一種適用于中低速磁浮的測速測距系統(tǒng)研究

孫曉光

(1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

隨著我國軌道交通線路的發(fā)展，中低速磁浮交通憑借其噪音低、轉(zhuǎn)彎半徑小、振動小、投資成本低、維護成本低等特點，借助2016年開通的長沙中低速磁浮示范線、2017年開通的北京中低速磁浮S1線的示范作用，正在逐步走入建設(shè)運營方的視野，各地正在積極推進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速測距方案，并基于北京中低速磁浮S1線信號系統(tǒng)工程項目進行現(xiàn)場試驗，驗證該測速測距系統(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)實現(xiàn)列車與軌道無接觸運行，北京磁浮公司、國防科技大學(xué)、北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司（簡稱通號院）聯(lián)合相關(guān)單位對中低速磁浮交通技術(shù)工程化進行研發(fā)，在唐山建成中低速磁浮交通示范線路，通號院負責(zé)該示范線路的列車控制系統(tǒng)[1]。

與傳統(tǒng)信號系統(tǒng)相比，中低速磁浮交通具有列車無轉(zhuǎn)動輪、列車無空轉(zhuǎn)/打滑、安裝空間小等特點，對列車控制系統(tǒng)車載設(shè)備測速測距系統(tǒng)要求高、影響大。為了適應(yīng)中低速磁浮交通系統(tǒng)，本文通過差置的渦流傳感器組進行基礎(chǔ)測速測距、通過加速度傳感器在渦流傳感器測量基礎(chǔ)上進一步加強測速測距精度、通過交叉感應(yīng)環(huán)線進行列車位置建立、走行距離校正[2，3]。

2 測速測距系統(tǒng)設(shè)計

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

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

測速測距系統(tǒng)通過電磁傳感器組、加速度傳感器、交叉感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)、交叉點融合計算測速測距信息，測速測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

測速測距系統(tǒng)采集車輛上差置的電磁傳感器組的脈沖信號，并實時進行脈沖一致性對比，檢測可能的接口故障，并實施故障導(dǎo)向安全措施。同時測速單元實時監(jiān)測傳感器電源狀態(tài)，針對可能的電源故障采取故障-安全措施。

測速測距單元通過RS-422接口獲取加速度傳感器，獲取列車加速度信息。測速測距單元在電磁傳感器測速的基礎(chǔ)上，使用加速度信息進一步平滑運行速度、運行距離。

測速測距單元根據(jù)交叉感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)信息中的環(huán)線標(biāo)志判斷列車所在位置，通過兩個相鄰交叉感應(yīng)環(huán)線變化信息判斷列車運行方向。

測速測距單元通過感應(yīng)地面交叉環(huán)線獲得交叉點信息。

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

2.2 測速測距算法設(shè)計

測速測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金屬物輸出不同的電平，測速單元所用傳感器為車輛安裝6個獨立的磁感應(yīng)傳感器構(gòu)成傳感器組。車輛運行過程中，磁感應(yīng)傳感器依次劃過金屬軌枕，產(chǎn)生脈沖信號輸出，測速單元獲取所有磁感應(yīng)傳感器輸出的脈沖信號，計算后得出當(dāng)前車輛運行的速度值。

車載設(shè)備依靠交叉感應(yīng)環(huán)線邊界及固定位置交叉點進行列車定位校正。交叉感應(yīng)環(huán)線沿線路布置，向車載設(shè)備發(fā)送地面信息幀，通過該信息幀傳遞本環(huán)線的標(biāo)識號。車載設(shè)備通過檢測交叉感應(yīng)環(huán)線的標(biāo)識號變化，獲得列車經(jīng)過相鄰交叉感應(yīng)環(huán)線邊界的順序及時刻，計算列車當(dāng)前的運行方向及位置。

交叉感應(yīng)環(huán)線經(jīng)過固定間隔進行交叉，當(dāng)車載設(shè)備經(jīng)過交叉感應(yīng)環(huán)線交叉點時，車載設(shè)備接收天線檢測到信號相位發(fā)生變化，形成交叉點信息。車載設(shè)備根據(jù)交叉點信息進行列車位置校正。

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

在測速測距算法中，綜合采用以下技術(shù)實現(xiàn)抗干擾。

1）脈寬濾波算法抑制脈沖沿抖動造成的隨機干擾。

2）速度傳感器信號時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。

4）多速度傳感器信號對比檢測干擾。

基于上述測速傳感器抗擾算法的基礎(chǔ)上，在測速傳感器測速模糊區(qū)域，綜合使用加速度傳感器數(shù)據(jù)、加速度預(yù)測、速度－時間曲線擬合等方法，對當(dāng)前速度進行補償計算，提高測速測距精度。

測速測距任務(wù)的主要流程如圖2所示。

3 測速測距系統(tǒng)現(xiàn)場測試

3.1 測速測距系統(tǒng)測試方案

列車以特定速度依次經(jīng)過地面進行精確測量的特定距離，通過計時器記錄列車運行該特定區(qū)域的時間。與車載設(shè)備輸出的測速測距單元距離值、速度值進行對比，計算測速測距精度。為了充分驗證，列車應(yīng)分別以勻速、加速、減速方式通過起點、終點，同樣場景測試10次，以偏差值最大記錄作為測試結(jié)果。

3.2 測速測距系統(tǒng)測試結(jié)果

測距精度測試勻速結(jié)果如表1所示。

圖2 測速測距主要流程Fig.2 Main flow of speed and distance measurement

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

測距精度測試加減速結(jié)果如表2所示。

測速精度測試結(jié)果如表3所示。

綜上所述，車載測速測距單元在勻速、加速及減速過程中，測速測距誤差均小于1.5%。

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

表3 測速精度測試結(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、運行噪音小、維護要求低等特點，成為城市軌道交通領(lǐng)域的熱點發(fā)展方向。本文描述了一種適用于中低速磁浮的測速測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用的北京地鐵S1線已于2017年12月開通運營，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。