行辨認(rèn)在技術(shù)上可行,但是需要設(shè)置大量激光掃描儀,工程造價(jià)較高,因此只考慮在列車上設(shè)置激光掃描儀。
圖3 激光掃描技術(shù)測(cè)速定位示意圖
為提高測(cè)速定位系統(tǒng)的可靠性,可在列車上設(shè)置2套激光掃描儀,通過(guò)冗余結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)進(jìn)行比對(duì),保證測(cè)速定位的準(zhǔn)確性。如果磁浮軌道設(shè)施的尺寸是固定的,也可以直接采用磁浮軌道設(shè)施作為識(shí)別物,以避免在軌道上安裝其他設(shè)施,且更容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)的測(cè)速定位功能。
通過(guò)對(duì)上述測(cè)速定位技術(shù)的分析和展望,并考慮真空管道和國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離運(yùn)輸橋隧比較高的應(yīng)用環(huán)境,在上述多種測(cè)速定位技術(shù)中,目前已在中低速和高速磁浮系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)對(duì)超高速磁浮系統(tǒng)的適應(yīng)性上還有所欠缺,新技術(shù)如RFID射頻識(shí)別技術(shù)和激光掃描技術(shù)目前尚未在軌道交通領(lǐng)域得到應(yīng)用,仍待進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。SARINS組合測(cè)速定位技術(shù)已有多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),技術(shù)相對(duì)較為成熟,缺點(diǎn)在于測(cè)速定位精度不足,需要加以絕對(duì)定位校正。基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)速定位技術(shù)具有很好的運(yùn)用前景,但存在隧道內(nèi)信號(hào)覆蓋問(wèn)題。
在不具備成熟的超高速磁浮測(cè)速定位技術(shù)前提下,對(duì)不同測(cè)速定位方法進(jìn)行結(jié)合,使之優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),顯著提高測(cè)速定位的精度和可靠性,將是未來(lái)重要的研究方向。例如,在非隧道和地上區(qū)段采用衛(wèi)星定位技術(shù)結(jié)合SAR-INS組合測(cè)速定位技術(shù),在隧道和地下區(qū)段采用SAR-INS組合測(cè)速定位技術(shù)并結(jié)合RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位校正。
超高速磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的車-地信息通道涉及行車安全,應(yīng)滿足超高速運(yùn)行、高可靠性、低延時(shí)、低誤碼率等要求。
超高速磁浮車-地通信技術(shù)面臨的最大問(wèn)題是超高速帶來(lái)的多普勒頻移問(wèn)題和頻繁越區(qū)切換問(wèn)題。目前在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用成熟的車-地?zé)o線通信系統(tǒng)支持的最高速度約為400 km/h,需要根據(jù)超高速磁浮運(yùn)行控制的特定需求及真空管道的材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),重點(diǎn)研究對(duì)多普勒頻移不敏感的新型調(diào)制解調(diào)技術(shù)和新的越區(qū)切換算法,以適應(yīng)列車超高速移動(dòng)時(shí)無(wú)線通信系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作。
雖然目前還沒(méi)有成熟可靠的車-地通信技術(shù)能夠滿足超高速磁浮運(yùn)行控制的需求,但隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,5G技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始商用,其未來(lái)發(fā)展可期。當(dāng)前,部分研究人員也提出采用C-RAN和免切換移動(dòng)蜂窩技術(shù)來(lái)滿足超高速磁浮的運(yùn)行控制需求。
超高速磁浮車-地通信技術(shù)的前景是樂(lè)觀的,由于超高速磁浮列車運(yùn)行速度極快,對(duì)信息的實(shí)時(shí)性和誤碼率要求很高,為了增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性,可以通過(guò)優(yōu)化列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的架構(gòu)和功能,簡(jiǎn)化車-地通信的信息量,從而提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
列車懸浮、牽引和制動(dòng)技術(shù)在超高速磁浮列車運(yùn)行控制中同樣起著至關(guān)重要的作用。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)不僅需要通過(guò)與列車懸浮、牽引和制動(dòng)控制系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)和控制,列車懸浮、牽引和制動(dòng)技術(shù)還需要具有與超高速磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)相當(dāng)?shù)目煽啃?、可用性和安全性,才能保證超高速磁浮列車安全、可靠運(yùn)行。
最高運(yùn)行速度1 000~1 200 km/h的超高速磁浮系統(tǒng)目前仍處于戰(zhàn)略研究階段,部分研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)逐步開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)備的研制,并取得了一些成果,但是,超高速磁浮列車運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)目前仍缺乏成熟、可靠的技術(shù)作為支撐。本文僅對(duì)超高速磁浮列車運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)做出一些展望,未來(lái)還有待廣大科研機(jī)構(gòu)共同努力研究,逐步攻克目前存在的瓶頸問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)超高速磁浮列車運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)的突破。