一種基于鋼軌枕的中低速磁浮列車組合測速定位方法

黃蘇蘇

(1. 中國鐵道科學研究院通信信號研究所，100081，北京；2. 國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，100081，北京//助理研究員)

中低速磁浮列車具有安全、環(huán)保、噪聲低、建設運營維護成本低等諸多優(yōu)點，其運行時車輛與軌道保持8 mm距離，被譽為“零高度飛行器”，是未來城市軌道交通發(fā)展的重要方向之一。中低速磁浮列車的研究和制造技術(shù)十分復雜，是一個國家科技實力和工業(yè)水平的重要標志。2016年5月6日正式開通的長沙中低速磁浮示范工程，是我國中低速磁浮技術(shù)首次投入運營的工程實例。

1 中低速磁浮測速定位技術(shù)現(xiàn)狀

中低速磁浮列車的測速定位方式與其它的軌道交通大有不同。因其沒有車輪,故無法像輪軌列車一樣使用輪軸式傳感器測量列車運動狀態(tài)，也無法像高速磁浮測速那樣在軌面上找到分布規(guī)律的參照物來計算列車的速度與位置[2]，軌道交通中常見的測速定位方法對其都不適用。

目前,主要的中低速磁浮列車測速定位方法有以下幾種：

(1) 基于交叉感應環(huán)線的測速定位方式。通過特殊排列的環(huán)線形成開口部分和閉口部分，隨著列車的移動，環(huán)線開口部分對接收天線產(chǎn)生高電平，而閉口部分不會產(chǎn)生電平，由此形成周期間隔的脈沖信號。這種方式技術(shù)復雜，施工要求高，道岔區(qū)段更需要特殊處理，運營維護困難。

(2) 基于槽齒磁阻傳感器的測速方式。在軌道上單獨鋪設槽齒測速板，車載測速系統(tǒng)裝有磁阻電感線圈，當檢測線圈經(jīng)過槽齒測速板表面時，變化的電感量引起電流或電壓的變化，由此檢測出電機的槽齒，再利用槽齒的固定位置寬度，計算出列車速度和位置。這種方式是借鑒高速磁浮系統(tǒng)測速原理而來。

(3) 基于多普勒雷達的測速方式。通過反射面發(fā)射電磁波，根據(jù)多普勒移頻效應計算列車運行速度。這種方式易受天氣和列車運行速度影響，通常作為輔助的測速校核手段。

2 基于中低速磁浮鋼軌枕的組合測速定位技術(shù)

本文提出了一種新的中低速磁浮列車組合測速定位方案，如圖1所示。

圖1 中低速磁浮列車組合測速定位方案

在列車底部安裝多個電渦流傳感器，利用鋼軌枕的材質(zhì)以及鋼軌枕的分布規(guī)律，通過電渦流傳感器經(jīng)過鋼軌枕時產(chǎn)生的脈沖信號，結(jié)合加速度計檢測到的加速度信息，計算列車運動速度，并將該速度數(shù)據(jù)與雷達的測速信息進行判斷比較，共同計算出列車的實際速度與位置。

2.1 電渦流傳感器

電感式渦流傳感器由LC(電感電容)高頻振蕩器和放大處理電路組成，其利用金屬物體接近這個能產(chǎn)生交變電磁場的振蕩感辨頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。 電渦流接近開關(guān)原理框圖如圖2所示。

圖2 電渦流接近開關(guān)原理框圖

正常情況下，當安裝在車底的渦流傳感器通過鋼軌枕上方時，接近開關(guān)輸出信號發(fā)生跳變，傳感器輸出一個脈沖信號。測速定位系統(tǒng)根據(jù)有無脈沖信號來判斷有無鋼軌枕。利用測速板采集多個渦流傳感器進入同一軌枕區(qū)域的時間差t，再結(jié)合傳感器的間距L，計算出列車當前時刻的運行速度v(v=L/t)。

2.2 主要計算流程

圖3中給出了具體的測速定位方案：由加速度計和電渦流傳感器的數(shù)據(jù)，通過一定的算法得到列車的運行速度，并與雷達的測速結(jié)果進行比較判斷，最后得到精確的速度和位置信息。軟件計算流程如下:

(1) 第一個電感式渦流傳感器進入軌枕區(qū)域時輸出高電平，測速板CPU在定時器里捕獲第一個定時器的中斷信號開始時間。

(2) 判斷列車是否在規(guī)定的時間間隔內(nèi)接收到下一個定時器的中斷信號開始時間。

(3) 若接收到下一個中斷信號，則計算兩個信號的時間差并計算列車當前運行速度。

(4) 若等待規(guī)定時間后還未接收到下一個中斷信號，則獲取加速度計的當前加速度，通過渦流傳感器和加速度計的數(shù)據(jù)計算當前運行速度。

(5) 比較當前速度和多普勒雷達的速度，計算兩者的速度差。

(6) 判斷速度差是否小于等于規(guī)定的閾值范圍。

圖3 軟件計算流程圖

(7) 若速度差在規(guī)定的閾值范圍內(nèi)，則取兩個速度中的較大值為當前列車運行速度。

(8) 若速度差大于規(guī)定的閾值范圍，則放棄當前的列車運行速度。

(9) 計算列車運行的位移。

(10) 是否接收到含有列車位置信息的應答器報文。

(11) 收到應答器報文，則更新列車位置，完成位移的校核工作。

3 試驗分析

在現(xiàn)場試驗中，通過上位機記錄渦流傳感器的脈沖信號。圖4所示為橢圓形線圈內(nèi)選取的一組渦流傳感器的信號。圖4中,縱坐標表示采集卡的采集通道編號(對于每一路信號，0表示未檢測到信號，1表示檢測到信號)，橫坐標表示選取的采樣區(qū)域的相對時間,每個通道上升沿和下降沿之間的脈沖寬度即代表了渦流傳感器有效檢測到鋼軌枕的時間。

在試驗過程中，對10 km/h、30 km/h、50 km/h、70 km/h等勻速情況進行了詳細的測試，并將這種組合測速定位方法的計算結(jié)果與精確輔助定位裝置的數(shù)據(jù)進行了對比分析，如表1所示。

圖4 渦流傳感器脈沖波形分析

表1 組合測速定位方法與輔助定位裝置定位結(jié)果對比

4 結(jié)語

值得注意的是，長沙中低速磁浮線路的鋼軌枕間距為0.6～1.2 m的不均勻分布，本算法能夠滿足應用需求。如果鋼軌枕間距過小，將導致速度出現(xiàn)跳變，而鋼軌枕間距過大將導致速度更新延時增大，都是不理想的情況。

測試試驗中，加速度計在平直軌道上能夠有效反映列車加減速度的變化，可作為速度輔助修正來源。渦流傳感器的有效檢測范圍存在較大的個體差異，使用所檢測信號的中心點時間計算速度更貼近于列車實際速度(由精確輔助定位裝置推算)，且波動更小?？紤]到長期運行后渦流傳感器的性能進一步下降，需要在測速算法設計及后續(xù)測試中充分考慮誤差的檢測和防護。由測速結(jié)果的對比分析可知，這種測速方式的定位誤差不大于2%，符合實際應用需求。

此外，這種非接觸式的測速定位方案，能在不與地面接觸的條件下精確測量列車速度和位置，沒有機械磨損，并且有良好的穩(wěn)定性和環(huán)境適應性。其不僅能夠完美地解決中低速磁浮列車的測速定位問題，未來還可應用于其它非接觸測量環(huán)境中。