超高速磁浮列車運(yùn)行控制技術(shù)展望

陳玉泉

0 引言

目前，我國高鐵建設(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)成為我國未來軌道交通的發(fā)展方向之一。我國于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。

1 超高速磁浮交通的特點(diǎn)

課題組通過一系列調(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)方式可采用空芯長定子單邊或雙邊永磁或超導(dǎo)同步直線電機(jī)、鐵心長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。

2 超高速磁浮列車運(yùn)行控制的需求和構(gòu)想

2.1 超高速磁浮列車運(yùn)行控制需求

（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)無縫切換。

（6）應(yīng)通過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)具備可靠的測速定位手段，基于準(zhǔn)確的測速定位監(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)測功能。

2.2 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)構(gòu)想

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，適合超長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)無線通信的可靠性和安全性要求更高，暫時(shí)尚無可靠的手段予以保證；盡管未來通信技術(shù)發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，但精簡車-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，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。

3 超高速磁浮列車運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)分析和展望

3.1 測速定位技術(shù)

列車測速定位技術(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)營效率。

傳統(tǒng)輪軌列車典型的測速定位方式是采用車輪測速傳感器測速，并通過絕對(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接觸，不需要設(shè)置車輪，因而無法采用車輪測速手段。超高速磁浮列車定位測速應(yīng)根據(jù)磁浮特點(diǎn)和速度等級(jí)選擇可行的測速定位技術(shù)甚至研究新型的測速定位技術(shù)。

3.1.1 已應(yīng)用并可適應(yīng)磁浮列車的測速定位技術(shù)

目前已應(yīng)用并可適應(yīng)磁浮列車的主要測速定位技術(shù)有：

（1）基于感應(yīng)環(huán)線的測速定位技術(shù)?；诟袘?yīng)環(huán)線的測速定位目前在日本名古屋和山梨試驗(yàn)線應(yīng)用，通過在軌道上鋪設(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)列車測速和定位。基于感應(yīng)環(huán)線的測速定位方法可通過冗余設(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)鍵的問題是基于感應(yīng)環(huán)線的測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）基于長定子齒槽檢測的測速定位技術(shù)。上海磁懸浮示范線應(yīng)用了基于長定子齒槽檢測的測速和相對(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，通過檢測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)列車的測速定位?；陂L定子齒槽檢測的測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)軌枕的測速定位技術(shù)。長沙磁浮快線和北京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關(guān)傳感器，對(duì)軌道的金屬軌枕進(jìn)行檢測。當(dāng)列車以一定的速度行駛時(shí)，軌枕觸發(fā)接近開關(guān)傳感器形成一系列脈沖，通過測定脈沖頻率即可計(jì)算出列車速度和相對(duì)位移。該方法具有裝置簡單、造價(jià)低、維護(hù)簡單、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)的測速定位技術(shù)。通過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)，通過檢測發(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)測速定位技術(shù)。基于全球?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；唯一受限的是隧道內(nèi)的信號(hào)覆蓋問題。

（6）SAR-INS組合測速定位技術(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)的測速定位技術(shù)。飛機(jī)采用SAR-INS組合測速定位技術(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SAR技術(shù)和INS技術(shù)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，既能提高測速定位的精確度，又能增強(qiáng)抗干擾能力。

3.1.2 引用新技術(shù)應(yīng)用于超高速磁浮測速定位

（1）RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)測速定位。通過在軌旁固定間距處設(shè)置RFID射頻電子標(biāo)簽，列車通過時(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)列車通過固定間距的時(shí)間計(jì)算列車速度。為提高測速定位系統(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)簽探測器，如圖2所示。該技術(shù)的缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)測速定位，更適合于絕對(duì)定位。

圖2 RFID射頻識(shí)別技術(shù)測速定位示意圖

（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120萬點(diǎn)/秒。因此，可通過在列車上設(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)測速定位示意圖

為提高測速定位系統(tǒng)的可靠性，可在列車上設(shè)置2套激光掃描儀，通過冗余結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)進(jìn)行比對(duì)，保證測速定位的準(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)的測速定位功能。

通過對(duì)上述測速定位技術(shù)的分析和展望，并考慮真空管道和國內(nèi)長距離運(yùn)輸橋隧比較高的應(yīng)用環(huán)境，在上述多種測速定位技術(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)在于測速定位精度不足，需要加以絕對(duì)定位校正?；谌蛐l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測速定位技術(shù)具有很好的運(yùn)用前景，但存在隧道內(nèi)信號(hào)覆蓋問題。

在不具備成熟的超高速磁浮測速定位技術(shù)前提下，對(duì)不同測速定位方法進(jìn)行結(jié)合，使之優(yōu)勢互補(bǔ)，顯著提高測速定位的精度和可靠性，將是未來重要的研究方向。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組合測速定位技術(shù)，在隧道和地下區(qū)段采用SAR-INS組合測速定位技術(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。

3.2 車-地通信技術(shù)

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)面臨的最大問題是超高速帶來的多普勒頻移問題和頻繁越區(qū)切換問題。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)無線通信系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作。

雖然目前還沒有成熟可靠的車-地通信技術(shù)能夠滿足超高速磁浮運(yùn)行控制的需求，但隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，5G技術(shù)已經(jīng)開始商用，其未來發(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，可以通過優(yōu)化列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的架構(gòu)和功能，簡化車-地通信的信息量，從而提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.3 其他配套關(guān)鍵技術(shù)

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。

4 結(jié)語

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。