對磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的思考

1、交通運(yùn)輸學(xué)院 運(yùn)輸1302班11252086 丁耀宗對磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的思考列車運(yùn)行控制系統(tǒng)課程考察報告11252086丁耀宗1綜述高速磁懸浮列車作為一種新型交通工具，以其快捷、安全、舒適、無磨擦、低噪聲、低能耗、易維護(hù)、無污染等優(yōu)點(diǎn)吸引著人們的眼球。磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力來推動的列車。由于其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時不同于其他列車需要接觸地面，因此只受來自空氣的阻力。磁懸浮列車的速度可達(dá)每小時400公里以上，比輪軌高速列車的380多公里還要快。20世紀(jì)末以來，德國、發(fā)達(dá)國家以及中國都相繼開始籌劃進(jìn)行磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開發(fā)。我國第一輛磁懸浮列車2003年1月開始在上海運(yùn)行。磁懸浮

2、列車的普及應(yīng)用，除了硬件技術(shù)問題，首要的就是解決其控制系統(tǒng)的問題。高速磁懸浮運(yùn)行控制系統(tǒng)就如同人的大腦，負(fù)責(zé)安排整個交通系統(tǒng)安全可靠有效的運(yùn)轉(zhuǎn)，使磁懸浮列車的特點(diǎn)充分展現(xiàn)出來。目前，僅日本和德國對高速磁懸浮運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究技術(shù)比較成熟。2 磁懸浮列車性能簡介高速磁懸浮列車的推力是利用交流同步直線電機(jī)(LSM)的原理產(chǎn)生的，該電機(jī)與其對應(yīng)的交流同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)村、工作原理基本相似。它的轉(zhuǎn)子是置于列車底部的直流激勵的磁極，定子為沿著線路軌道鋪設(shè)的三相定子繞組，設(shè)置在地面上的變頻設(shè)備在線路上可分段給定子繞組供電。當(dāng)三相繞組通入三相對稱正弦電流時。在氣隙中便形成正弦分布并以同步速度平移的行波磁場，當(dāng)磁

3、場足夠大時則吸引轉(zhuǎn)子而使列車以同步速度行駛。只要安裝在路邊的變電所內(nèi)的變頻設(shè)備把電饋入長定子電纜中，在線路上就會產(chǎn)生使列車移動的磁場，而且頻率越高，移動的速度也越大。由于一個變電所的供電能力有限，因此整個線路被分成數(shù)個供電分區(qū)，每個分區(qū)對應(yīng)一個變電所，一個變電所只能給一輛列車供電。為提高系統(tǒng)的效率和功率因數(shù)，供電分區(qū)內(nèi)的電纜又被分為一個個的小分區(qū)，只向有車運(yùn)行的那個小分區(qū)供電，這樣也可減小能耗，節(jié)約能源，但需要分區(qū)轉(zhuǎn)換裝置。供電分區(qū)供電的模式對磁懸浮列車運(yùn)行控制也產(chǎn)生了直接的影響。3磁懸浮列車控制系統(tǒng)特點(diǎn)需求分析磁懸浮運(yùn)行控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和傳統(tǒng)輪軌列車類似，就是要根據(jù)運(yùn)行計劃，辦理列車運(yùn)行進(jìn)

4、路，保證進(jìn)路正確安全；實(shí)時控制和監(jiān)督列車運(yùn)行速度，防止列車超速；調(diào)整列車追蹤問隔，保證運(yùn)行安全，提高運(yùn)輸效率；提供旅客服務(wù)信息，提高服務(wù)質(zhì)量。這些要求在磁懸浮交通中需要由地面的運(yùn)行控制系統(tǒng)自動完成，而在輪軌交通中這些功能主要起輔助司機(jī)駕駛的作用?；诖艖腋×熊嚨纳鲜鎏攸c(diǎn)和工作原理，其列車運(yùn)行控制系統(tǒng)必須滿足以下幾點(diǎn)基本要求：（1）駕駛功能：參照現(xiàn)代鐵路高速列車與民航客機(jī)現(xiàn)行的控制系統(tǒng)，在將來磁懸浮列車投入運(yùn)營時應(yīng)采用自動控制為主人工控制為輔的控制方式。具體包括自動懸浮控制功能、電力牽引控制功能、電力制動與機(jī)械制動控制功能、車門控制功能、電源控制功能、輔助設(shè)備控制功能。（2）保護(hù)功能：保護(hù)功能參

5、考鐵路高速列車現(xiàn)行控制系統(tǒng)與法國、德國以及日本等國系統(tǒng)，應(yīng)采用全自動移動閉塞的方式，涵蓋進(jìn)站保護(hù)功能、曲線限速保護(hù)功能、超速防護(hù)功能以及對駕駛誤操作自動保護(hù)功能。（3）監(jiān)視功能：監(jiān)視系統(tǒng)也采用全自動方式，具體包括：速度測量和列車定位功能、進(jìn)站檢測功能、全列車狀態(tài)檢測與顯示功能、故障診斷功能。4磁懸浮列車控制系統(tǒng)的一般類型及速度防護(hù)方式基于磁懸浮列車的特點(diǎn)，磁懸浮列車的控制系統(tǒng)應(yīng)類似于輪軌列車的自動控制系統(tǒng)（ATC），即在磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中也可分出類似于列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）、列車自動防護(hù)系統(tǒng)（ATP）以及列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）的幾個部分。但是由于磁懸浮列車特殊的運(yùn)行機(jī)理，在傳統(tǒng)的

6、輪軌列車自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，磁懸浮列車對同步控制產(chǎn)生的測速定位的精度要求、自動控制產(chǎn)生的大容量信息傳輸要求等都與以往有所不同。4.1系統(tǒng)屬性因此，根據(jù)系統(tǒng)功能、人機(jī)分工和自動化程度的要求，磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)采用類似于鐵路列車運(yùn)行自動控制系統(tǒng)（ATC）的控制系統(tǒng)。4.2人機(jī)關(guān)系從人機(jī)設(shè)備優(yōu)先等級的角度考慮，由于，磁懸浮列車自身的制動系統(tǒng)的自動化程度以及自動性能非常高，列車開行對正點(diǎn)率的要求高，磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用設(shè)備優(yōu)先的列控系統(tǒng)。4.3速度防護(hù)在傳統(tǒng)輪軌鐵路中，閉塞的出現(xiàn)完全是為了保證列車安全運(yùn)行間隔，防止發(fā)生列車碰撞。閉塞可分為固定閉塞和移動閉塞兩種。固定閉塞就是將線路分

7、成固定的區(qū)段，每個區(qū)段為一個閉塞分區(qū)，當(dāng)分區(qū)內(nèi)有列車占用時，其他列車不能進(jìn)入，以避免發(fā)生列車碰撞。移動閉塞則是基于無線通信的一種技術(shù)，它的出現(xiàn)主要是為了在保證列車安全的情況下提高線路行車密度。在移動閉塞情況下，后行列車的位置不受固定區(qū)段的限制，只與前行列車的位置有關(guān)，保證了列車最小運(yùn)行間隔。在磁懸浮交通中，列車運(yùn)行間隔等于一個供電區(qū)段的長度，這是由一個變電所只能控制一輛列車決定的。其供電區(qū)段為一個閉塞分區(qū)(與輪軌鐵路的閉塞概念相同)，當(dāng)供電區(qū)段有列車占用時，后行列車不允許進(jìn)入。分區(qū)開放條件不同，磁懸浮閉塞分區(qū)開放條件為：1)線路被清空；2)閉塞區(qū)間中沒有列車占用；3)完成了分區(qū)間的電源切換。由

8、于列車的驅(qū)動由列車經(jīng)過的區(qū)段供電進(jìn)行控制，在供電區(qū)段開關(guān)控制正常的情況下，后行列車是無法闖入被占用區(qū)段的，這就在很大程度上避免了列車碰撞事件的發(fā)生。參照當(dāng)前高速鐵路及客運(yùn)專線的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，要使磁懸浮列車的性能得到充分地發(fā)揮，磁懸浮列車應(yīng)采用前行車所在閉塞分區(qū)（供電區(qū)段）的入口為目標(biāo)點(diǎn)的速度距離模式控制方式，即準(zhǔn)移動閉塞方式。4.4信息傳遞從車地信息傳輸方式上考慮，無論輪軌交通還是磁懸浮交通，傳輸?shù)男畔⒋笾驴煞譃閮深惏踩畔⒑头前踩畔ⅰ０踩畔⒅苯雨P(guān)系到列車的運(yùn)行安全，因此它的信息的確定和傳輸一般采用冗余通道來保證安全。安全信息主要包括列車的位置和速度信息、速度限制信息、運(yùn)行權(quán)限等，非安

9、全信息包括旅客服務(wù)信息等。一般來說，系統(tǒng)的自動化程度越高，對信息傳輸?shù)囊笠簿驮礁?。在輪軌交通中，對信息傳輸?shù)囊笥幸粋€發(fā)展的過程。在固定閉塞的情況下，編碼的軌道電路是列車進(jìn)行中車上與地面信息傳輸?shù)闹饕ǖ?，軌道查詢?yīng)答器、軌間電纜等作為列車位置參考點(diǎn)為列車提供絕對位置信息。列車的運(yùn)行權(quán)限在列車通過定點(diǎn)位置時由地面以機(jī)車信號的形式發(fā)送給列車(或司機(jī))。在這種情況下信息傳輸量相對較小，信息的傳輸屬點(diǎn)式傳輸。而在基于無線通信的移動閉塞情況下，需要列車將位置和速度信息連續(xù)地傳給無線閉塞中心(RBC)，RBC再將運(yùn)行權(quán)限和限速等信息發(fā)送給列車。為了滿足信息傳輸需求并減少路邊設(shè)備和設(shè)備成本，采用了無線傳

10、輸(如GPS)為主，查詢應(yīng)答器為絕對位置參考點(diǎn)的信息傳輸方式（即點(diǎn)連式列控系統(tǒng)）。 5磁懸浮列車運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)選擇的相應(yīng)關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)5.1列車的定位與測速傳統(tǒng)輪軌列車測量列車速度和位置的方法有兩類，第一類是利用各種軌道電路進(jìn)行測速，第二類為非軌道電路列車檢測法。非軌道電路法包括異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)(如Balise)、衛(wèi)星定位法(如GPS)、多普勒雷達(dá)測速等。各種軌道電路由于其自身的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代鐵路中仍是使用最廣泛的一種方式。但它的信息處理能力遠(yuǎn)不如非軌道電路法，無法滿足高速列車運(yùn)行對測速和定位的要求，所以一些控制系統(tǒng)利用全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取位置信息，以查詢應(yīng)答器(Balise)作為絕對位置參考點(diǎn)進(jìn)

11、行位置校正。在磁懸浮交通中，由于磁懸浮列車與軌道完全無機(jī)械接觸，無軌道電路可以利用，它的定位測速可以采用非軌道電路法以及根據(jù)磁懸浮特點(diǎn)研究的新的方法。5.2 磁懸浮列車速度防護(hù)類型高速鐵路現(xiàn)行的CTCS3級速度防護(hù)系統(tǒng)中，由地面無線閉塞中心(RBC）和車載設(shè)備完成列車占用檢測及完整性檢查，點(diǎn)式信息設(shè)備提供列車用于測距修正，現(xiàn)階段適用350km/h及以上高速客運(yùn)專線，并在應(yīng)用中表現(xiàn)良好。為適應(yīng)磁懸浮列車的特點(diǎn)，經(jīng)過一系列技術(shù)改造，可將此類無線移動閉塞方式應(yīng)用到未來的磁懸浮列車速度防護(hù)中。具體表現(xiàn)為：（1）進(jìn)站保護(hù)功能：參考地鐵采用的制動方式，通過協(xié)調(diào)機(jī)械制動與電力再生制動，控制列車進(jìn)站速度和?？?/p>

12、位置，做到精準(zhǔn)停站。自動化為主，人工制動為輔的方式，減小駕駛員工作量，盡可能避免人工失誤，提高列車運(yùn)行舒適性。（2）曲線限速保護(hù)功能：采用移動閉塞方式和曲線限速保護(hù)方式。此類方式通過區(qū)段總控制室協(xié)調(diào)各車速度與距離，采用無線傳輸，最大程度釋放線路運(yùn)能。（3）超速防護(hù)功能：列車速度防護(hù)系統(tǒng)通過列車自帶速度檢測裝置實(shí)時獲取列車運(yùn)行瞬時速度，并與控制系統(tǒng)發(fā)布的安全速度和區(qū)段頂棚速度相比較。確保列車在安全速度下運(yùn)行。（4）對駕駛誤操作自動保護(hù)功能：當(dāng)出于突發(fā)事件由自動駕駛轉(zhuǎn)為人工駕駛時，計算機(jī)不是停止工作，而是后臺監(jiān)控人工駕駛操作。一旦出現(xiàn)操作失誤，計算機(jī)馬上提示駕駛員更改操作，為列車運(yùn)行增加雙保險。5

13、.3車地傳輸技術(shù)在輪軌交通中，對信息傳輸?shù)囊笥幸粋€發(fā)展的過程。在固定閉塞的情況下，編碼的軌道電路是列車進(jìn)行中車上與地面信息傳輸?shù)闹饕ǖ?，軌道查詢?yīng)答器、軌間電纜等作為列車位置參考點(diǎn)為列車提供絕對位置信息。列車的運(yùn)行權(quán)限在列車通過定點(diǎn)位置時由地面以機(jī)車信號的形式發(fā)送給列車(或司機(jī))。在這種情況下信息傳輸量相對較小，信息的傳輸屬點(diǎn)式傳輸。而在基于無線通信的移動閉塞情況下，需要列車將位置和速度信息連續(xù)地傳給無線閉塞中心(RBC)，RBC再將運(yùn)行權(quán)限和限速等信息發(fā)送給列車。為了滿足信息傳輸需求并減少路邊設(shè)備和設(shè)備成本，采用了無線傳輸(如GPS)為主，查詢應(yīng)答器為絕對位置參考點(diǎn)的信息傳輸方式。 對于

14、磁懸浮列車，它的運(yùn)行控制主要在地面，要求控制中心、地面設(shè)備和列車之間進(jìn)行實(shí)時的雙向通信，要求信息具有很高的實(shí)時性，列車的安全高速運(yùn)行控制、大量設(shè)備的監(jiān)控、優(yōu)質(zhì)的旅客服務(wù)信息等要求信息傳輸安全、可靠、高速、高容量。參考國外磁懸浮列車經(jīng)驗(yàn)，日本山梨試驗(yàn)線車上與地面設(shè)備之間的通信采用多通道冗余方式來保證傳輸?shù)目煽啃裕糜诙ㄎ粶y速的軌間電纜作為主要的傳輸通道，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?800bps。用于地面向車上傳輸監(jiān)控信息及遙感命令，列車的實(shí)時速度及位置監(jiān)測在地面完成，由地面?zhèn)鬏斀o車上的信息只是起監(jiān)督的作用，用于緊急情況下控制列車緊急剎車。另外使用漏泄同軸電纜作為冗余通道，它的傳輸波特率為296bps，它

15、可以實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，其原理是：漏泄同軸電纜是在同軸電纜外導(dǎo)體上開有一定形狀和一間距的槽，使電磁場的能量集中在同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)線之間，部分能量可以從同軸電纜中的槽孔泄漏到空間中，并和附近的移動電臺天線耦合構(gòu)成無線通道。同軸電纜外導(dǎo)體上開的槽可以有許多形狀，各種形狀在傳輸損耗和耦合損耗方面各不相同。另外設(shè)計了一種大容量的數(shù)據(jù)傳輸45GHz的毫米波，用于取代漏泄同軸電纜，它允許采用比漏泄同軸電纜更高的頻率、更大的帶寬和更高的數(shù)據(jù)傳輸率，可以滿足多媒體的應(yīng)用。德國TVE試驗(yàn)線車地傳輸則采用的是38GHz毫米波無線傳輸系統(tǒng)。5.4其他相關(guān)配套列控技術(shù)參考我國高速鐵路現(xiàn)行的CTCS（Chinese Tr

16、ain Control System）系列列控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，以及磁懸浮列車高速、追蹤間隔小、無軌道接觸、自動化程度非常高等特點(diǎn)，磁懸浮列車列控系統(tǒng)應(yīng)類似CTCS4級系統(tǒng)（當(dāng)前還處于理論研究階段），完全基于無線控制和通信，衛(wèi)星定位，無須地面信號設(shè)備；車載列車完整性檢查；實(shí)現(xiàn)移動閉塞，提高運(yùn)輸能力。具體表現(xiàn)為：（1）自動懸浮控制功能：通過自動控制與車地感應(yīng)系統(tǒng)保證列車平穩(wěn)正常的懸浮與運(yùn)行。（2）電力牽引控制功能：由大型電腦控制軌道交變電流的變化，增加精準(zhǔn)度保證列車獲得穩(wěn)定的前進(jìn)動力。（3）電力制動與機(jī)械制動控制功能：可采用機(jī)械制動與電力再生制動兩種方式協(xié)同作用，保證停車距離的同時達(dá)到節(jié)能的效果。（4

17、）車門控制功能：保證列車?？空臼擒囬T順暢開啟以及在運(yùn)行過程中與外界環(huán)境隔離。應(yīng)輔以手動開關(guān)，以應(yīng)對突發(fā)情況。（5）電源控制功能：利用列車移動自行發(fā)電，控制車廂內(nèi)各電力設(shè)備正常工作。包括照明、空調(diào)、換氣等。從而達(dá)到節(jié)省電能的目的（6）輔助設(shè)備控制功能：包括無線通訊，以及與客戶服務(wù)相關(guān)的功能。6 結(jié)語在中國，高速磁懸浮運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究還剛剛起步，有很多可以研究的領(lǐng)域，如精確的測速定位技術(shù)、高速大容量信息傳輸系統(tǒng)、故障一安全性計算機(jī)、運(yùn)行控制仿真建模技術(shù)等。上海磁懸浮列車的建立給磁懸浮技術(shù)在中國的發(fā)展帶來了很好的契機(jī)。以上對磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的簡要分析還存在諸多不足，還請老師予以指正。7參考文獻(xiàn)1吳丹.高速磁懸浮列車運(yùn)行控制與傳統(tǒng)輪軌列車運(yùn)行控制的比較=A Comparison between Operation Control Systems for HighSpeed Maglev Transportation and for Conventiona1 Railway.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院.2003.2徐龍華，李劍鋒.中低速磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的方案及其實(shí)現(xiàn).國防科技大學(xué)研究三院，2005-07-05.3吳丹著 ;寧濱 教授 .高速磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究與仿真 = Research and simul