高速磁懸浮列車測速定位技術研究

高速磁懸浮列車測速定位技術研究

列車列車識別定位系統(tǒng)在軌路車輛的安全指揮調(diào)度系統(tǒng)中起著重要作用。目前，普通列車的多種識別定位技術基本上可以滿足當前的鐵路交通需求。然而，隨著高速鐵路的發(fā)展，尤其是高速磁浮列車的繁榮，衰落列車的發(fā)展方向應該是快、快、快、舒適的。列車控制系統(tǒng)應負責列車的自動識別、自動運行和自動監(jiān)控，這對列車識別控制系統(tǒng)提供的列車位置和速度信息的精度、當前和當前的可靠性提出了更高的要求。磁浮鐵路系統(tǒng)是一種高速無接觸鐵路系統(tǒng)。雖然它不需要輪子，但使用電磁原理可以實現(xiàn)列車的懸掛、導向和動力。因此，磁浮列車的識別定位方法不同于傳統(tǒng)的導航列車。目前，日本和德國在磁浮列車技術領域發(fā)揮著主導作用。他們根據(jù)各自的情況，應用了不同的技術方案來實施列車的識別和定位。中國磁浮列車的研究始于20世紀80年代。雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。許多高校和科研院所對磁浮車輛的懸浮、定位和發(fā)展進行了基礎研究，并初步掌握了固定性、低速和短定磁浮車輛的控制技術和定位技術。隨著中國第一條磁浮高速鐵路示范線在浦東的啟動，中國對高速磁浮車輛交通技術的研究進入了一個新的發(fā)展階段。在許多需要解決的技術問題中，車輛定位技術是一個重要的研究主題。本文簡要介紹了國內(nèi)和國外磁浮車輛的檢測和定位技術，比較了它們的特點，并對中國磁浮車輛的探測和定位技術提出了一些建議。1國內(nèi)和國外的gps懸浮浮車定位技術由于磁懸浮列車沒有車輪,運行時車輛與軌道間無機械接觸,故它的測速和定位不能直接沿用傳統(tǒng)輪軌列車的測量方法,只能借鑒或研究新方法.1.1列車速度的測定該方法類似于輪軌列車中采用的無線擴頻定位技術,用微波來確定移動車輛的位置.安裝在線路旁的多個微波設備同時發(fā)送定位信號,車上的接收天線接收到定位信號后,由車載計算機比較這些信號的時間差,從而得到路程差,再結(jié)合線路和微波設備的幾何參數(shù),就可以計算出移動車輛的位置.以2個微波發(fā)送設備為例,建立如圖1所示的坐標系.設2個微波設備的坐標分別為(x1,y1),(x2,y2);線路條件y=f(x);列車的坐標為(x,y),則:L1=(x1?x)2+(y1?y)2?????????????????√L2=(x2?x)2+(y2?y)2?????????????????√ΔL=L1?L2y=f(x)???????????(1)L1=(x1-x)2+(y1-y)2L2=(x2-x)2+(y2-y)2ΔL=L1-L2y=f(x)}(1)由式(1)可求得列車的位置坐標(x,y).求得列車的位置變化后,和固定時間相比,即可求得列車的速度.另外,也可以通過安裝在列車上的多普勒雷達來測定列車的速度.多普勒雷達利用移動波源的頻率隨波源速度變化的多普勒效應來測定移動物體的速度,它也屬于利用微波測速.微波定位測速優(yōu)點是:維護量小、應用范圍比較寬,可以求得車輛的絕對位置,當移動目標速度很高時,效果較好;其缺點是:微波傳播會受多徑傳播干擾,云霧雨雪等惡劣天氣會使傳播特性變化,而且高大建筑物或山體會阻擋高頻電磁波的傳播,對復雜地形的適應性不強.另外,它的設備比較復雜、價格較高.1.2浮列車軌道上的軌道交通定位信號此方法在軌道上要鋪設軌間電纜,車上要安裝發(fā)送或接收裝置.軌間電纜是鋪于磁懸浮列車軌道上的用于列車定位測速和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N電纜,通過和列車上的感應線圈的電磁耦合,軌間電纜可以提供連續(xù)的位置和速度測量.測量時,需要一個單一頻率的定位信號,定位信號的發(fā)送和接收可分為兩種:車上發(fā)送地面接收;地面發(fā)送車上接收.1.2.1軌間電纜aucos式這種方式由車上的線圈天線向軌間電纜發(fā)送用于定位測速的高頻振蕩信號,鋪于軌道上電纜感應接收后,由地面設備處理,得到列車的位置、速度信息,基本原理如圖2所示.由圖2可見,軌間電纜以一定的間隔形成開放的環(huán)路,列車運行時,在軌間電纜上可得感應電壓:Eu=Aucos(2πx/p)(2)Eu=Aucos(2πx/p)(2)式中:x為列車線圈的位置;p為軌間電纜的環(huán)路間距;Au為軌間電纜感應電壓的幅值.可見,通過和軌間電纜相連的位置檢測對感應電壓進行檢波、比較和整形后,就形成了列車的位置脈沖.很明顯,位置脈沖的數(shù)目反映了列車的位置變化,而位置脈沖的寬度和列車的速度成反比,通過累計位置脈沖和測定位置脈沖的寬度后,就可以知道列車的位置和速度.這種方式的優(yōu)點是:簡單、實用,實現(xiàn)起來很方便,形成的位置脈沖接近50%的占空比,很容易檢測到列車位置的變化,由于軌間電纜鋪設在路軌中間,這種方式不會受地形、地貌和高大建筑的影響;其缺點是:位置精度較低,無法檢測到兩個環(huán)路之間的位置變化;如果減小軌間電纜環(huán)路之間的間隔,會增加位置脈沖的頻率,使檢測困難.另外,當列車由地面的長定子直線電動機同步驅(qū)動時,需要精確的同步脈沖,而同步脈沖來自位置信息,這就要求提高位置檢測精度.解決的方法是在路軌上鋪設多條軌間電纜,但這同時增加了數(shù)據(jù)處理的難度.1.2.2通過設置位置脈沖進行測量同樣采用軌間電纜,從軌道上的電纜發(fā)送定位信號,由列車上的感應線圈接收,實現(xiàn)列車的位置和速度檢測,如圖3所示.這時,軌道上只需敷設一條電纜,為提高位置測量的精度,車上一般設置多個接收線圈.由圖3可見,車上有3個接收線圈,它們的感應電壓經(jīng)比較整形后,形成相位間隔2π/3的3路脈沖,3路脈沖疊加后,形成位置脈沖,每個位置脈沖代表p/3的距離,位置脈沖的頻率是和列車的速度成正比的.通過對位置脈沖進行計數(shù)和頻率測量,可以獲得列車的位置和速度.當列車速度變化很大時,位置脈沖的頻率也會有很大的變化,過高的頻率會給測量帶來困難,可以在低速時使用全部3個線圈的感應信號組合形成位置脈沖,而列車在中高速運行時,分別使用2個和1個線圈的感應信號,這樣速度測量可以獲得比較平均的相對精度.這種方法的優(yōu)點是:線路上只需1根電纜,成本低,鋪設比較簡單,同時也可以保證比較好的位置檢測精度.另外,使用這種方式時,車上的設備可以直接得到位置和速度信息,在短定子驅(qū)動等場合,即使列車和地面的數(shù)據(jù)聯(lián)系中斷,車上的主控計算機也可以根據(jù)當前的位置、速度信息,控制車輛按預定模式?？?這對提高系統(tǒng)的安全性有一定的幫助.其缺點是:地面控制設備不能直接得到列車的位置速度信息,這些信息需要通過數(shù)據(jù)通道從車上傳至地面設備.1.3前車自動探測系統(tǒng)組成該方法借鑒了輪軌列車采用的交叉感應回線定位技術,也利用電磁感應原理來檢測列車位置和速度信息.首先,在軌道上敷設交叉感應回線,并對回線通以一定頻率的交流信號,然后通過車載傳感器檢測回線發(fā)送的信號.由法拉第電磁感應定律可知,感應電勢與磁通變化率成正比.由于磁通與磁場穿過線圈的有效面積成正比,當車載線圈與環(huán)路有重疊時,車載線圈中產(chǎn)生感應電勢,故重疊的有效面積越大,感應電勢就越高.車載線圈處于交叉感應回路的正上方時,產(chǎn)生的感應電壓最大,而位于相鄰回路的交叉部分時,其感應電壓為零,所以列車連續(xù)移動時,車載線圈輸出的電壓經(jīng)濾波整形后就形成位置脈沖,提供位置信息.把位置的變化量與所用時間相比就可以得到速度.如圖4所示,定位與測速系統(tǒng)主要由兩部分組成:激磁部分與感應處理部分.激磁部分用于連續(xù)發(fā)送高頻振蕩信號;感應處理部分則將感應到的信號處理成脈沖形式,由數(shù)字電路形成位置和速度信息.測速定位系統(tǒng)首要的也是最重要的工作是確定激磁信號的頻率、回線相鄰交叉點的間距、回線寬度以及車載天線的尺寸和匝數(shù).這些參數(shù)的選取主要從便于感應信號的提取方法、測速的準確度以及列車定位的精度等多方面的因素來確定.分析交叉感應回線的磁場分布特點是確定各種參數(shù)的基礎.從理論分析上看,在比較理想的環(huán)境中采用單個線圈組成的車載線圈可以得到正確結(jié)果;但是在實際現(xiàn)場卻可能出現(xiàn)根本測不到有用的位置脈沖的問題.這主要是由于懸浮控制器、電磁鐵、牽引直線電動機等電磁設備引起的高強度、寬頻譜的電磁噪聲,通過車載線圈感應進入系統(tǒng),將有用信號全部淹沒.為了解決干擾所帶來的問題,可采用回線交叉,由兩個交叉線圈取代單線圈以組成車載線圈的實施方案,這樣從兩個線圈中輸出的信號完全為有用信號,而且該有用信號為單個線圈輸出的有用信號的2倍.總之,交叉感應回線測速定位實現(xiàn)比較簡單,而且交叉感應回線近似于節(jié)矩增大的雙絞線,其相鄰環(huán)路的感應電動勢相反,可減小外界的電磁干擾.其缺點是:由于交叉區(qū)較窄,得到的位置脈沖占空比較小,隨著列車速度增加,位置脈沖漏計的可能性增大;而且亦需敷設電纜,提高了成本.日本名古屋1.5km的HSST磁懸浮列車試驗線和18.4km的超導高速磁懸浮鐵路山梨試驗線以及我國國防科技大學204m的磁懸浮列車實驗線,就采用了交叉感應回線法實現(xiàn)了列車的測速定位.實驗表明,采用這種方法列車定位精度能達到10cm,速度平均測量誤差為3.3%.1.4基于極距推定的列車此方法借鑒了輪軌交通中的信標定位、輪軌測速定位和基于查詢/應答器定位等定位技術,如圖5所示.在磁懸浮線路的特定位置上固定設置信標,作為絕對地理位置標識;相鄰兩個信標間,通過檢測同步電動機定子繞組的極距計算列車相對位置S,列車速度v由列車相對位置隨時間的變化推算,即:式中:N為檢測到的同步電動機繞組的極距數(shù);τP為同步電動機繞組的極距;Δt為位置變化ΔS所經(jīng)歷的時間;L為列車當前位置;SK為信標K所在的絕對位置信息.該檢測方法要求車載設備對信標絕對位置信息的解碼和對定子繞組極距數(shù)的檢測快速及時,其響應時間必須要達到磁懸浮列車運行最高速度的要求.如果發(fā)生極距漏檢和速度計算誤差時,位置信息可以在下一個信標處及時得到修正.列車上裝備的移動通信站與沿線分布的無線基站以雙工方式進行通信,將列車檢測到的位置和速度信息傳輸?shù)降孛?作為列車運行指揮中心進行列車控制的依據(jù);如果由于故障,信息未被地面控制中心接收到,列車運行控制中心就會切斷該列車所在區(qū)段的驅(qū)動電源,列車以制動方式或惰行方式在危險地點以外停下,符合安全-故障原則.德國高速磁懸浮TRANSRAPID采用的就是這種方法.2中國高速磁浮列車的跟蹤方案2.1色表蘇-圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館圖書館a.識別出方式當前,我國高速磁懸浮列車的研究發(fā)展戰(zhàn)略主要是進行技術引進與消化,攻關與創(chuàng)新工作,從技術上實行迎頭趕上.因此,本文主要針對上海磁懸浮高速鐵路示范線上運行的德國TRANSRAPID常導、高速、長定子直線電動機驅(qū)動的磁懸浮列車的測速定位技術進行研究,為高速磁懸浮交通系統(tǒng)的國產(chǎn)化服務,也為將來我國高速磁懸浮交通技術的進一步發(fā)展做好準備.鑒于我國實際國情以及高速磁懸浮交通技術的特點,在制訂測速定位方案時應遵循的原則為:(1)技術實現(xiàn)要具有可行性.盡量采用成熟的軌道交通測速定位手段和借鑒國外的磁懸浮列車測速定位技術,同時大膽吸收和引進航空、航天等領域的測速定位技術和手段.(2)系統(tǒng)要具有高可靠性.在系統(tǒng)設計中應采用多種檢測方式相結(jié)合,如雙機冗余、系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)自檢等方法,使測速定位系統(tǒng)具有故障-安全特性,在系統(tǒng)發(fā)生故障時,能夠有可靠的替代方式或降速運行直至安全停車.(3)測量的速度和位置信息要具有較高的準確性和實時性,能夠滿足磁懸浮列車高速運行的需求.測速定位精度在很大程度上取決于原始信息的來源,為了獲得高精度,必須選擇先進的傳感器.(4)盡量采用智能化、數(shù)字化的處理方法.這樣既可以采用微處理器進行高精度測量,也便于系統(tǒng)的功能擴展,使系統(tǒng)具有更大的通用性.(5)測速定位系統(tǒng)的工作環(huán)境非常惡劣,除受鐵末、雨雪、污物等影響外,還受磁懸浮列車運行時強大工作電流所引起的強電磁場干擾的影響,測速定位系統(tǒng)的設計必須考慮抗強電磁場干擾問題.2.2列車列車初始定位基于2.1節(jié)的原則,考慮到造價、技術難度等因素,結(jié)合現(xiàn)階段實際情況,可采用基于長定子直線電動機定子齒槽計數(shù)定位測量和定位標志板檢測相結(jié)合的測速定位技術進行研究.測速定位裝置安裝在車輛上,測量的主要參照物是磁懸浮交通線路上的長定子鐵芯和定位標志板.由于列車運行時車輛與地面軌道沒有機械接觸,故應采用非接觸式的測量方法.例如可以用安裝在車輛上的非接觸式傳感器對列車經(jīng)過的軌道齒槽數(shù)進行檢測,得到列車行駛的相對距離,由此推算出列車行駛的速度.在定位方面,可以采用檢測定位標志板絕對位置的定位技術,這借鑒了輪軌列車中的無源查詢/應答器定位技術和信標定位技術,即通過安裝在車輛上的有源傳感器對線路上位置固定的無源譯碼器(簡稱定位標志板)進行掃描,解碼后得到車輛的絕對位移.需要解決的關鍵技術大致有:(1)傳感器的研制.列車測速采用了非接觸式檢測技術,通常可采用的傳感器有電磁式、電感式、電渦流式和霍爾式等,因此,需要對這些傳感器進行試驗比較,以最終確定測速傳感器類型.(2)系統(tǒng)的測量精度.測速定位系統(tǒng)所提供的信號用于計算列車的實際運行速度和控制長定子直線同步電動機速度,要求齒槽計數(shù)定位傳感器測量分辨率很高;而且,列車運行過程中的不確定因素,將會使傳感器的輸出信號受到影響,因此需要研究提高測量精度的處理方法.(3)系統(tǒng)的可靠性.由于磁懸浮列車速度很快,可靠可用的測速定位通道是必需的,其數(shù)目應是冗余的和可配置的,這要求加強避錯和容錯技術的研究,保證系統(tǒng)具有故障-安全特性.(4)電磁兼容性.磁懸浮列車在運行時,分別依靠電磁鐵和線性電動機進行懸浮和驅(qū)動,會遇到各種干擾,電磁兼容問題是設計整個系統(tǒng)時必須考慮的重要環(huán)節(jié)之一.3非接觸式傳感器測量技術在高速列車(1)從系統(tǒng)角度