（电力电子与电力传动专业论文）磁悬浮列车自动控制atc系统研究.pdf

abs tracts m a g l e v ( m a g n e t i c a l l y l e v i t a t e d v e h i c l e ) i s a n e w t y p e gro u n d v e h i c l e , i t m a k e s t h e v e h i c l e s u s p e n d e d b y e l e c t r o d y n a m i c r e p u l s i o n o r e l e c t r o m a g n e t i c s u c t i o n . s i n c e t h e v e h i c l e d o e s n t t o u c h t h e r a i l , i t h a s n o d e m e r i t s o f c o n v e n t i o n a l r a i l w a y , a n d i t h a s s u c h m e r i t s a s c o m f o rt a b l e 记i n g , h i g h s p e e d , b e i n g c o m p a t i b l e w i t h e n v i r o n m e n t e t c , a l l t h e s e m e r i t s m a k e t h e m a g l e v a n e w t y p e c o mp e t i t i v e g r o u n d v e h i c l e m o r n t h e 6 0 s o f 2 0 , t h e m a g l e v h a s b e e n i n v e s t i g a t i n g b y m a n y f o r e i g n c o u n t r i e s , a m o n g t h e s e c o u n t ri e s , g e r m a n a n d j a p a n a r e r e p r e s e n t a t i v e , w i t h d e c a d e s e ff o rt , e a c h o f t h e t w o c o u n t r i e s h a s g o t t e n t h e a b i l i t y t o m a k e t h e m a g l e v p r a c t i c a b l e . i n o u r c o u n t ry , s o m e c o l l e g e s a n d i n s t i t u t e s b e g a n t h e r e s e a r c h a b o u t 8 0 s o f 2 0 , a n d a l o t o f p r o gr e s s e s h a v e b e e n m a d e b y n o w , t h e m a g l e v i n s t i t u t e o f s o u t h w e s t j i a o t o n g u n i v e r s i ty h a s d o n e a l o t o f w o r k i n t h i s f i l e d . t h e m a g l e v h a s o b v i o u s a d v a n t a g e s o v e r t h e c o n v e n t i o n a l r a i l w a y , b u t i t i s m o r e c o m p l e x . t o m a k e t h e m a g l e v m o r e c o m p e t i t i v e , a p o w e r f u l a t c s y s t e m i s n e e d e d f o r t h e h i g h - s p e e d , e ff e c t i v e , a n d a u t o o p e r a t i o n o f m a g l e v . i n t h e m e a n t i m e o f d o i n g r e s e a r c h o n m a g l e v i t s e l f , t h e f o r e i g n c o u n t r i e s h a v e i n v e s t e d a l o t o f m a t e r i a l r e s o u r c e s a n d m a n p o w e r i n t h e i n v e s t i g a t i o n o f a t c s y s t e m f o r m a g l e v . d e p e n d o n s i t u a t i o n o f a c o u n t ry , e a c h c o u n t ry h a s a d o p t e d d i ff e r e n t p r o j e c t a n d a c t u a l i z a t i o n , t h e r e i s n o a b s o l u t e l y d o mi n a n t o n e b y n o w . i n o u r c o u n t r y , i t i s n o t s o l o n g t o b e g i n t h e r e s e a r c h o n m a g l e v , a l o t o f p r o b l e m s r e m a i n u n s o l v e d , a s f o r t h e i n v e s t i g a t i o n o f a t c s y s t e m f o r m a g l e v , a l m o s t n o w o r k h a v e b e e n d o n e . b e c a u s e t h e p o w e r f u l a t c s y s t e m i s v e ry i m p o rt a n t f o r t h e o p e r a t i o n o f m a g l e v , a n d t h e m a g l e v u s e l f h a s m a n y c h a r a c t e r i s t i c s , i t i s n e c e s s a ry t o b e g u n t h e r e s e a r c h o n a t c s y s t e m f o r m a g l e v i n o u r c o u n t r y . t h e a i m o f t h i s t h e s i s i s t o d o s o m e i n i t i a l w o r k i n t h i s f i e l d , i n t h i s t h e s i s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f m a g l e v a t c s y s t e m a r e a n a l y z e d , m a n y k i n d s o f a t c s c h e m e s a r e c o m p a r e d w i t h e a c h o t h e r , a n d a m a g l e v a t c s y s t e m f o r t h e c u r r e n t s t a g e i n o u r c o u n t ry h a s b e e n r a i s e d . j u s t a s t h e a t c ( a u t o m a t i c t r a i n c o n t r o l ) s y s t e m f o r c o n v e n t i o n a l r a i l w a y , t h e ma g l e v a t c s y s t e m i s c o n s i s t e d o f t h r e e p a rt s : a t p -a u t o m a t i c t r a i n p r o t e c t i o n , a t o -a u t o m a t i c t r a i n o p e r a t i o n , a n d a t s -a u t o m a t i c t r a i n s u p e r v i s i o n , v e h i c l e l o c a t i n g , v e l o c i t y m e a s u r i n g a n d d a t a t r a n s m i s s i o n a r e a l s o t h e b a s i s o f t h e w h o l e a t c s y s t e m . t h e d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e c o n v e n t i o n a l t r a i n a t c s y s t e m a n d m a g l e v a t c s y s t e m i s t h a t : f i r s t l y , t h e p r i n c i p l e o f m a g l e v a n d c o n v e n t i o n a l r a i l w a y i s d i ff e r e n t , s o t h e t r a c k c i r c u i t i s n o t s u i t a b l e f o r m a g l e v . s e c o n d l y , s i n c e t h e m a g l e v m a y r u n v e ry f a s t , i t i s s t r i c t e r f o r s p e e d p r o t e c t i o n f u n c t i o n o f a t p s y s t e m . t h i r d l y , a l o t o f e q u i p m e n t h a d t o b e u s e d f o r t h e o p e r a t i o n o f n n a g l e v , a n d t h e r e a r e m a n y d i g i t i n s t r u m e n t s i n a t o s y s t e m , s o , m u c h m o r e d a t a s h o u l d b e n a n s n n i t t e d i n o r d e r t o m a k e s u r e a l l p a rt s i n t h e s y s t e m w o r k c o r r e c t l y . i n a l l , t h e m a g l e v a t c s y s t e m s h o u l d b e t h o u g h t o v e r f r o m t h e b a s i c t e c h n o l o g y s u c h a s d a t a t r a n s m i s s i o n t o h i g h - l e v e l i l l f u n c t i o n s u c h a s t r a i n s c h e d u l i n g , a n d t r a i n a d m i n i s t r a t i o n . t h i s t h e s i s i s d e p l o y e d a ro u n d e s t a b l i s h i n g a i n t e g r a t e s e t o f a t c f o r m a g l e v , e m p h a s e s a r e p u t o n d a t a t r a n s m i s s i o n , t r a i n d e t e c t i n g a n d s p e e d m e a s u r i n g , in a d d i t i o n t o t h a t , r e l e v a n t t e s t s a r e c a r r i e d o u t . t h e c o n t e n t s o f t h i s t h e s i s a r e a s f o l l o ws : 1 . c h a r a c t e r i s t i c s o f m a g l e v a t c a r e s u m m a r i z e d a n d t h e m a g l e v a t c i s c o m p a r e d w i t h c o n v e r s a t i o n a l r a i l s i g n a l a n d c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . ? . t h e f o r e i g n m a g l e v a t c s y s t e m s h a v e b e e n a n a l y z e d , a n d b e e n s u m m a r i z e d . 3 . a l l k i n d s o f m e t h o d s f o r m a g l e v l o c a t i n g a n d s p e e d m e a s u r i n g a r e c l a s s i f i e d , a n d c o m p a r e d w i t h e a c h o t h e r . c a l c u l a t i o n m e t h o d s a n d t h e a p p l i c a b l e d o m a i n o f e a c h m e t h o d a r e g i v e n . 4 . a l l k i n d s o f m e t h o d s f o r m a g l e v d a t a t r a n s m i s s i o n a r e c l a s s i f i e d , a n d c o m p a r e d w i t h e a c h o t h e r . t w o n e w m e t h o d s ( i n d u c t i o n w i r e l e s s d a t a t r a n s m i s s i o n , a n d s i n g l e w i r e d a t a t r a n s m i s s i o n ) a r e p u t f o r w a r d , a n d t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d s a r e g i v e n . 5 . i n o r d e r t o e s t a b l i s h d a t a t r a n s m i s s i o n n e t w o r k i n s i d e m a g l e v , h i g h - s p e e d t r a i n c o n t r o l n e t w o r k a n d f i e l d b u s e s s u c h a s l o n wo r k s , c a n a re d i s c u s s e d . 6 . t h e f u n c t i o n s o f a t p , a t o f o r m a g l e v a r e d i s c u s s e d . 7 . a s c h e m e i s p u t f o r w a r d , w h i c h i s d e s i g n e d f o r t o - a n d - f r o m a g l e v t r a i n b e t w e e n t w o s t a t i o n s , a n d t h e p r a c t i c a b l e m e t h o d s f o r e a c h p a rt o f t h i s s c h e m e a r e d i s c u s s e d . 8 . t h e i m p o rt a n t p a rt i n m a g l e v c o m m u n i c a t i o n s y s t e m n a m e d c o m m u n i c a t i o n c o n t r o l b o x i s d e v e l o p e d . 9 .t e s t s f o r d a t a t r a n s m i s s i o n , t r a i n p o s i t i o n d e t e c t i n g , a n d s p e e d m e a s u r i n g a r e c a r r i e d o u t . j k e % t r o r d s j : ma g l e v ; a t c ; a t p ; a t o ; a t s ; t r a i n l o c a t i n g ; s p e e d m e a s u r i n g ; i n d u c t i o n c o u p l e ; mo me n t m e t h o d . i v 西南交通人学博 i - 学位论文 第一章 绪论 1 . 1 磁悬浮列车在各国的 发展 磁悬浮列车摆脱了轮轨关系的束缚，它以速度高、乘坐舒适、对地形适应 j性强、选线较灵活、无污染、和与环境兼容等诸多优点受到各国的广泛重视， 磁悬浮列车的发展时间不长，但各国己取得了可喜的成就，显示出磁悬浮列车 强大的生命力。 1 . 1 . 1 在德国的发展状况 自 德国 人h e r m a n n k e m p e r 在二十世纪三 十年 代 提出电 磁悬浮理论 后， 法、 德、英、日、韩等国纷纷展开研究，并建成多条试验线，取得了世人瞩目 的成 就， 磁悬浮列车作为一种新型的交通工具，正 在走向 成熟2 6 1 在德国，经过对四种悬浮模式比较后( 气垫悬浮、永磁悬浮、常导悬浮、超 导悬浮) ，最终选定常导悬浮作为发展方向，以长定子直线电机为驱动方式。 建成了多代磁悬浮列车。 1 9 7 1 年5 月， 建成第一个常导悬浮试验装置， 采用短定子直线电机， 在6 6 0 m 长的线路上时速达到9 0 k m / h o 1 9 7 1 年8 月，建成t r a n s r a p i d 0 2型常导 磁悬浮列车，采用短定子直线电 机，在9 2 0 长的线路上，达到1 6 3 k m / h a 1 9 7 4 年， 建成t r a n s r a p 工 d 0 4 型常导 磁悬浮列车，采用短定子直线电 机， 可乘坐 2 0 人，在2 4 0 0 m 长的线路上，达到2 0 0 k m / h 的速度。 1 9 7 6年， 型号为 h m b 2的 试验车辆，是第一个以 长定子直线电 机驱动的 载 人装置，它达到3 6 k m / h 的速度。 1 9 8 8 年， 建成t r a n s r a p i d 0 6型常导磁悬浮列车， 采用同步长定子直线电 机，在3 5 k m 的线路上，达到4 1 2 k m / h 的速度。 1 9 9 3年， 建成t r a n s r a p i d 0 7 型常导磁悬浮列车， 采用同步长定子直线电 机，在3 5 k m 长的线路上，达到4 5 0 k m / h 的速度。 目前，正在计划建造的柏林一 汉堡高速磁悬浮列车线路，可望在 2 0 0 5年建 成世界上第一条商用磁悬浮列车线路。 西南交通大学博 1 : 学位论文 经过几十年的努力， 德国已 经成为磁悬浮列车技术领先的国家。 1 . 1 .2 在日 本的发展状况 在日本，早在7 0 年代中期，就认识到了高速磁浮铁路的优点，并进行了有 目 的的开 发工作， 主 要 采用 超导 悬浮的 模式2 5 1 1 9 7 2年，第一辆研制的超导磁悬浮原理车辆问世，该车在 4 8 0 m长的试验 线路上达到了6 0 k m / h 的速度。 1 9 7 9年，代号为m l - 5 0 0的无人驾驶试验车就达到了5 1 7 k m / h的创纪录速 度。 1 9 8 7 年， 试验车m l u - 0 0 2 在宫崎试验设施上做实验运行。 长 2 2 m ， 重 1 7 吨， 可容纳约4 4 名乘客。车速为4 2 0 k m / h e 日 本从1 9 7 5 年开始发展中低速磁悬浮列车，即h s s t ( h i g h s p e e d s u r f a c e t r a n s p o r t a t i o n高 速路面 运输) 。分别建成了h s s t - 0 1 至h s s t - 0 5等多辆磁悬 浮列车。这些车辆曾多次展出，得到了公众的认可。 1 9 9 7的山梨试验线路，计划全长 4 2 . 8 k m ，先期建成 1 8 . 4 k m 。试验车辆经 过很大的改进， 第一组车由 三节组成， 全长7 7 . 6 m ， 可乘坐4 6 人， 速度达5 5 0 k 耐h . 第二组车由四节组成，全长1 0 1 . 9 m ，可乘坐7 0 人，速度为5 5 0 k m / h e 日本正努力使磁悬浮列车成为继新干线之后，面向未来的新一代高速地面 交通工具。 1 . 1 . 3 在其他国家的 发展状况 在英国，1 9 7 4年在德比进行了磁悬浮行车技术试验，采用 3 . 5米长，3吨 重的试验车，在1 0 0 m 长的线路上走行。 1 9 8 4年，建成伯明 翰机场到国际博览会展区的 线路， 有三辆小型常导磁悬 浮列车往复运行，速度5 0 k m / h ，它应用在正式的公共旅客运输上。 另外，加拿大、法国、及前苏联都对磁悬浮技术和驱动技术做了研究，并 建成一些相应的试验设施 从 8 0年代初， 我国一些高校和研究单位开始研究常导型磁悬浮列车，至今 己取得了一定的成果。西南交通大学于 1 9 9 4年研制成功我国第一台常导短定子 双转向架磁悬浮试验列车，并通过铁道部科技成果鉴定。目前正与四川省都江 西南交通人学博 : 学位论文 堰市合作，利用这项技术修建一条全长约2 . 0 6公里的磁悬浮列车旅游工程示范 线 磁悬浮列车符合对现代交通工具的要求，具有速度快、适应性强、无污染、 和乘坐舒适等许多优点，尤其是在环境保护问题日益突出的今天，磁悬浮列车 和环境兼容的特点更加突出，一般来说，磁悬浮列车的行车轨道架设在净高约 4 . 5米的高处，它既不会切断地形，也不会破坏高大的建筑，磁浮轨道下的地 面还可以用于交通和农业生产，所以磁悬浮列车在城市交通中有广泛的应用前 景。 1 .2磁悬浮列车自 动控制系统 ( a t c )的特点 无论是传统的轮轨铁路，还是新型的高速磁悬浮列车，都需要一套完善的 列车自 动控制 ( a t c )系统来保证列车的安全和高效运行。因为这两者的工作原 理不同，所以和传统的轮轨铁路自 动控制系统相比，磁悬浮列车自 动控制系统 也有着显著的不同。 1 . 2 . 1 轮轨列车的 信号控制 对轮轨铁路来说，随着铁路交通的发展，列车的速度越来越高，运行密度 越来越大，铁路信号和控制技术也在不断的发展着。从机械式集中连锁、电话 闭塞及机械式自 动停车装置、到机电式电气集中及利用轨道电路的自 动闭塞， 色灯信号机取代了臂板信号机，感应式自 动停车装置取代了机械接触式自 动停 车装置，随着轻轨、高速、及摆式列车的发展，对信号和控制技术的要求也越 来越高。 机车信号机 轮轨铁路的信号控制系统是基于 轨道电路的 i ) ，由于轨道电 路技术的 出现，使站间较长的距离区间可以划 分为若干个较短的闭塞分区，从而有 效地缩短了行车间隔，明显地提高了 通过能力， 轨道电路如图1 - 1 所示， 铁路信号控制系统的关键，是列 车定位测速以及列车和地面之间的数 图1 - 1轨道电路 西南交通人学博 t: 学位论文 据传输。在轮轨列车中，主要采用和轮轴相连的测速发电机来测定车辆的速度， 列车定位可以 采用计轴设备或轨道电 路，而数据传输主要采用轨道电 路( 2 1 从图1 - 1 中可以看出，列车的轮对短路轨道电流时，会产生区间占用信号， 地面发送机把信息调制在轨道电流上，机车接收机通过接收线圈对轨道电流感 应接收，解调后，可以获得行车指令。 由于轨道的电特性不理想，轨道电路使用的频率都比较低，一般只传送用 于行车安全的少量信息;另外， 轨道电路的分界不易确定，实现移动闭塞比较困 难 。 现在，随着列车速度的不断提高，通过引进和开发，铁路信号己开始从以 地面信号为主体信号转换成以机车信号为主体信号，从以反映列车空间间隔为 主的信号转化成以指示列车运行速度为主的速差信号，并大力发展列车超速防 护系统。 1 . 2 .2磁 悬浮 列 车自 动控制( a t c ) 系 统 和传统的轮轨列车相比，磁悬浮列车在轨道铺设、驱动方式、和调度运行 等方面有很大的不同，对磁悬浮列车自 动控制系统也有着不同的要求。 首先，由于磁悬浮列车的速度很快， 依靠驾驶员观察地面信号的操作方式己 经不能保证它的安全，应该以自 动驾驶为主，人工干预只是在系统故障或意外 发生时刁介入。其次，为了提高磁悬浮列车的运行密度，必须缩短列车之间的 间隔，实现移动闭塞，这需要连续检测列车的位置、和速度，精确实现列车的 超速防护。再者，作为新一代的高速地面交通工具，磁悬浮列车自 动控制系统 应该是一个分布式、多级控制系统，而且应该有调度、规划等高层管理功能和 友好的人机界面。 从系统组成和功能来说，整个磁悬浮列车 a t c( 自 动控制系统一a u t o m a t i c t r a i n c o n t r o l ) 系统和传统的轮轨列车a t c 系统应该是相近的， 它包括:a t p ( 列车超速防护一a u t o m a t i c t r a i n p r o t e c t i o n ) . a t o ( 列车自动驾驶一 a u t o m a t i c t r a i n o p e r a t i o n) , a t s( 列车 自动监控一a u t o m a t i c t r a i n s u p e r v i s i o n ) 及故障一 安全 ( f a i l - t o - s a f e ) 等功能。 a t p主要对列车的驾驶进行防护， 对和安全有关的设备或系统实行监控， 实现列车间隔保护、超速防护等功能。它的主要工作原理是:不断地将一些信 西南交通大学博 i s 学位论文 息 ( 如:来自 连锁设备和操作界面上的信息、地形信息、前方目 标点的距离和 允许速度信息等等)从地面传至车上，从而得出此时刻所允许的安全速度，依 此来对列车实现速度监督及管理。a t p可以缩短列车间隔，提高线路的利用率 和行车的安全可靠性。 a t o主要用于实现地面对车辆的控制，即用地面信息实现对列车驱动、制 动的控制。使用a 丁 0 后，可以使列车经常处于最佳运行状态，避免了不必要的， 过于剧烈的减速和加速，因此明显提高了旅客的舒适度，提高列车准点率及减 少电能的消耗，这是磁悬浮列车主要的运行方式。 a t s主要是实现对列车运行的监督和控制，辅助行车调度人员对全线列车 运行进行管理。它给行车调度人员显示出全线列车的运行状态、监督和记录运 行计划的执行情况，在列车因故偏离运行图时及时做出反应 ( 提出调整建议或 自动修改运行图) 。还可通过a t o 的接口，向旅客提供运行信息通报 ( 如:列车 到达、出发时间、运行方向、和中途停靠站名等) 。 任何列车自动控制系统都是建立在列车定位测速和数据传输基础之上的， 对磁悬浮列车来说，车上和地面设备都比较复杂，需要传输大量的信息，而且 由于没有轮轨接触，不能使用测速发电机和轨道电路，要使磁悬浮列车在各方 面的优点充分发挥出来，首先必须有一套可靠而有效的信号通信系统来实现列 车的定位测速和数据传输，然后实现a t o , a t p , a t s 等功能。 同用于轮轨列车的 a t c系统相比，磁悬浮列车自 动控制系统具有以下几个 特点: ( 1 )工作在高速度、强电磁环境下 磁悬浮列车运行速度一般在2 0 0 公里以 上，而且车上和地面电子设备很多， 会产生很强的电磁辐射，尤其是悬浮系统的电磁铁，会产生很强的磁场，这些 对信号通信系统都有不利的影响，这样的环境对列车的超速防护提出了更高的 要求。 ( 2 )车辆和轨道无接触 传递的主要方式，通过检测轨道电流， ; ，在轮轨列车的场合，轨道电路是信息 可以得到区间占用信息和行车控制信息， a t c系统的基础是信号和通信系统 但是对磁悬浮列车来说，列车和轨道没有接触，而且磁悬浮列车使用的轨道无 法形成电流的闭合回路，这些使得传统的轨道电路无法应用，必须另寻途径以 西南交通人学博一: 学位论文 完成车辆的定位测速和数据传输。 ( 3 )整个系统设备多，分布广 由于磁悬浮列车的运行速度很高，为保证安全，必须连续检测列车的位置 和速度。在列车运行区段的任何位置，车辆都必须和控制中心保持双向数据通 信，这需要大量的通信设备，这些设备分布在线路上，相互联系，共同保证列 车的调度和运行。 ( 9 )数据流量大，实时性要求高 由于数字技术和计算机技术的大量引入，磁悬浮列车的运行和控制变得更 加复杂，为协调各部分的工作，磁悬浮列车的信号通信系统必须传递大量的数 据，而且列车可能以很高的速度密集运行，车辆的保护间隔减小，所以，这些 数据传递都有实时性要求。 ( 6 )需要完善的a t c 功能 磁悬浮列车是作为面向未来的新型地面交通工具出现的，由于人们对交通 工具的要求越来越高，磁悬浮列车自动控制系统除了实现基本的旅客安全运输 功能外，还应该具有灵活的调度管理功能，随时使系统处于最优状态，为乘客 提供完善的综合服务。 从上述特点来看，适用于磁悬浮列车的自动控制系统和传统的轮轨电路有 很大不同，它更复杂、要求更高、新技术、和新理论成分多。对整个自动控制 系统提出了新的要求。 1 .3本章小结 本章简要回顾了几十年来磁悬浮列车在各国的发展，重点介绍了德国和日 本取得的一些成就，这两个国家分别在常导悬浮和超导悬浮技术上具有代表 性。 本章还归纳、总结了磁悬浮列车自 动控制系统的特点，并和传统的轮轨列 车信号控制系统作了比 较。 良好的自 动控制系统是充分发挥磁悬浮列车各项优势的必要条件，而列车 自 动控制系统是建立在信号和通信系统基础之上的，由于磁悬浮列车在工作原 理和运行方式等方面不同于传统的轮轨列车，必须采用新的方法来实现信号和 通信系统，同样，适用于磁悬浮列车的自 动控制系统也具有许多新的特点。 西南交通大学博i s 学位论文 目 前，国内尚无一套用于磁悬浮列车的、成熟的自 动控制系统，德国和日 本是磁悬浮列车技术领先的国家，下一章将介绍德国和日本的磁悬浮列车自 动 控制 ( a t c )系统的组成和功能。 本章内容具有创新意义的是: 1 .提出了磁悬浮列车自 动控制 ( a t c )系统应由a t p . a t o . a t s 组成。 2 .分析了磁悬浮列车自 动控制 ( a t c )系统的特点。 西南交通人学博 : 学位论文 第二章 国外磁.浮列车自动控制( a t c ) 系统 在国外，各国在发展磁悬浮列的研究的同时，也投入了大量的人力和物力 对适用于磁悬浮列车的自 动控制系统展开研究，各国根据具体条件不同，有着 不同的方案和实现。 2 . 1德国磁.浮列车 t o 系统 德国 磁悬浮列车的a t c系 统主要由s i m e n s , t h y s s e n 、 和a d t r a n z 等i l 个 公司研制， 它是分级、多层次的 a t c系统，使用微波作为信号与通信的主要 手段!3 。 2 . 1 . 1 系统组成及功能 在德国，考虑到任意长度线路和任意复杂性的需要，建立了一套基于计算 机控制的列车自 动控制系统。这套系统覆盖了一系列非常广泛的功能，包括和 过程相关的安全控制功能以及多辆列车的调度管理功能，这套系统具有分布式 控制、多通道冗余、故障一 安全等特点。它由相互联系的几个部分组成，如图2 - 1 所 示 !5 2 1 其中，运行控制系统包含所 有的功能和设备，如安全监控、 运行控制、运行管理、和运行规 划等。它还提供乘客信息通道和 保证设备间的信息交换。 如果从功能上划分，整个系 统可以分为中心控制、分散控 制、和车辆控制三个部 分: ( 1 )中心控制 中心控制主要负责列车的 运行规划和运行管理等功能。 ( 2 )分散控制 分散控制由分布在线路两 驱动 系统 线路 运行控制系统 运行 设备 图2 - 1自 动控制系统组成 西南交通人学博 卜 学位论文 侧的许多设备组成， 这些设备相互联系， 共同保证列车在线路上的安全运行。 ( 3 )车辆控制 车辆控制在车上实现，主要功能是监控车上设备的状态，保证和地面设 备的通信，保证车上设备故障一 安全等。 按功能、结构划分的自 动控制系统以及相互之间的联系如图2 - 2 所示14 9 1 中 心运行控制系统中心供电控制系统 运行控制中心 故降诊断系统 . -.-.- . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 通信网络 通信 网络 -dpp - dps -早-i t - i t - i t 分散拧制 通信网络 移动无线通信 车内控制系统，l . 辆 轨道 图2 - 2 白 动控制系统结构 图中:doc s y s t e m) dp p ds p dp s 分散运行控制系统 (de c e n t r a l i z e d o p e r a t i o n sc o n t r o 分散点式防护装置( d e c e n t r a l i z e d p o i n t p r o t e c t i o n ) 分散车站保护装置 ( d e c e n t r a l i z e d s t a t i o n p r o t e c t i o n ) 分散驱动开关 ( d e c e n t r a l i z e d p r o p u l s i o n s w i t c h - o ff ) 为实现自 动驾驶，每一部分必须完成不同的功能， 各部分的功能如下: 一 、运行控制中心 1 . 计划 磁悬浮列车每天按日常计划运行。日常计划包括每两车的运行顺序、 9 西南交通人学博 卜 学位论文 运行路线、和收发车时间等。 2 . 调度 控制中心按当前线路条件，依计划发出车辆。出现故障或冲突时，按 照预先定好的策略改变或撤销计划。 3 . 监视 通过比较预定计划和实际执行情况，实现多辆列车的优化运行。为了 实现无阻塞的调度，必须随时得到交通状况和各种设备的工作状况。 4 .控制 控制参数来自日常行车计划、调度情况、和当前运行情况。并依照控 制算法来设定行车路线和行车速度。 5 .乘客通知信息 乘客通知信息大部分来自日常计划，按照列车行车位置的不同，可以 显示在车站、月台、和车上。 6 .行车记 录 列车的运行数据和各种与安全有关的数据都要记录下来，同时也要记 录驾驶员的各种操作。这些数据用于进一步的分析统计和故障诊断。 7 . 自诊断 参与数据处理的各种硬件是由软件模块监视的，出现故障时，及时通 知诊断系统。 二、分散控制 分散在路轨旁的分散控制设备直接参与列车的控制和运行。它的功能是控 制和保证本区段内列车的安全。它负责驱动的给定值设定、线路和列车保护。 分散控制系统和相邻的驱动、车辆、线路、及运行控制中心通信。一般来 说，它控制的区段只是复杂的磁悬浮列车运行网络的一段，在这个网络中，许 多磁悬浮列车在预定的时间表或合适的中央控制下自 动运行。 在中心控制系统的指挥下，分散控制系统通过线路保护和控制单元，确保 所需的线路安全可用。 它会一直监测本区段，防止提前释放。 分散控制系统会根据具体的线路和车辆条件，调整驱动单元的参数，具体 实现调度要求。 三、车辆控制 西南交通人学博 卜 学位论 文 车辆控制系统实际上实现了整个磁悬浮列车自 动控制系统的一个子集，它 的主要功能是保护和检测各种车载设备的安全。通过移动无线传输，车上的列 车保护系统始终和分散控制系统保持着联系，即使在列车和分散控制系统的联 系中断的情况下，运行所需要的各种参数也被车上的控制系统保持着，这些参 数不断的和当前参数比较，在超出允许范围之前，列车的保护系统就会被激活， 保护系统会接管列车控制，通过列车上的后备制动装置，使列车减速，或停止。 a e g , s e l、 和 s i e m e n s公司一直不断的 对运行控制技术这个主 题进行 研究，当t r 0 7 型磁悬浮列车试运行时，己实现了以下功能和设备: ( 一) 安全保护系统 列车安全装置 ( 位置及速度数据采集、速度检测、距离保护、起动 及强迫制动) 检测和切断牵引力 线路保护 ( 封闭导轨、检测导轨、开通导轨) 道岔保护 ( 转向、开通、关闭、检测) 二) 控制装置 驱动的分配及接入 额定值优化 ( 目的地及额定速度的计算) 列车调节 ( 加速度和速度调节、目 标制动) ( 三)运行管理 预先规定并存储正常的运行计划 预先规定实施的行车计划 预测运行状态 提供操作数据 诊断所有运行方式的故障 ( 四)数据传输系统 移动对象与固定位置之间的传输 沿导轨方向线路两侧固定位置间的传输 线路两侧与中央控制设备的数据传输 ( 五)外围设备 酉 己 电站控制装置和驱动调节装置 西南交通人学博士 学位论文 辅助电路控制装置。 供电装置 数据传输装置 ( 通信，图像，诊断数据) 2 . 1 . 2列车测速定位及数 据传物 整个列车运行控制系统的关键在于列车的定位测速和数据传输，a e g公司 化了约1 0 年的时间对磁悬浮列车的信息传输及列车定位进行专门的研究。最后 对 t r 0 7确定的方案是:数据通讯采用毫米波、列车的绝对定位采用位置参考 片 ( l r l ) ,毫米波通讯方式如下图2 - 3 所示s s 图2 - 3 毫米波通信 从图 2 - 3中可以看出，列车上设置了微波接收天线，沿线安装了固定的毫 米波收发器。每个收发器覆盖一定区段，负责线路区段及磁悬浮车辆间的数据 通信，可以传输线路控制、安全、驱动、以及旅客通讯信息。 利用毫米波信道，测量固定站与移动站之间无线电波传输时间就能确定车 辆的位置，车辆上配装有两套无线电设备，因此大大提高传输系统的可靠性， 并获得准确的位置参数。 为了测量列车的速度， 采用了多普勒测速度仪，该测速仪安装在车辆底部， 工作频率 2 4 g h z 。当 车辆移动时，多普勒效应使反射波的频率发生微小偏 移，车载设备检测这个偏移，从而计算出列车的速度。 为了获得车辆的绝对位置，采用对位置参考片 ( l r l )进行扫描的办法。 无源译码是通过在位置参考片上对导电金属进行特殊处理实现。编码方式如图 2 - 4 所示p 4 两南交通人学博 l : 学位论文 共二 组。当车上的矩形线圈位于感应回线的中心时，交叉感应回线接收的信号 电压最大;当车上的矩形线圈位于感应回线的交叉点时，接收的信号电压最小。 将三组感应信号组合起来，会得到相位角从0“ 到3 6 0” 变化的信号，检测 组合后信号的相位角，就可以计算出列车的位置，在连续检测到列车的位置后， 参照固定时间就可以计算出列车的速度。 在山崎磁悬浮列车示范线上，试验了两种无线方式来传输数据。一种是泄 漏同 轴电 缆 ( l c x -l e a k y c o a x i a l c a b l e ) ，另一种是毫米波通讯。 泄漏同轴电缆，基本上是在原来的同轴传输线的外导体上，开设短的槽 ( s l o t ) ，这些槽构成缝隙源天线，从槽中泄漏出来的电磁波可以被车辆上的微 波天线接收;同时，车辆上的微波天线发出的电磁波也可以被这些槽接收，在 轨道两侧连续铺设这样的泄漏同轴电缆，可以构成地面和车辆间的连续双向数 据通道。 f 梨线的l c x通讯参数如下 4 3 1 调制方式