高速列車安全運(yùn)行電磁控制系統(tǒng)的研究*

姚永利，陳光武，苗亮亮

(蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

鐵路自提速以來，保證列車運(yùn)行安全成為我國鐵路發(fā)展的主要目標(biāo)，也是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。研究表明，在鐵路線路方面，影響列車安全運(yùn)行的主要因素是彎道上的曲線通過能力和線路上的軌道平順性。彎道上運(yùn)行的列車會受到離心力的作用，當(dāng)速度達(dá)到一定值時有可能導(dǎo)致列車脫軌，照成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失［1］。軌道平順性是影響列車運(yùn)行速度的主要因素，若軌道的平順狀態(tài)不良，則由它激起的輪軌作用力和列車振動就會隨著車速的提高而急劇增大，甚至導(dǎo)致列車脫軌、掉道、傾覆等，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性［2－3］。保障高速列車運(yùn)行安全性不僅要克服列車提速后帶來的一系列問題，還要考慮惡劣環(huán)境或各種突發(fā)狀況對列車運(yùn)行的影響。目前現(xiàn)有的解決辦法主要是從2個方面入手:一是從系統(tǒng)輸入入手，采用更高標(biāo)準(zhǔn)的鐵路線路，提高列車運(yùn)行狀況來滿足系統(tǒng)要求，如鋪設(shè)整體道床，采用高平順軌面，增大曲線半徑等;二是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，使其滿足不同工況，不同速度等級下列車的運(yùn)行，如目前采用的機(jī)車車輛懸掛系統(tǒng)或外軌超高等。但這些措施仍存在一些問題，如整體道床可能出現(xiàn)翻漿冒泥或?qū)е戮€路變形的情況;外軌超高可能造成貨物傾瀉或乘車人員的不舒適感，甚至導(dǎo)致列車脫軌等［4］。最新研制并已投入運(yùn)營的擺式系統(tǒng)采用主動控制方式，有效地提高了列車的曲線通過速度，但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，并未得到廣泛應(yīng)用。目前證實(shí)的磁軌制動和軌道渦流制動系統(tǒng)可以對高速列車采取有效制動，但它對沿線軌道線路狀況的要求比較高。電磁安全控制系統(tǒng)就是基于上述考慮，綜合列車運(yùn)行過程中涉及的各種狀況，包括列車速度、線路狀況、曲線半徑、外軌超高、軌道不平順、外界環(huán)境干擾、列車自身結(jié)構(gòu)特性等［5］，綜合優(yōu)化得出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。用以提高列車運(yùn)行速度，縮短運(yùn)行時間，保障運(yùn)行安全為目的，從鐵路所面臨的實(shí)際問題出發(fā)，為列車提供安全、可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。

1 總體設(shè)計(jì)方案

列車與線路間的聯(lián)系是通過輪軌間相互作用力來實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示，左右輪軌間受力不均勻是影響列車安全運(yùn)行的直接原因。本論文就是從輪軌間的受力關(guān)系著手，通過對輪軌間作用力的控制，使同一轉(zhuǎn)向架上的左右兩輪軌間受力趨于平衡，來實(shí)現(xiàn)列車在彎道、軌道不平順以及自然環(huán)境惡劣情況下的安全高效運(yùn)行。

圖1 輪對與軌面間的受力關(guān)系圖Fig.1 Diagram of wheels on the rail surface force

電磁安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是在車體特定位置安裝電磁模塊，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行過程中輪軌間受力趨于平衡的安全控制。本方案充分考慮鐵路線路狀況、車體固有屬性、惡劣環(huán)境因素等，從安全性、高效性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮，設(shè)計(jì)電磁控制系統(tǒng)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Whole structure of system

本系統(tǒng)的基本原理就是當(dāng)列車運(yùn)行在特定區(qū)段時，電磁安全控制系統(tǒng)根據(jù)各類傳感器實(shí)時采集列車的狀態(tài)信息和線路信息，并且通過車載設(shè)備接收到應(yīng)答器、軌道電路或RBC傳來的信息［6］，得到當(dāng)前運(yùn)行狀況或預(yù)測前方路況。核心控制單元判斷需要進(jìn)行調(diào)整時，控制電磁模塊產(chǎn)生不同的控制力，作用于鋼軌，使左右輪軌間的受力關(guān)系趨于平衡，實(shí)現(xiàn)列車安全平穩(wěn)運(yùn)行。整個系統(tǒng)是一個閉環(huán)主動控制系統(tǒng)。當(dāng)列車經(jīng)過道岔區(qū)段時，通過車載設(shè)備的指令來和自身的保護(hù)裝置來控制電磁模塊的自動收縮，以保護(hù)電磁模塊。

本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，完成系統(tǒng)的實(shí)時調(diào)節(jié)。根據(jù)核心控制層傳來的控制命令，驅(qū)動電磁制動器，同時根據(jù)采集部分測得電磁系統(tǒng)的實(shí)際作用力來判斷電磁制動器的執(zhí)行情況，并將測得控制力進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，使實(shí)際作用力盡可能滿足系統(tǒng)要求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

電磁安全控制系統(tǒng)主要由中央處理單元、信息采集單元、控制執(zhí)行單元、設(shè)備驅(qū)動單元和外圍器件等組成。系統(tǒng)通過信息采集模塊傳來的線路狀況信息或是由車載設(shè)備傳來的控制信息，經(jīng)過中央處理單元控制執(zhí)行單元對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行的安全控制。并將相關(guān)信息進(jìn)行記錄或傳送到車載系統(tǒng)。列車在運(yùn)行過程中，中央處理單元將車載設(shè)備傳來的控制命令和信息采集單元傳來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，輸出控制信息到執(zhí)行單元，驅(qū)動電磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行的控制調(diào)整。

電磁安全控制系統(tǒng)按執(zhí)行方式劃分，可分為3層結(jié)構(gòu):信息交互層、核心控制層和驅(qū)動采集層，如圖3所示。其中核心控制層是電磁控制系統(tǒng)的核心層，控制整個系統(tǒng)的運(yùn)作。

圖3 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hierarchy structure of system

2.1 信息交互層

信息交互層主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和設(shè)備通信，由通信接口、人機(jī)界面、記錄設(shè)備和報警裝置等組成。

(1)通信接口主要實(shí)現(xiàn)與車載設(shè)備的信息交互。它不僅可以接收車載設(shè)備傳來的控制命令，而且可以將控制執(zhí)行情況傳送到車載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息雙向傳輸。通信接口傳輸?shù)男畔⒅饕?運(yùn)行速度、線路狀態(tài)、外間環(huán)境、報警記錄、設(shè)備啟/停用、緊急制動等。

(2)人機(jī)界面主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。它完成相關(guān)信息的人工輸入和顯示輸出。人工輸入主要是對系統(tǒng)控制范圍上、下限值的參數(shù)設(shè)定和對控制、執(zhí)行、操作等命令的輸入或修改等?？刂戚敵鲋饕菍v史信息的查詢，重要信息的確認(rèn)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的在線查看和現(xiàn)場狀況的實(shí)時顯示等。

(3)報警裝置實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障、操作錯誤、通信中斷、線路破壞等情況的報警，以及當(dāng)環(huán)境的惡劣程度超出系統(tǒng)控制范圍或控制力超過系統(tǒng)最大額定值時，危及行車安全情況的報警。

(4)記錄裝置對涉及行車安全的敏感信息進(jìn)行記錄，包括采集信息、故障信息、操作信息、執(zhí)行信息和報警信息等。便于日后的性能分析、故障診斷和打印存檔等。

2.2 核心控制層

電磁控制系統(tǒng)中的信息處理、安全控制、算法實(shí)現(xiàn)、輸入輸出控制等都是在核心控制層實(shí)現(xiàn)的。核心控制層對信息采集單元傳來的各類信息(包括列車運(yùn)行情況、線路平順狀況、設(shè)備工作情況和現(xiàn)場環(huán)境狀況等)進(jìn)行解析，得出它們對列車運(yùn)行的影響(當(dāng)前時刻和未來幾個時刻內(nèi)的影響)，判斷是否需要采取應(yīng)對措施。對需要做出調(diào)整的情況，經(jīng)過分析處理，得出控制力的大小、方向和作用時間等，將這些控制信息傳送到驅(qū)動采集單元動作電磁系統(tǒng)。同時接受驅(qū)動采集單元傳來的控制反饋信息，實(shí)現(xiàn)電磁控制系統(tǒng)的實(shí)時閉環(huán)控制。

核心控制層中央處理器也可直接接收車載設(shè)備傳來的控制命令，驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制，或通過和車載設(shè)備的通信，輔助電磁系統(tǒng)的控制執(zhí)行(例如參數(shù)設(shè)置、信息校核、命令修改等)。中央處理單元還對系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如果檢測到某個設(shè)備故障，立即采取應(yīng)對措施。

此外，本系統(tǒng)還接收到車載設(shè)備傳來的道岔信息。若前方為道岔區(qū)段，則應(yīng)控制驅(qū)采模塊，將電磁制動器提起，以防止列車通過道岔對電磁系統(tǒng)造成的物理破壞。當(dāng)列車通過道岔區(qū)段時，再將電磁系統(tǒng)恢復(fù)到原來位置。

2.3 驅(qū)動采集層

驅(qū)動采集層主要由信息采集和設(shè)備執(zhí)行兩部分構(gòu)成。

(1)信息采集部分包括加速度、風(fēng)壓、重力和軌距測定模塊，實(shí)現(xiàn)對列車重力、所受離心力、風(fēng)力、輪對所受橫向力、縱向力、輪軌間橫移量和軌距等的測定。

加速度測定模塊主要是對橫向和垂向加速度(這些加速度主要是由于列車曲線通過、蛇形運(yùn)動，或線路坡度、軌道不平順、地震等產(chǎn)生的)進(jìn)行測定，得到輪對所受橫向力和垂向力，以此來測定列車運(yùn)行狀況。

風(fēng)力測定模塊用于測量列車運(yùn)行過程中所受風(fēng)壓的大小和方向，本系統(tǒng)將一定速度下列車所受的側(cè)風(fēng)風(fēng)力劃分為4個等級進(jìn)行控制，如表1所示。

表1 側(cè)風(fēng)影響等級表Table 1 Scale of the impact of the crosswind

測距模塊完成鋼軌軌距和輪軌橫移量的測定，軌距變化通常是由軌道不平順引起的，輪軌橫移量通常是由蛇形運(yùn)動產(chǎn)生的，對這些數(shù)據(jù)量的測定都是通過輪對中心線距兩鋼軌間距離的變化來進(jìn)行測定的。

(2)設(shè)備執(zhí)行部分包括電磁系統(tǒng)、電磁作用力測定模塊、冷卻裝置組成。冷卻裝置由溫度監(jiān)測設(shè)備和冷卻設(shè)備組成，通過對電磁系統(tǒng)溫度的監(jiān)測，降低電磁制動器的溫度。

由于本系統(tǒng)安裝在列車上，所以，測得數(shù)據(jù)比軌檢車測得數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

3 設(shè)備安裝及試驗(yàn)

3.1 設(shè)備安裝

電磁安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活、安裝方便，理論上只要滿足車體整體輪廓不超過規(guī)定限界，安裝位置可有多種選擇［7］。而本設(shè)計(jì)依據(jù)轉(zhuǎn)向架的位置，將電磁安全控制系統(tǒng)安裝在輪軌系統(tǒng)中，便于信息的采集傳遞和輪軌力的控制。也可根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)整，或是和其他車載設(shè)備進(jìn)行集成，作為車載系統(tǒng)的子模塊，除保留與車載設(shè)備的通信接口外，將人機(jī)交互層其他設(shè)備通過車載系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行替換。

本設(shè)計(jì)中的電磁制動器由多套電磁鐵組成。每根鋼軌上方對應(yīng)位置安裝2組電磁鐵，一組設(shè)置于鋼軌軌面上端的橫向電磁鐵，用于產(chǎn)生縱向磁力;另一組設(shè)置于鋼軌軌頭外側(cè)的縱向電磁鐵，用于產(chǎn)生橫向磁力。對控制力的測定通過壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。每塊電磁鐵對應(yīng)1個壓力傳感器。電磁控制系統(tǒng)工作時，電磁系統(tǒng)中的多套電磁鐵同時動作，共同作用于鋼軌。在本設(shè)計(jì)中，考慮鋼軌軌頭為(70±0.5)mm，輪對為135 mm，踏面為 85 mm左右，電磁系統(tǒng)的安裝位置最好在輪軌前端，且每套電磁系統(tǒng)都包含多組電磁鐵，這樣設(shè)置便于系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)，電磁系統(tǒng)的設(shè)置情況如圖4和圖5所示。本系統(tǒng)中加速度傳感器在水平方向和垂直方向分別設(shè)置，壓力傳感器安裝在車體兩側(cè)，軌距傳感器安裝在車體底部。

圖4 電磁系統(tǒng)側(cè)視圖Fig.4 Side view of the electromagnetic system

圖5 電磁系統(tǒng)正視圖Fig.5 Front view of the electromagnetic system

當(dāng)安裝有電磁控制系統(tǒng)的列車通過道岔時，由于道岔區(qū)段特殊結(jié)構(gòu)，會碰撞到電磁制動器。因此，在道岔區(qū)段，需要將電磁制動器提起來，確保列車順利通過道岔區(qū)段。

電磁控制在每一車輛內(nèi)分別設(shè)置。根據(jù)列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)標(biāo)準(zhǔn)，同一電磁控制系統(tǒng)中不同設(shè)備的連接采用多功能車輛總線(MVB)，實(shí)現(xiàn)控制單元和采集、執(zhí)行單元的互聯(lián);不同車輛間電磁控制系統(tǒng)的連接則采用絞線式列車總線(WTB)，實(shí)現(xiàn)車輛之間的串聯(lián)數(shù)據(jù)通信［8］。

3.2 試驗(yàn)平臺

由于條件所限，并不能在實(shí)際的列車上進(jìn)行試驗(yàn)，因此，設(shè)計(jì)了一套動態(tài)模擬系統(tǒng)。首先通過模擬平臺模擬彎道、側(cè)風(fēng)、軌道不平順等情況，然后利用裝有的電磁控制系統(tǒng)的模擬小車(如圖6所示)，在模擬平臺上進(jìn)行試驗(yàn)。

圖6 電磁安全控制系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of the simulation system electromagnetic safety control system

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 曲線通過能力的模擬

提高曲線上行駛列車的安全性和運(yùn)行速度是本設(shè)計(jì)的核心功能。在模擬平臺上，利用調(diào)節(jié)器將電動機(jī)調(diào)節(jié)到不同的轉(zhuǎn)速，通過旋轉(zhuǎn)軸，使旋轉(zhuǎn)平臺開始轉(zhuǎn)動。

(1)未啟用電磁控制系統(tǒng)時，當(dāng)速度為0.967 m/s時，所產(chǎn)生的離心力F離為:

離心加速度a離為:

模擬小車的脫軌系數(shù)Q/P為:

其中:v為列車運(yùn)行速度;m為列車質(zhì)量;r為曲線半徑;Q為車輪所受的橫向力;P為車輪所受的垂向力。

(2)啟用電磁控制系統(tǒng)時，當(dāng)速度為0.961 m/s時，所產(chǎn)生的離心力為2.367 N，離心加速度為1.924 m/s2，左側(cè)電磁鐵的橫向力為2.49 N。車輪所受的橫向力為離心力與電磁控制系統(tǒng)所產(chǎn)生磁力的合力，由于這2個力方向相反，大小基本趨于相等，因此，Q與P的比值趨于0。理論值基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

由上述結(jié)果可知:電磁控制系統(tǒng)提高了列車通過彎道時安全性。同時，也可以說明當(dāng)在安全性不變的前提下，列車能以更高速度通過彎道。

4.2 減小側(cè)風(fēng)影響的模擬

(1)未啟用電磁控制系統(tǒng)時，當(dāng)模擬平臺的速度為0.881 m/s時，所產(chǎn)生的離心力為1.989 N，離心加速度為 1.617 m/s2，側(cè)向的模擬風(fēng)力為1.26 N。

模擬小車的脫軌系數(shù)Q/P為:

由于風(fēng)力與離心力共同作用，使本次試驗(yàn)比未啟用電磁控制系統(tǒng)時的脫軌系數(shù)有所增大。

(2)啟用電磁控制系統(tǒng)時，當(dāng)模擬平臺的旋轉(zhuǎn)速度為0.871 m/s時，所產(chǎn)生的離心力為1.944 N，離心加速度為1.581 m/s2，左側(cè)向的模擬風(fēng)力為1.25 N，左側(cè)電磁鐵輸出的橫向力為3.22 N，垂向力為 0.16 N。

由上述結(jié)果可知:電磁控制系統(tǒng)明顯減小了側(cè)風(fēng)對行車安全的影響。

試驗(yàn)證明:在模擬列車通過彎道時，電磁控制系統(tǒng)的作用比較明顯。當(dāng)有側(cè)風(fēng)的情況下，電磁控制系統(tǒng)使列車更加安全平穩(wěn)運(yùn)行。綜上可知:列車電磁控制系統(tǒng)可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高列車通過彎道時的速度，在平直軌道上提高列車的舒適性，同時可以大幅提高列車的安全性［9］。但具體能提高多少，需綜合考慮其安全性、可靠性和舒適性等指標(biāo)和現(xiàn)場試驗(yàn)才能得出準(zhǔn)確結(jié)果。

5 結(jié)論與展望

電磁控制系統(tǒng)是提高運(yùn)行效率、保障行車安全的人工智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)安全高效，操作簡便，能有效地提高列車曲線通過能力，同時減小軌道不平順、側(cè)風(fēng)和地震等各種不利因素對列車運(yùn)行安全的影響，有效降低了列車脫軌、傾覆、線路破壞變形等的危險情況。在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，它既可以作為一個封閉系統(tǒng)單獨(dú)使用，通過和車載設(shè)備的通信，控制列車安全高效運(yùn)行;也可以嵌入到車載系統(tǒng)中，作為其中的一個子模塊使用。在實(shí)際運(yùn)用中可采用雙機(jī)熱備、二乘二取二或三取二冗余設(shè)置，保障系統(tǒng)更高的安全性和可靠性［10］。鑒于本系統(tǒng)涉及的內(nèi)容比較復(fù)雜，未能在實(shí)際的鐵路系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，僅能通過動態(tài)模擬試驗(yàn)證明系統(tǒng)的可行性和先進(jìn)性，為進(jìn)一步深入研究和實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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