高速磁浮列車測速定位問題綜述

孟川舒

(1.國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院,長沙 410073; 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,北京 100081)

近年來,我國在磁浮軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展開始加速,多條中低速磁浮線路建設(shè)運(yùn)營,國家層面規(guī)劃中也明確提出統(tǒng)籌安排高速磁浮相關(guān)工作,磁浮鐵路已經(jīng)從技術(shù)研究階段向工程應(yīng)用階段演進(jìn)。但是,以往研究多集中于技術(shù),在磁浮系統(tǒng)總體層面較多地參考德國、日本等在10～20年前的路線[1],對(duì)技術(shù)問題特別是交叉應(yīng)用問題的總體性研究不夠充分,不利于我國磁浮相關(guān)技術(shù)發(fā)展以及實(shí)際工程應(yīng)用,加強(qiáng)技術(shù)問題的系統(tǒng)性總結(jié)分析十分必要。

列車在某一時(shí)刻準(zhǔn)確可靠的速度、位置信息是保障軌道交通系統(tǒng)正常運(yùn)行最為關(guān)鍵的條件之一,中低速磁浮已經(jīng)在國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營,其測速定位技術(shù)路徑和工程方案已較為明確。相比之下,高速磁浮列車測速定位與運(yùn)行控制、牽引控制、車地通信、懸浮控制等多個(gè)方面緊密相關(guān),對(duì)精度、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)要求較高,技術(shù)難點(diǎn)較多,雖然我國對(duì)高速磁浮列車測速定位技術(shù)的研究已有20余年,但相關(guān)研究基本限于技術(shù)本身,缺乏對(duì)測速定位相關(guān)問題的總體性、系統(tǒng)性研究分析,不利于在后續(xù)工程化階段實(shí)現(xiàn)高速磁浮大系統(tǒng)整體最優(yōu)化。通過系統(tǒng)分析總結(jié)了高速磁浮列車測速定位問題和當(dāng)前研究進(jìn)展,結(jié)合技術(shù)發(fā)展和工程實(shí)際進(jìn)行了展望,以期為后續(xù)研究及工程應(yīng)用工作提供思路參考。

1 高速磁浮列車測速定位問題概述

從系統(tǒng)工程角度,高速磁浮鐵路是一個(gè)基于時(shí)空關(guān)系的復(fù)雜巨系統(tǒng),其中車地時(shí)空關(guān)系是最為核心的關(guān)系,主要用時(shí)間、位置/距離、速度等信息來表達(dá),以作為相關(guān)子系統(tǒng)的控制決策依據(jù),保障整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。高速磁浮列車測速定位問題的技術(shù)本質(zhì)就是車地時(shí)空關(guān)系的表達(dá),功能目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車地時(shí)空信息的實(shí)時(shí)獲取與交互,重點(diǎn)在于信息層面而不是單純的測速定位技術(shù)研究應(yīng)用或系統(tǒng)構(gòu)建,但設(shè)計(jì)構(gòu)建安全可靠的測速定位系統(tǒng)、選用合適的測速定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測速定位功能目標(biāo)以及能夠工程應(yīng)用的必要條件。基于車地時(shí)空關(guān)系,高速磁浮列車測速定位問題具有時(shí)空一致性、時(shí)空約束性和時(shí)空敏感性三方面基本特征。

1.1 時(shí)空一致性

時(shí)空一致性是指高速磁浮列車和地面系統(tǒng)需要具有統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)和度量標(biāo)準(zhǔn),在此前提下,車載測量和地面測量才能在同一時(shí)空坐標(biāo)系下,測速定位才有意義。要滿足時(shí)空一致性要求,車地間需要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步和時(shí)鐘同步,同步的精度會(huì)影響測速定位的精度以及數(shù)據(jù)的可融合度。例如,不同的定位傳感器采樣頻率不同,如果數(shù)據(jù)不是同步獲取,那么不同時(shí)刻的位置數(shù)據(jù)就發(fā)生了變化,較難融合。車地間還需要實(shí)現(xiàn)空間基準(zhǔn)的傳遞,傳遞的精度就是列車絕對(duì)定位精度,會(huì)進(jìn)一步影響列車相對(duì)定位精度。

1.2 時(shí)空約束性

時(shí)空約束性是指高速磁浮車地之間具有嚴(yán)格的時(shí)空唯一性、嚴(yán)格的時(shí)序計(jì)劃和嚴(yán)格的空間約束狀態(tài)。嚴(yán)格的時(shí)空唯一性是指同一安全區(qū)間在同一時(shí)刻只允許一列車存在,嚴(yán)格的時(shí)序計(jì)劃是指列車依次嚴(yán)格按照計(jì)劃時(shí)刻到達(dá)計(jì)劃位置,這兩個(gè)方面與列車運(yùn)行控制緊密相關(guān),對(duì)列車準(zhǔn)確可靠的測速定位是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)方面的前置條件。嚴(yán)格的空間約束狀態(tài)包括兩個(gè)方面,一是指列車的空間絕對(duì)位置受限于軌道,軌道的空間一維特性有利于降低列車測速定位難度;二是指列車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受限,即列車相對(duì)于軌道的懸浮活動(dòng)空間、運(yùn)動(dòng)參量受嚴(yán)格約束,車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(例如“蛇形”)以及相對(duì)于軌道的實(shí)時(shí)速度、位置與懸浮控制、牽引控制的參量調(diào)整緊密相關(guān),基于高速磁浮的這些特點(diǎn),測速定位不應(yīng)僅從大尺度上將列車作為一個(gè)時(shí)空質(zhì)點(diǎn)考慮,而還應(yīng)考慮基于列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小尺度相對(duì)時(shí)空精密測量,這種整體性考慮在目前的相關(guān)研究中涉及較少。

1.3 時(shí)空敏感性

時(shí)空敏感性是指運(yùn)控、牽引等系統(tǒng)對(duì)列車時(shí)空信息及其相關(guān)指標(biāo)敏感,主要體現(xiàn)在測速定位信息的精度、實(shí)時(shí)性、更新周期等方面,不同系統(tǒng)、不同制式的敏感程度不同。例如,牽引系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取直線電機(jī)次級(jí)的磁極相角信息,相對(duì)角分辨率需達(dá)到3°,常導(dǎo)制式定子極距為258 mm,換算成空間分辨率為4.3 mm,這對(duì)測速定位技術(shù)提出了很高要求。而日本超導(dǎo)制式由于極距增大,因此空間分辨率要求相應(yīng)降低,對(duì)技術(shù)的要求也隨之降低。但是,對(duì)運(yùn)控系統(tǒng)而言,并不需要這么高的空間分辨率,相比之下其更為關(guān)注列車絕對(duì)位置信息的可信度和可靠度。因此,測速定位問題必須全面、綜合考慮各子系統(tǒng)的時(shí)空敏感性要求。

2 高速磁浮列車測速定位功能特點(diǎn)分析

與輪軌不同,高速磁浮列車沒有車輪,車體懸浮于地面無接觸運(yùn)行,輪軌基于車輪的測速定位方法不能直接移用,并且高速磁浮采用同步直線電機(jī)作為牽引,相應(yīng)的技術(shù)要求有較大改變,因此,在技術(shù)選用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮前述基本特征以及具體功能特點(diǎn)的要求。高速磁浮列車測速定位功能主要具有以下特點(diǎn)。

(1)測速定位信息不只與運(yùn)行控制密切相關(guān),也與牽引控制緊耦合,信息傳遞的上位系統(tǒng)主要包括運(yùn)控系統(tǒng)和牽引系統(tǒng),從信息應(yīng)用層面還包括車地通信、安全保障等系統(tǒng)[2]。

(2)牽引控制需要實(shí)時(shí)獲取次級(jí)(列車)的磁極相角信息,對(duì)空間定位精度、測速定位的連續(xù)性和測速定位信息傳遞的實(shí)時(shí)性要求均較高[3]。

(3)列車采用全自動(dòng)運(yùn)行,以地面控制為主,車地間測速定位信息交互的頻度較高[4]。

(4)對(duì)車地間時(shí)空一致性要求較高,特別是時(shí)間同步和時(shí)鐘同步,對(duì)通信通道的延時(shí)、帶寬、可靠性要求較高[5]。

(5)不同制式的牽引結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、車輛結(jié)構(gòu)等均不同,所適用的測速定位技術(shù)和測速定位系統(tǒng)架構(gòu)也各不相同[6-7]。

3 研究進(jìn)展

3.1 技術(shù)研究

按照是相對(duì)于大地獲取列車位置數(shù)據(jù)還是相對(duì)于絕對(duì)位置點(diǎn)測量時(shí)空尺度變化來劃分,測速定位技術(shù)可分為絕對(duì)型和相對(duì)型[8-9]。絕對(duì)型只有測量誤差而沒有誤差累積,相對(duì)型誤差可以累積,因而必須依靠絕對(duì)定位來修正,因此在實(shí)際應(yīng)用中,這兩個(gè)類型的技術(shù)必須搭配組合應(yīng)用。目前高速磁浮列車測速定位技術(shù)研究中,相對(duì)型技術(shù)主要包括感應(yīng)環(huán)線技術(shù)、齒槽檢測技術(shù)、車載多普勒雷達(dá)技術(shù),絕對(duì)型技術(shù)主要包括脈寬編碼檢測技術(shù)、射頻應(yīng)答器技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、光纖測量技術(shù)[10]。

3.1.1 感應(yīng)環(huán)線技術(shù)

感應(yīng)環(huán)線技術(shù)的基本原理是:在地面沿軌道方向?qū)㈦娎|以等距重復(fù)環(huán)形結(jié)構(gòu)的方式繞設(shè),同時(shí)在車底安裝線圈,當(dāng)車載線圈或地面環(huán)線通以激勵(lì)交變電流時(shí),另一方回路就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),列車運(yùn)動(dòng)會(huì)使車地回路的相對(duì)位置發(fā)生變化,回路重疊有效面積的變化帶來感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化,車地回路重疊時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,列車線圈回路中心位于地面兩個(gè)相鄰回路交點(diǎn)上方時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小,進(jìn)一步通過信號(hào)特征提取就可以判斷車地相對(duì)位置變化情況,實(shí)現(xiàn)測速定位[11]。根據(jù)電纜是否交叉可分為交叉感應(yīng)環(huán)線或非交叉感應(yīng)環(huán)線,同時(shí)根據(jù)激勵(lì)源位置分為車載激勵(lì)和地面激勵(lì),目前研究以車載激勵(lì)的交叉感應(yīng)環(huán)線測速定位技術(shù)居多,如圖1所示。

圖1 交叉感應(yīng)環(huán)線技術(shù)示意Fig.1 Cross inductive loop

感應(yīng)環(huán)線技術(shù)能夠連續(xù)測速定位,并可進(jìn)行車地通信,實(shí)現(xiàn)通信定位一體化。同時(shí),其具有較好的靈活性和適應(yīng)性,回路尺寸可根據(jù)工程需求靈活設(shè)計(jì),適用于各種磁浮制式,也能夠適應(yīng)較為惡劣的環(huán)境。但其缺點(diǎn)是需要布置大量軌旁設(shè)備,且道岔處需特殊處理,工程造價(jià)和后期維護(hù)成本較高。最先將感應(yīng)環(huán)線技術(shù)用于磁浮系統(tǒng)的是日本,名古屋和山梨縣試驗(yàn)線均有所應(yīng)用。國內(nèi)北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院、國防科技大學(xué)、西南交通大學(xué)等單位均對(duì)感應(yīng)環(huán)線技術(shù)開展了持續(xù)研究和試驗(yàn),但暫未有工程化應(yīng)用。相關(guān)研究重點(diǎn)主要在優(yōu)化環(huán)線、線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及信號(hào)處理方面,目的都是提高定位精度和抗干擾能力。宋香磊[12]提出了多路接收信號(hào)疊加和信號(hào)解調(diào)采樣查表的兩種信號(hào)處理方法,可以提高測速定位精度。譚磊[13]對(duì)環(huán)線系統(tǒng)接收端信號(hào)進(jìn)行了噪聲分析,提出了粒子濾波算法,用以抑制信號(hào)干擾。任愈等[14]基于簡單交叉環(huán)線定位系統(tǒng)原理建立了一種連續(xù)測速定位測試模型,使速度作為一個(gè)狀態(tài)變量在計(jì)算過程中連續(xù)輸出,提高了測速精度。

3.1.2 齒槽檢測技術(shù)

常導(dǎo)制式高速磁浮所用同步直線電機(jī)的長定子具有尺寸固定的齒槽結(jié)構(gòu),定子鐵心由硅鋼片壓制而成,車載檢測線圈在齒或槽上的等效電感不同,列車移動(dòng)時(shí)通過測量電感變化可以確定線圈相對(duì)于齒槽的位置,再利用計(jì)數(shù)累積以及齒槽的固定尺寸,即可實(shí)現(xiàn)測速定位,如圖2所示。

圖2 齒槽檢測技術(shù)示意Fig.2 Teeth-slot detection

齒槽檢測技術(shù)是車載檢測,地面沒有設(shè)備,具有測量精度高、可靠性高、維護(hù)相對(duì)簡單、造價(jià)相對(duì)較低的特點(diǎn)。但因?yàn)閷?shí)心長定子齒槽結(jié)構(gòu)是常導(dǎo)制式特有結(jié)構(gòu),所以齒槽檢測技術(shù)只能適用于常導(dǎo)制式。齒槽檢測技術(shù)已應(yīng)用于上海磁浮線,國內(nèi)外對(duì)此技術(shù)研究較為廣泛,主要集中在如何降低定子、軌道梁接縫以及懸浮間隙波動(dòng)對(duì)信號(hào)的影響方面,信號(hào)畸變會(huì)導(dǎo)致牽引設(shè)備過流或過壓保護(hù)甚至燒毀。針對(duì)接縫的影響,戴春輝[15]、李璐[16]、吳峻等[3]等思路都是設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)預(yù)測濾波器,通過預(yù)測方法將預(yù)測值與實(shí)際檢測值進(jìn)行比較,判斷檢測信號(hào)是否產(chǎn)生畸變,并以此為依據(jù)切換不同路傳感器的信號(hào),以消除因信號(hào)畸變帶來的不良影響;竇峰山等[17]采用一種新型全程快速跟蹤微分器對(duì)相角信號(hào)進(jìn)行濾波,能夠有效解決傳感器過小接縫的信號(hào)畸變問題,同時(shí)對(duì)相角信號(hào)進(jìn)行預(yù)測,能夠準(zhǔn)確判斷出過大接縫時(shí)傳感器的故障,實(shí)現(xiàn)雙傳感器的切換,解決過大接縫的信號(hào)畸變問題。針對(duì)懸浮間隙波動(dòng)的影響,吳峻等[3]提出了利用懸浮間隙歸一化處理相對(duì)位置檢測信號(hào)的方法,使輸出統(tǒng)一變換為8 mm懸浮間隙下的信號(hào),能夠滿足磁極相角檢測精度要求。

3.1.3 車載多普勒雷達(dá)技術(shù)

在車上安裝多普勒雷達(dá),可利用多普勒頻移效應(yīng)測量列車相對(duì)于軌道的速度,計(jì)算相對(duì)定位。多普勒雷達(dá)技術(shù)成熟,造價(jià)相對(duì)較低,目前的主要問題是精度有限,特別是低速情況下誤差較大。此外,振動(dòng)、降水、接縫等外部因素也會(huì)造成測量誤差[18]。

3.1.4 脈寬編碼感應(yīng)技術(shù)

脈寬編碼技術(shù)的原理是在軌道內(nèi)測沿軌向安裝金屬材質(zhì)的無源位置標(biāo)志板,標(biāo)志板上按一定規(guī)則刻有窄縫,在車上安裝U形閱讀器,U形立面上一側(cè)裝有發(fā)射線圈,另一側(cè)裝有接收線圈,列車運(yùn)動(dòng)時(shí)標(biāo)志板從U形車載閱讀器中間通過,可以通過電磁波的接收情況識(shí)別出窄縫,根據(jù)窄縫位置能夠確定其所代表的數(shù)字是0還是1,經(jīng)過全部窄縫后就獲取了一個(gè)二進(jìn)制編碼,代表本塊標(biāo)志板所在的絕對(duì)位置,實(shí)現(xiàn)定位,如圖3所示。

圖3 脈寬編碼感應(yīng)技術(shù)示意Fig.3 Pulse width coding

脈寬編碼感應(yīng)技術(shù)是與齒槽檢測技術(shù)相組合的絕對(duì)定位技術(shù),已應(yīng)用于上海磁浮線。脈寬編碼感應(yīng)技術(shù)的難點(diǎn)在于列車讀碼時(shí)間極短,車體運(yùn)行中有振動(dòng)和姿態(tài)變化,并且閱讀器周邊電磁環(huán)境復(fù)雜,這些因素都對(duì)正確、可靠讀碼提出了較高要求。薛松等[19]從工程化角度較為全面地介紹了采用脈寬編碼感應(yīng)技術(shù)的定位傳感器,建立了傳感器的電磁學(xué)模型,并針對(duì)傳感器的抗電磁干擾、抗機(jī)械擾動(dòng)以及實(shí)時(shí)性等問題,給出了傳感器完整的工程化設(shè)計(jì)方案。

3.1.5 射頻應(yīng)答器技術(shù)

射頻應(yīng)答器技術(shù)已在高速輪軌領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[20],其基本原理是在地面布設(shè)應(yīng)答器,應(yīng)答器中預(yù)先存儲(chǔ)位置、線路參數(shù)等信息,當(dāng)列車經(jīng)過時(shí),車載閱讀器發(fā)射電磁波,受到激勵(lì)的地面應(yīng)答器啟動(dòng)并將信息傳給車載閱讀器,完成定位信息傳遞。射頻應(yīng)答器技術(shù)本質(zhì)上是一種信息交換技術(shù),而不是速度位置測量,原理決定了其實(shí)現(xiàn)測速定位具有相對(duì)較大的響應(yīng)延時(shí),精度也有限,在高速磁浮的速度等級(jí)下能否適用還有待驗(yàn)證。與脈寬編碼感應(yīng)技術(shù)相比,其地面設(shè)備成本高,優(yōu)點(diǎn)是如果地面采用有源應(yīng)答器,即可以實(shí)現(xiàn)車地通信。

3.1.6 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是一種普適性技術(shù),已在輪軌領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、測量精度相對(duì)較高,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)測速、定位和授時(shí);不足之處是在隧道等衛(wèi)星信號(hào)遮蔽區(qū)域不可用,并且衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)較為脆弱,易受到外部干擾而產(chǎn)生誤差增大的漂移現(xiàn)象,甚至完全不可用。因此,衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)通常與慣導(dǎo)等其他技術(shù)組合使用,以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和可靠性[21]。對(duì)于可靠性要求很高的高速磁浮來講,其可作為輔助測速定位手段。

3.1.7 光纖測量技術(shù)

武漢理工大學(xué)童杏林團(tuán)隊(duì)提出了一種基于陣列光柵的高速磁懸浮列車測速定位方法[22],基本原理是沿軌道布設(shè)一種線型傳感光纖光柵陣列,其由一定間隔的兩個(gè)波長不同低反射率光纖布拉格光柵構(gòu)成,每個(gè)光柵處分別裝有微型永磁鐵,在列車前端底部安裝一個(gè)永磁鐵,列車運(yùn)動(dòng)時(shí)車地磁鐵相互作用,光柵處產(chǎn)生應(yīng)變,其中心波長會(huì)發(fā)生一定漂移,通過信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)其應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,經(jīng)過相關(guān)信號(hào)調(diào)理電路的處理,能夠?qū)崟r(shí)在線測得列車的運(yùn)行速度及位置。光纖測量技術(shù)也曾在輪軌領(lǐng)域進(jìn)行過研究試驗(yàn),但暫未見應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快,抗電磁干擾性能好;缺點(diǎn)是需要在地面長距離敷設(shè)光纖及設(shè)備,并且利用磁力作用產(chǎn)生形變的方式易受外界條件及磁性變化影響,相關(guān)研究還有待深入開展。

此外,像牽引系統(tǒng)自身利用反電動(dòng)勢(shì)觀測的次級(jí)速度位置估算方法也可提供列車測速定位信息,但這種方法在低速時(shí)無法使用,只能作為輔助手段。

3.2 其他研究

除具體技術(shù)研究,王峰超等[23]針對(duì)高速磁浮列車定位測速系統(tǒng)可靠性提升問題,對(duì)其組成部件可靠性與系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系進(jìn)行了研究;王新偉[24]針對(duì)高速磁浮列車定位測速系統(tǒng)的狀態(tài)檢測和故障診斷問題提出了解決方案;王菡[25]則針對(duì)測速定位信息在傳輸速率、實(shí)時(shí)性和可靠性方面的高要求,對(duì)高速磁浮列車測速定位系統(tǒng)的內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析?？傮w看來,目前研究絕大多數(shù)集中于技術(shù),對(duì)系統(tǒng)層面和信息層面的研究較少。

4 發(fā)展與展望

4.1 技術(shù)層面

近年來,傳感器技術(shù)、光電技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)快速發(fā)展,可實(shí)現(xiàn)測速定位工程應(yīng)用的技術(shù)選項(xiàng)更為廣泛,以下幾個(gè)方向值得關(guān)注。

4.1.1 雷達(dá)技術(shù)

雷達(dá)技術(shù)發(fā)展已久,先天就是為測速定位而生的,以往在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要是利用多普勒雷達(dá)進(jìn)行列車測速,受技術(shù)水平和技術(shù)原理影響,具有較大局限性。隨著先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)民用化的發(fā)展,軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用也會(huì)有所改變和創(chuàng)新。對(duì)高速磁浮而言,一是車載多普勒雷達(dá)測速精度會(huì)不斷提升,能夠滿足高精度測速需要;二是利用不同原理的毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)也會(huì)有所應(yīng)用,在測速的同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測距定位;三是隨著雷達(dá)通信一體化技術(shù)[26]的發(fā)展,非常適合高速磁浮應(yīng)用,目前高速磁浮車地通信采用的是毫米波通信,適合與毫米波雷達(dá)結(jié)合實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化,既能實(shí)現(xiàn)站址、天線等復(fù)用,不增加軌旁設(shè)施,又能夠?qū)崿F(xiàn)地對(duì)車連續(xù)高精度絕對(duì)測速定位,不用經(jīng)過車地通信,減少列車時(shí)空信息傳遞時(shí)延,進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)性,如圖4所示。

圖4 雷達(dá)通信一體化示意Fig.4 Radar-communication integration

4.1.2 通感一體化技術(shù)

通感一體化技術(shù)是指在通信的同時(shí)能夠同步實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別感知。6G是通感一體化技術(shù)的代表[27],是移動(dòng)通信、感知能力和算力的融合體,如果6G的技術(shù)愿景實(shí)現(xiàn),那么對(duì)高速磁浮來講應(yīng)用價(jià)值很大,不僅能夠在實(shí)現(xiàn)車地通信的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)列車測速定位,而且還能夠?qū)崿F(xiàn)車輛、軌道狀態(tài)等多維度的信息感知,極大提高信息處理和利用效率,更好地保障運(yùn)營安全。雷達(dá)通信一體化技術(shù)也是通感一體化技術(shù)的一種。

4.1.3 基于慣導(dǎo)的組合測速定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航自主性高、抗干擾能力強(qiáng),其最大的問題在于誤差隨時(shí)間累積,需要外部信息校正,因此,多數(shù)應(yīng)用都是基于慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航。慣導(dǎo)應(yīng)用于高速磁浮列車測速定位,可歸結(jié)為已知軌跡(軌道)約束下的一維位置推算問題,慣導(dǎo)在短時(shí)短距內(nèi)可以做到連續(xù)高精度測速定位,因此,只要每隔合適距離就利用衛(wèi)導(dǎo)、固定標(biāo)志、軌道特征等方法進(jìn)行高精度絕對(duì)位置校正,就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)行過程的測速定位[28]。近年來,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)快速發(fā)展,慣性傳感器性能不斷提升,體積、成本不斷減小,其應(yīng)用形態(tài)已經(jīng)發(fā)生巨大改變,基于慣導(dǎo)的組合測速定位技術(shù)有很大的研究和應(yīng)用價(jià)值。

4.1.4 攝像測量技術(shù)

攝像測量學(xué)是攝影測量學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、光學(xué)測量、數(shù)字圖像處理分析等學(xué)科交叉融合形成的新興交叉學(xué)科,在對(duì)各種運(yùn)動(dòng)、變化過程參數(shù)進(jìn)行測量方面,攝像測量方法具有精度高、自動(dòng)化、非接觸、動(dòng)態(tài)測量、實(shí)時(shí)測量、易于實(shí)施等特點(diǎn)[29]。胡冬波等[30]給出了一種工業(yè)用直線電機(jī)動(dòng)子定位方法,即基于攝像測量技術(shù)。高速磁浮可視作大尺度直線電機(jī),可以通過高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取軌道特征信息或定位標(biāo)志信息,根據(jù)像素點(diǎn)變化提取計(jì)算不同時(shí)間的空間變化信息,實(shí)現(xiàn)測速定位。但攝像測量技術(shù)屬于光學(xué)測量范疇,易受到光線、遮擋等影響,也存在計(jì)算量偏大的問題,如果高動(dòng)態(tài)高精度連續(xù)測量,對(duì)算力會(huì)有較高要求,因此,在如何與其他技術(shù)互補(bǔ)組合實(shí)現(xiàn)測速定位方面值得深入研究。

4.2 系統(tǒng)層面

我國高速磁浮正進(jìn)入工程試驗(yàn)階段,各個(gè)系統(tǒng)圍繞工程化及工程試驗(yàn)的研究工作將成為新的熱點(diǎn)。對(duì)高速磁浮列車測速定位系統(tǒng)而言,以工程化為目標(biāo)的系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和優(yōu)化還需深入進(jìn)行。

(1)需要隨著技術(shù)發(fā)展對(duì)多種技術(shù)組合持續(xù)研究和試驗(yàn),綜合選定系統(tǒng)技術(shù)路線。例如,德國設(shè)計(jì)的“齒槽檢測+定位標(biāo)志板”組合已在上海磁浮線穩(wěn)定運(yùn)行了20年,這種路線巧妙地利用了長定子軌道結(jié)構(gòu)特征,系統(tǒng)相對(duì)較為精簡、工程成本相對(duì)較低,但不能因?yàn)檫@種路線成熟就排除其他技術(shù)路線,新技術(shù)的發(fā)展必然帶來工程上的創(chuàng)新。此外,常導(dǎo)制式的懸浮控制系統(tǒng)本身就帶有測速定位能力,懸浮控制和測速定位能否一體化結(jié)合也值得研究和驗(yàn)證。同樣,對(duì)于超導(dǎo)制式,日本最初采用了感應(yīng)環(huán)線技術(shù),但該技術(shù)軌旁設(shè)備較多、成本較高是不可忽視的工程問題,近年來日本已開始優(yōu)化工程方案,同時(shí)研究試驗(yàn)新的技術(shù)路線,日本的轉(zhuǎn)變值得思考和研究[31]。

(2)目前對(duì)高速磁浮列車測速定位系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的系統(tǒng)性研究較少,更缺乏較為完整的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法,不利于工程化及后續(xù)工程試驗(yàn)的開展。因此,需要從功能、性能、可靠性、安全性、可維護(hù)性等維度全面梳理測速定位系統(tǒng)指標(biāo)項(xiàng)點(diǎn)及其定性定量要求,構(gòu)建指標(biāo)體系,研究評(píng)價(jià)方法,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程試驗(yàn)形成指導(dǎo)依據(jù)。

(3)高速磁浮各子系統(tǒng)對(duì)測速定位、時(shí)空基準(zhǔn)等信息具有較強(qiáng)的共享交互需求,目前相關(guān)系統(tǒng)間只是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口通信,無法支持多系統(tǒng)間的時(shí)空信息共享,如何進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化需要后續(xù)深入研究。圖5提出一種參考性的架構(gòu)展望,基本思想是延伸測速定位系統(tǒng)范疇,基于時(shí)空敏感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)總線,將單點(diǎn)數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議,兼顧信息交互的實(shí)時(shí)性和共享需求。

圖5 測速定位系統(tǒng)參考架構(gòu)示意Fig.5 A Reference architecture of speed measurement and positioning system

5 結(jié)語

本文對(duì)高速磁浮列車測速定位問題進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述。高速磁浮列車測速定位問題本質(zhì)上是車地時(shí)空關(guān)系表達(dá)問題,其功能目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車地時(shí)空信息的實(shí)時(shí)獲取與交互,高速磁浮列車測速定位重點(diǎn)在于信息層面,而不是單純的測速定位技術(shù)研究應(yīng)用或系統(tǒng)構(gòu)建。高速磁浮列車測速定位具有三方面基本特征和五方面具體特點(diǎn),技術(shù)選用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮。目前研究多集中于技術(shù),對(duì)系統(tǒng)層面和信息層面的研究較少,應(yīng)及時(shí)跟蹤關(guān)注技術(shù)進(jìn)展,持續(xù)對(duì)多種技術(shù)組合進(jìn)行研究和試驗(yàn)。以工程化為目標(biāo)的系統(tǒng)研究及優(yōu)化還需深入進(jìn)行,并應(yīng)構(gòu)建測速定位技術(shù)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法。針對(duì)目前的系統(tǒng)架構(gòu)下不能充分支持時(shí)空信息共享的問題,給出了一種總線架構(gòu)參考。