基于電磁感應(yīng)的磁浮列車絕對(duì)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚冠華 王堅(jiān)強(qiáng) 易立富 王梓丞

在軌道交通領(lǐng)域中，磁浮列車因其牽引制動(dòng)原理、軌道結(jié)構(gòu)等與輪軌列車存在較大的差異，因此其采用的列車定位技術(shù)也有所不同。其中，為實(shí)現(xiàn)磁浮列車高效、準(zhǔn)確的列車自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)防護(hù)、精確停車等功能，對(duì)列車定位精度提出了更高的要求，通常會(huì)采用一種列車絕對(duì)定位技術(shù)，來消除列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的累積誤差［1］。

目前僅有部分絕對(duì)定位技術(shù)得到了應(yīng)用，其他技術(shù)只是用于理論分析或試驗(yàn)線測(cè)試?；诓樵儜?yīng)答器的絕對(duì)定位技術(shù)［2］具有較高的可靠性和精確度，在中低速磁浮中得到了應(yīng)用，但由于采用了電磁激活后再獲取數(shù)據(jù)的方式，其適應(yīng)速度上限受到約束，并不適用于高速磁??；基于交叉感應(yīng)環(huán)線的列車定位技術(shù)［3-4］，既是一種相對(duì)定位技術(shù)，也是一種絕對(duì)定位技術(shù)，從絕對(duì)定位的角度出發(fā)，若全線覆蓋，則增加了大量軌旁設(shè)備，同時(shí)安裝空間受到限制；基于標(biāo)志板的列車定位技術(shù)［5-6］，在上海磁浮線得到應(yīng)用證明，根據(jù)原理分析，其定位的準(zhǔn)確性會(huì)受到列車振動(dòng)的干擾，可能導(dǎo)致車載線圈編碼識(shí)別錯(cuò)誤；基于地址編碼板的列車定位技術(shù)［7］，采用凹槽或者金屬與非金屬鑲嵌的方式實(shí)現(xiàn)地址編碼，根據(jù)車載感應(yīng)線圈讀取到強(qiáng)度不同的感應(yīng)信號(hào)來識(shí)別地址，從而獲取列車位置，該方法在國(guó)防科技大學(xué)磁浮試驗(yàn)線進(jìn)行了理論測(cè)試，但其適用速度與抗干擾能力有待驗(yàn)證。本文在總結(jié)既有絕對(duì)定位技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于電磁感應(yīng)的磁浮列車絕對(duì)定位系統(tǒng)。

1 列車絕對(duì)定位基本原理

列車絕對(duì)定位系統(tǒng)由地面設(shè)備與車載設(shè)備2部分構(gòu)成，基本工作原理是：當(dāng)列車通過軌旁磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備時(shí)，車載設(shè)備感應(yīng)線圈的磁通量發(fā)生變化，電磁感應(yīng)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，車載設(shè)備通過感應(yīng)電流的強(qiáng)度、方向識(shí)別出地址編碼數(shù)據(jù)，從而獲取列車的絕對(duì)位置信息。

通過在多個(gè)間隔布置的線圈中通以不同方向的電流，使得線圈變成“N”“S”極性不同的電磁鐵，從而進(jìn)行二進(jìn)制編碼，形成軌旁磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備的編碼信息。列車絕對(duì)定位編碼基本原理見圖1。以“S”極向下為“0”，“N”極向下為“1”，圖1可表示“1010”編碼。

車載讀取設(shè)備讀取軌旁磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備的編碼信息，首先是通過一個(gè)無(wú)源的感應(yīng)線圈，如圖2所示，依次經(jīng)過編碼線圈的位置1、2、3、4，隨著列車運(yùn)行，通過感應(yīng)線圈的磁通量將發(fā)生變化，且不同“N”“S”極編碼線圈的磁場(chǎng)方向不同，感應(yīng)線圈會(huì)生成方向相反的感應(yīng)電流，車載讀取設(shè)備對(duì)感應(yīng)電流經(jīng)過濾波、整流等信息處理后，以正電流為“1”，負(fù)電流為“0”進(jìn)行解析，就轉(zhuǎn)換為“1010”編碼。

2 列車絕對(duì)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

圖2 列車絕對(duì)定位讀碼原理圖

列車絕對(duì)定位系統(tǒng)中，軌旁磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備主要包括電源模塊、編碼控制模塊和多線圈組合模塊；車載讀取設(shè)備主要包括感應(yīng)線圈、互感電流環(huán)、濾波器、整流器、信息處理單元和線路數(shù)據(jù)模塊。列車絕對(duì)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 列車絕對(duì)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）電源模塊作為軌旁設(shè)備的供電單元，既負(fù)責(zé)與外部供電設(shè)備的連接，輸出穩(wěn)定電流；也作為儲(chǔ)能設(shè)備，當(dāng)外接電源斷電后，繼續(xù)保持一段時(shí)間的穩(wěn)定工作。

2）編碼控制模塊作為軌旁設(shè)備的核心處理單元，具有多組接口端子，每組接口端子與一個(gè)線圈連接，依據(jù)設(shè)定的地址編碼（其地址編碼與線路位置一一對(duì)應(yīng)），控制每組接口端子的供電電流方向。

3）多線圈組合模塊由多個(gè)螺旋線圈和固定卡槽構(gòu)成。當(dāng)通過電流時(shí)，產(chǎn)生不同極性的電磁場(chǎng)，是地址編碼的具體表現(xiàn)形式。根據(jù)列車絕對(duì)定位基本原理可知，該模塊是列車位置信息的表示模塊。

4）感應(yīng)線圈是一個(gè)無(wú)源多匝線圈，通過線圈的磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電流，是列車位置信息的直接接收單元。

5）互感電流環(huán)采用無(wú)接觸方式與感應(yīng)線圈連接，通過互感現(xiàn)象，間接反饋出電流強(qiáng)度，并將電流傳遞給濾波器。

6）濾波器主要負(fù)責(zé)將接收到的電流信息進(jìn)行降噪和平滑處理，避免因列車振動(dòng)、線路環(huán)境中的磁場(chǎng)信號(hào)干擾列車地址編碼的識(shí)別。

7）整流器負(fù)責(zé)將經(jīng)濾波器降噪、平滑處理后的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，更利于信息處理單元進(jìn)行解碼。

8）信息處理單元是車載讀取設(shè)備的核心處理器，負(fù)責(zé)將整流器輸出的方波信號(hào)解析為編碼信息，并根據(jù)編碼信息，先識(shí)別列車運(yùn)行方向，確定列車具體的地址編碼；再通過線路數(shù)據(jù)模塊存儲(chǔ)的地址編碼與位置的映射關(guān)系，獲取列車具體位置；最后，根據(jù)之前獲取的列車位置信息，校驗(yàn)該列車位置信息是否正確，正確則反饋給列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，錯(cuò)誤則進(jìn)行報(bào)警提示與日志存儲(chǔ)。

9）線路數(shù)據(jù)模塊是系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)整條線路所有的地址編碼與實(shí)際位置的映射關(guān)系。

上述所有設(shè)備都采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)維護(hù)以及故障處理。

3 列車絕對(duì)定位系統(tǒng)特殊設(shè)計(jì)

3.1 列車運(yùn)行方向的識(shí)別

針對(duì)單線雙向運(yùn)行線路或折返軌，磁浮列車通過同一個(gè)軌旁磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備時(shí)，可能是上行方向運(yùn)行，也可能是下行方向運(yùn)行。為正確識(shí)別地址編碼，需要明確列車的運(yùn)行方向。在軌道交通領(lǐng)域中，由列車定位系統(tǒng)來進(jìn)行識(shí)別運(yùn)行方向，再發(fā)送給其他系統(tǒng)（例如列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)等）進(jìn)行控制。因此，軌旁磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備的編碼信息中，不僅要有地址編碼，還要有方向編碼。

設(shè)計(jì)編碼信息時(shí)，可以采用“方向編碼+地址編碼+方向編碼”的方式。其中，地址編碼的編碼位數(shù)根據(jù)線路長(zhǎng)度、設(shè)置間隔來詳細(xì)設(shè)計(jì)；方向編碼采用“00”表示上行起始點(diǎn)以及編碼信息讀取起始點(diǎn)，“11”表示下行起始點(diǎn)的方式。如圖4所示，假設(shè)一個(gè)4位地址編碼為“1101”的軌旁磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備安裝在線路上，列車以上行和下行方向運(yùn)行經(jīng)過該位置，讀取到的編碼信息分別為“00-1101-11”與“11-1011-00”，則車載讀取設(shè)備根據(jù)前面2位方向編碼信息，可識(shí)別出列車的具體運(yùn)行方向；同時(shí)根據(jù)方向編碼信息，可知位置編碼信息讀取順序是順向還是逆向，從而獲取到正確的地址編碼。

圖4 編碼信息設(shè)計(jì)示意圖

3.2 抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁浮列車運(yùn)行過程中，不可避免地具有橫向、縱向和垂直方向的振動(dòng)［8］，振動(dòng)會(huì)對(duì)感應(yīng)線圈的電流大小產(chǎn)生影響，極大幅度的振動(dòng)甚至對(duì)電流方向產(chǎn)生影響，因此需要設(shè)計(jì)合理的抗振結(jié)構(gòu)［9］，以避免列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)列車絕對(duì)定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確度造成影響。

本系統(tǒng)中的多線圈組合模塊中的線圈以及感應(yīng)線圈都采用類似跑道的環(huán)線結(jié)構(gòu)，且感應(yīng)線圈的長(zhǎng)度比編碼線圈長(zhǎng)度更長(zhǎng)。此外，多線圈組合模塊中，各個(gè)線圈之間并非緊密連續(xù)的，而是彼此間具有較大的間隔，其結(jié)構(gòu)與安裝方向見圖5。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因感應(yīng)線圈比編碼磁場(chǎng)線圈長(zhǎng)度更長(zhǎng)，當(dāng)列車因懸浮氣隙變化產(chǎn)生垂直方向振動(dòng)時(shí)，其感應(yīng)線圈磁通量不會(huì)發(fā)生大的變化，保障了感應(yīng)電流的穩(wěn)定性；同時(shí)由于編碼磁場(chǎng)線圈之間留有較大間隔，給感應(yīng)電流預(yù)留了較大的“0”電流區(qū)域，因此即使列車或地面產(chǎn)生沿著列車運(yùn)行方向的振動(dòng)，也可確保感應(yīng)電流包絡(luò)的穩(wěn)定性，經(jīng)過濾波處理后，可以得到正確編碼的電流信號(hào)。而隨列車運(yùn)行的橫向振動(dòng)，主要通過感應(yīng)線圈與多線圈組合模塊之間的安裝間距進(jìn)行控制，避免物理上的接觸，同時(shí)控制和調(diào)整軌旁磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備的電流強(qiáng)度，確保輸出足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)信號(hào)。

3.3 抗電磁干擾設(shè)計(jì)

在磁浮軌道交通中，由于磁浮列車的懸浮、牽引和導(dǎo)向都是由車載及地面上的電磁鐵之間吸引或排斥實(shí)現(xiàn)的，因此在磁浮線路上具有復(fù)雜的電磁環(huán)境，而本文提出的列車絕對(duì)定位系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的，因此需要考慮線路上電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響［10］。

圖5 線圈結(jié)構(gòu)與安裝設(shè)計(jì)示意圖

本系統(tǒng)中的多線圈組合模塊以及車底的感應(yīng)線圈都不是直接裸露在環(huán)境中，而是通過模具進(jìn)行隔離防護(hù)，起到防水防塵和局部電磁屏蔽的作用。如圖5所示，多線圈組合模塊中各個(gè)線圈之間具有隔離板，用于避免線圈與線圈之間的電磁干擾，且整個(gè)模塊也進(jìn)行了封裝。多線圈組合模塊以及感應(yīng)線圈的模具均采用磁性材料，僅編碼磁場(chǎng)線圈與感應(yīng)線圈之間正對(duì)的一側(cè)沒有采用磁性材料，使得感應(yīng)線圈在讀取編碼的過程中形成了一個(gè)類似封閉的電磁屏蔽層［11］，基本不受外界磁場(chǎng)干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于電磁感應(yīng)的磁浮列車絕對(duì)定位系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了列車的實(shí)際運(yùn)行工況和相應(yīng)的工程環(huán)境，對(duì)列車方向識(shí)別、抗振和抗電磁干擾方面提出了特殊的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)在理論上具有可行性，但受條件限制，暫未在既有線或試驗(yàn)線進(jìn)行試驗(yàn)，還有待驗(yàn)證其可實(shí)施性以及適用的列車速度等級(jí)。