高速磁悬浮列车测速定位技术研究

高速磁悬浮列车测速定位技术研究

列车列车识别定位系统在轨路车辆的安全指挥调度系统中起着重要作用。目前，普通列车的多种识别定位技术基本上可以满足当前的铁路交通需求。然而，随着高速铁路的发展，尤其是高速磁浮列车的繁荣，衰落列车的发展方向应该是快、快、快、舒适的。列车控制系统应负责列车的自动识别、自动运行和自动监控，这对列车识别控制系统提供的列车位置和速度信息的精度、当前和当前的可靠性提出了更高的要求。磁浮铁路系统是一种高速无接触铁路系统。虽然它不需要轮子，但使用电磁原理可以实现列车的悬挂、导向和动力。因此，磁浮列车的识别定位方法不同于传统的导航列车。目前，日本和德国在磁浮列车技术领域发挥着主导作用。他们根据各自的情况，应用了不同的技术方案来实施列车的识别和定位。中国磁浮列车的研究始于20世纪80年代。虽然起步较晚，但发展迅速。许多高校和科研院所对磁浮车辆的悬浮、定位和发展进行了基础研究，并初步掌握了固定性、低速和短定磁浮车辆的控制技术和定位技术。随着中国第一条磁浮高速铁路示范线在浦东的启动，中国对高速磁浮车辆交通技术的研究进入了一个新的发展阶段。在许多需要解决的技术问题中，车辆定位技术是一个重要的研究主题。本文简要介绍了国内和国外磁浮车辆的检测和定位技术，比较了它们的特点，并对中国磁浮车辆的探测和定位技术提出了一些建议。1国内和国外的gps悬浮浮车定位技术由于磁悬浮列车没有车轮,运行时车辆与轨道间无机械接触,故它的测速和定位不能直接沿用传统轮轨列车的测量方法,只能借鉴或研究新方法.1.1列车速度的测定该方法类似于轮轨列车中采用的无线扩频定位技术,用微波来确定移动车辆的位置.安装在线路旁的多个微波设备同时发送定位信号,车上的接收天线接收到定位信号后,由车载计算机比较这些信号的时间差,从而得到路程差,再结合线路和微波设备的几何参数,就可以计算出移动车辆的位置.以2个微波发送设备为例,建立如图1所示的坐标系.设2个微波设备的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2);线路条件y=f(x);列车的坐标为(x,y),则: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)可求得列车的位置坐标(x,y).求得列车的位置变化后,和固定时间相比,即可求得列车的速度.另外,也可以通过安装在列车上的多普勒雷达来测定列车的速度.多普勒雷达利用移动波源的频率随波源速度变化的多普勒效应来测定移动物体的速度,它也属于利用微波测速.微波定位测速优点是:维护量小、应用范围比较宽,可以求得车辆的绝对位置,当移动目标速度很高时,效果较好;其缺点是:微波传播会受多径传播干扰,云雾雨雪等恶劣天气会使传播特性变化,而且高大建筑物或山体会阻挡高频电磁波的传播,对复杂地形的适应性不强.另外,它的设备比较复杂、价格较高.1.2浮列车轨道上的轨道交通定位信号此方法在轨道上要铺设轨间电缆,车上要安装发送或接收装置.轨间电缆是铺于磁悬浮列车轨道上的用于列车定位测速和数据传输的各种电缆,通过和列车上的感应线圈的电磁耦合,轨间电缆可以提供连续的位置和速度测量.测量时,需要一个单一频率的定位信号,定位信号的发送和接收可分为两种:车上发送地面接收;地面发送车上接收.1.2.1轨间电缆aucos式这种方式由车上的线圈天线向轨间电缆发送用于定位测速的高频振荡信号,铺于轨道上电缆感应接收后,由地面设备处理,得到列车的位置、速度信息,基本原理如图2所示.由图2可见,轨间电缆以一定的间隔形成开放的环路,列车运行时,在轨间电缆上可得感应电压:Eu=Aucos(2πx/p)(2)Eu=Aucos(2πx/p)(2)式中:x为列车线圈的位置;p为轨间电缆的环路间距;Au为轨间电缆感应电压的幅值.可见,通过和轨间电缆相连的位置检测对感应电压进行检波、比较和整形后,就形成了列车的位置脉冲.很明显,位置脉冲的数目反映了列车的位置变化,而位置脉冲的宽度和列车的速度成反比,通过累计位置脉冲和测定位置脉冲的宽度后,就可以知道列车的位置和速度.这种方式的优点是:简单、实用,实现起来很方便,形成的位置脉冲接近50%的占空比,很容易检测到列车位置的变化,由于轨间电缆铺设在路轨中间,这种方式不会受地形、地貌和高大建筑的影响;其缺点是:位置精度较低,无法检测到两个环路之间的位置变化;如果减小轨间电缆环路之间的间隔,会增加位置脉冲的频率,使检测困难.另外,当列车由地面的长定子直线电动机同步驱动时,需要精确的同步脉冲,而同步脉冲来自位置信息,这就要求提高位置检测精度.解决的方法是在路轨上铺设多条轨间电缆,但这同时增加了数据处理的难度.1.2.2通过设置位置脉冲进行测量同样采用轨间电缆,从轨道上的电缆发送定位信号,由列车上的感应线圈接收,实现列车的位置和速度检测,如图3所示.这时,轨道上只需敷设一条电缆,为提高位置测量的精度,车上一般设置多个接收线圈.由图3可见,车上有3个接收线圈,它们的感应电压经比较整形后,形成相位间隔2π/3的3路脉冲,3路脉冲叠加后,形成位置脉冲,每个位置脉冲代表p/3的距离,位置脉冲的频率是和列车的速度成正比的.通过对位置脉冲进行计数和频率测量,可以获得列车的位置和速度.当列车速度变化很大时,位置脉冲的频率也会有很大的变化,过高的频率会给测量带来困难,可以在低速时使用全部3个线圈的感应信号组合形成位置脉冲,而列车在中高速运行时,分别使用2个和1个线圈的感应信号,这样速度测量可以获得比较平均的相对精度.这种方法的优点是:线路上只需1根电缆,成本低,铺设比较简单,同时也可以保证比较好的位置检测精度.另外,使用这种方式时,车上的设备可以直接得到位置和速度信息,在短定子驱动等场合,即使列车和地面的数据联系中断,车上的主控计算机也可以根据当前的位置、速度信息,控制车辆按预定模式停靠,这对提高系统的安全性有一定的帮助.其缺点是:地面控制设备不能直接得到列车的位置速度信息,这些信息需要通过数据通道从车上传至地面设备.1.3前车自动探测系统组成该方法借鉴了轮轨列车采用的交叉感应回线定位技术,也利用电磁感应原理来检测列车位置和速度信息.首先,在轨道上敷设交叉感应回线,并对回线通以一定频率的交流信号,然后通过车载传感器检测回线发送的信号.由法拉第电磁感应定律可知,感应电势与磁通变化率成正比.由于磁通与磁场穿过线圈的有效面积成正比,当车载线圈与环路有重叠时,车载线圈中产生感应电势,故重叠的有效面积越大,感应电势就越高.车载线圈处于交叉感应回路的正上方时,产生的感应电压最大,而位于相邻回路的交叉部分时,其感应电压为零,所以列车连续移动时,车载线圈输出的电压经滤波整形后就形成位置脉冲,提供位置信息.把位置的变化量与所用时间相比就可以得到速度.如图4所示,定位与测速系统主要由两部分组成:激磁部分与感应处理部分.激磁部分用于连续发送高频振荡信号;感应处理部分则将感应到的信号处理成脉冲形式,由数字电路形成位置和速度信息.测速定位系统首要的也是最重要的工作是确定激磁信号的频率、回线相邻交叉点的间距、回线宽度以及车载天线的尺寸和匝数.这些参数的选取主要从便于感应信号的提取方法、测速的准确度以及列车定位的精度等多方面的因素来确定.分析交叉感应回线的磁场分布特点是确定各种参数的基础.从理论分析上看,在比较理想的环境中采用单个线圈组成的车载线圈可以得到正确结果;但是在实际现场却可能出现根本测不到有用的位置脉冲的问题.这主要是由于悬浮控制器、电磁铁、牵引直线电动机等电磁设备引起的高强度、宽频谱的电磁噪声,通过车载线圈感应进入系统,将有用信号全部淹没.为了解决干扰所带来的问题,可采用回线交叉,由两个交叉线圈取代单线圈以组成车载线圈的实施方案,这样从两个线圈中输出的信号完全为有用信号,而且该有用信号为单个线圈输出的有用信号的2倍.总之,交叉感应回线测速定位实现比较简单,而且交叉感应回线近似于节矩增大的双绞线,其相邻环路的感应电动势相反,可减小外界的电磁干扰.其缺点是:由于交叉区较窄,得到的位置脉冲占空比较小,随着列车速度增加,位置脉冲漏计的可能性增大;而且亦需敷设电缆,提高了成本.日本名古屋1.5km的HSST磁悬浮列车试验线和18.4km的超导高速磁悬浮铁路山梨试验线以及我国国防科技大学204m的磁悬浮列车实验线,就采用了交叉感应回线法实现了列车的测速定位.实验表明,采用这种方法列车定位精度能达到10cm,速度平均测量误差为3.3%.1.4基于极距推定的列车此方法借鉴了轮轨交通中的信标定位、轮轨测速定位和基于查询/应答器定位等定位技术,如图5所示.在磁悬浮线路的特定位置上固定设置信标,作为绝对地理位置标识;相邻两个信标间,通过检测同步电动机定子绕组的极距计算列车相对位置S,列车速度v由列车相对位置随时间的变化推算,即:式中:N为检测到的同步电动机绕组的极距数;τP为同步电动机绕组的极距;Δt为位置变化ΔS所经历的时间;L为列车当前位置;SK为信标K所在的绝对位置信息.该检测方法要求车载设备对信标绝对位置信息的解码和对定子绕组极距数的检测快速及时,其响应时间必须要达到磁悬浮列车运行最高速度的要求.如果发生极距漏检和速度计算误差时,位置信息可以在下一个信标处及时得到修正.列车上装备的移动通信站与沿线分布的无线基站以双工方式进行通信,将列车检测到的位置和速度信息传输到地面,作为列车运行指挥中心进行列车控制的依据;如果由于故障,信息未被地面控制中心接收到,列车运行控制中心就会切断该列车所在区段的驱动电源,列车以制动方式或惰行方式在危险地点以外停下,符合安全-故障原则.德国高速磁悬浮TRANSRAPID采用的就是这种方法.2中国高速磁浮列车的跟踪方案2.1色表苏-图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆图书馆a.识别出方式当前,我国高速磁悬浮列车的研究发展战略主要是进行技术引进与消化,攻关与创新工作,从技术上实行迎头赶上.因此,本文主要针对上海磁悬浮高速铁路示范线上运行的德国TRANSRAPID常导、高速、长定子直线电动机驱动的磁悬浮列车的测速定位技术进行研究,为高速磁悬浮交通系统的国产化服务,也为将来我国高速磁悬浮交通技术的进一步发展做好准备.鉴于我国实际国情以及高速磁悬浮交通技术的特点,在制订测速定位方案时应遵循的原则为:(1)技术实现要具有可行性.尽量采用成熟的轨道交通测速定位手段和借鉴国外的磁悬浮列车测速定位技术,同时大胆吸收和引进航空、航天等领域的测速定位技术和手段.(2)系统要具有高可靠性.在系统设计中应采用多种检测方式相结合,如双机冗余、系统静态和动态自检等方法,使测速定位系统具有故障-安全特性,在系统发生故障时,能够有可靠的替代方式或降速运行直至安全停车.(3)测量的速度和位置信息要具有较高的准确性和实时性,能够满足磁悬浮列车高速运行的需求.测速定位精度在很大程度上取决于原始信息的来源,为了获得高精度,必须选择先进的传感器.(4)尽量采用智能化、数字化的处理方法.这样既可以采用微处理器进行高精度测量,也便于系统的功能扩展,使系统具有更大的通用性.(5)测速定位系统的工作环境非常恶劣,除受铁末、雨雪、污物等影响外,还受磁悬浮列车运行时强大工作电流所引起的强电磁场干扰的影响,测速定位系统的设计必须考虑抗强电磁场干扰问题.2.2列车列车初始定位基于2.1节的原则,考虑到造价、技术难度等因素,结合现阶段实际情况,可采用基于长定子直线电动机定子齿槽计数定位测量和定位标志板检测相结合的测速定位技术进行研究.测速定位装置安装在车辆上,测量的主要参照物是磁悬浮交通线路上的长定子铁芯和定位标志板.由于列车运行时车辆与地面轨道没有机械接触,故应采用非接触式的测量方法.例如可以用安装在车辆上的非接触式传感器对列车经过的轨道齿槽数进行检测,得到列车行驶的相对距离,由此推算出列车行驶的速度.在定位方面,可以采用检测定位标志板绝对位置的定位技术,这借鉴了轮轨列车中的无源查询/应答器定位技术和信标定位技术,即通过安装在车辆上的有源传感器对线路上位置固定的无源译码器(简称定位标志板)进行扫描,解码后得到车辆的绝对位移.需要解决的关键技术大致有:(1)传感器的研制.列车测速采用了非接触式检测技术,通常可采用的传感器有电磁式、电感式、电涡流式和霍尔式等,因此,需要对这些传感器进行试验比较,以最终确定测速传感器类型.(2)系统的测量精度.测速定位系统所提供的信号用于计算列车的实际运行速度和控制长定子直线同步电动机速度,要求齿槽计数定位传感器测量分辨率很高;而且,列车运行过程中的不确定因素,将会使传感器的输出信号受到影响,因此需要研究提高测量精度的处理方法.(3)系统的可靠性.由于磁悬浮列车速度很快,可靠可用的测速定位通道是必需的,其数目应是冗余的和可配置的,这要求加强避错和容错技术的研究,保证系统具有故障-安全特性.(4)电磁兼容性.磁悬浮列车在运行时,分别依靠电磁铁和线性电动机进行悬浮和驱动,会遇到各种干扰,电磁兼容问题是设计整个系统时必须考虑的重要环节之一.3非接触式传感器测量技术在高速列车(1)从系统角度