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

2、列車(chē)的普及應(yīng)用，除了硬件技術(shù)問(wèn)題，首要的就是解決其控制系統(tǒng)的問(wèn)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(gè)交通系統(tǒng)安全可靠有效的運(yùn)轉(zhuǎn)，使磁懸浮列車(chē)的特點(diǎn)充分展現(xiàn)出來(lái)。目前，僅日本和德國(guó)對(duì)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(chē)性能簡(jiǎn)介高速磁懸浮列車(chē)的推力是利用交流同步直線(xiàn)電機(jī)(LSM)的原理產(chǎn)生的，該電機(jī)與其對(duì)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(chē)底部的直流激勵(lì)的磁極，定子為沿著線(xiàn)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(xiàn)路上可分段給定子繞組供電。當(dāng)三相繞組通入三相對(duì)稱(chēng)正弦電流時(shí)。在氣隙中便形成正弦分布并以同步速度平移的行波磁場(chǎng)，當(dāng)磁

3、場(chǎng)足夠大時(shí)則吸引轉(zhuǎn)子而使列車(chē)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(zhǎng)定子電纜中，在線(xiàn)路上就會(huì)產(chǎn)生使列車(chē)移動(dòng)的磁場(chǎng)，而且頻率越高，移動(dòng)的速度也越大。由于一個(gè)變電所的供電能力有限，因此整個(gè)線(xiàn)路被分成數(shù)個(gè)供電分區(qū)，每個(gè)分區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)變電所，一個(gè)變電所只能給一輛列車(chē)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(gè)個(gè)的小分區(qū)，只向有車(chē)運(yùn)行的那個(gè)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(duì)磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制也產(chǎn)生了直接的影響。3磁懸浮列車(chē)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(chē)類(lèi)似，就是要根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃，辦理列車(chē)運(yùn)行進(jìn)

4、路，保證進(jìn)路正確安全；實(shí)時(shí)控制和監(jiān)督列車(chē)運(yùn)行速度，防止列車(chē)超速；調(diào)整列車(chē)追蹤問(wèn)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(dòng)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?chē)的上述特點(diǎn)和工作原理，其列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)必須滿(mǎn)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(chē)與民航客機(jī)現(xiàn)行的控制系統(tǒng)，在將來(lái)磁懸浮列車(chē)投入運(yùn)營(yíng)時(shí)應(yīng)采用自動(dòng)控制為主人工控制為輔的控制方式。具體包括自動(dòng)懸浮控制功能、電力牽引控制功能、電力制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)控制功能、車(chē)門(mén)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(chē)現(xiàn)行控制系統(tǒng)與法國(guó)、德國(guó)以及日本等國(guó)系統(tǒng)，應(yīng)采用全自動(dòng)移動(dòng)閉塞的方式，涵蓋進(jìn)站保護(hù)功能、曲線(xiàn)限速保護(hù)功能、超速防護(hù)功能以及對(duì)駕駛誤操作自動(dòng)保護(hù)功能。（3）監(jiān)視功能：監(jiān)視系統(tǒng)也采用全自動(dòng)方式，具體包括：速度測(cè)量和列車(chē)定位功能、進(jìn)站檢測(cè)功能、全列車(chē)狀態(tài)檢測(cè)與顯示功能、故障診斷功能。4磁懸浮列車(chē)控制系統(tǒng)的一般類(lèi)型及速度防護(hù)方式基于磁懸浮列車(chē)的特點(diǎn)，磁懸浮列車(chē)的控制系統(tǒng)應(yīng)類(lèi)似于輪軌列車(chē)的自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC），即在磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)中也可分出類(lèi)似于列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）、列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）以及列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）的幾個(gè)部分。但是由于磁懸浮列車(chē)特殊的運(yùn)行機(jī)理，在傳統(tǒng)的

6、輪軌列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，磁懸浮列車(chē)對(duì)同步控制產(chǎn)生的測(cè)速定位的精度要求、自動(dòng)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(dòng)化程度的要求，磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)采用類(lèi)似于鐵路列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)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(jí)的角度考慮，由于，磁懸浮列車(chē)自身的制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度以及自動(dòng)性能非常高，列車(chē)開(kāi)行對(duì)正點(diǎn)率的要求高，磁懸浮列車(chē)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(chē)安全運(yùn)行間隔，防止發(fā)生列車(chē)碰撞。閉塞可分為固定閉塞和移動(dòng)閉塞兩種。固定閉塞就是將線(xiàn)路分

7、成固定的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段為一個(gè)閉塞分區(qū)，當(dāng)分區(qū)內(nèi)有列車(chē)占用時(shí)，其他列車(chē)不能進(jìn)入，以避免發(fā)生列車(chē)碰撞。移動(dòng)閉塞則是基于無(wú)線(xiàn)通信的一種技術(shù)，它的出現(xiàn)主要是為了在保證列車(chē)安全的情況下提高線(xiàn)路行車(chē)密度。在移動(dòng)閉塞情況下，后行列車(chē)的位置不受固定區(qū)段的限制，只與前行列車(chē)的位置有關(guān)，保證了列車(chē)最小運(yùn)行間隔。在磁懸浮交通中，列車(chē)運(yùn)行間隔等于一個(gè)供電區(qū)段的長(zhǎng)度，這是由一個(gè)變電所只能控制一輛列車(chē)決定的。其供電區(qū)段為一個(gè)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(chē)占用時(shí)，后行列車(chē)不允許進(jìn)入。分區(qū)開(kāi)放條件不同，磁懸浮閉塞分區(qū)開(kāi)放條件為：1)線(xiàn)路被清空；2)閉塞區(qū)間中沒(méi)有列車(chē)占用；3)完成了分區(qū)間的電源切換。由

8、于列車(chē)的驅(qū)動(dòng)由列車(chē)經(jīng)過(guò)的區(qū)段供電進(jìn)行控制，在供電區(qū)段開(kāi)關(guān)控制正常的情況下，后行列車(chē)是無(wú)法闖入被占用區(qū)段的，這就在很大程度上避免了列車(chē)碰撞事件的發(fā)生。參照當(dāng)前高速鐵路及客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，要使磁懸浮列車(chē)的性能得到充分地發(fā)揮，磁懸浮列車(chē)應(yīng)采用前行車(chē)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(dòng)閉塞方式。4.4信息傳遞從車(chē)地信息傳輸方式上考慮，無(wú)論輪軌交通還是磁懸浮交通，傳輸?shù)男畔⒋笾驴煞譃閮深?lèi)安全信息和非安全信息。安全信息直接關(guān)系到列車(chē)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(lái)保證安全。安全信息主要包括列車(chē)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(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越高，對(duì)信息傳輸?shù)囊笠簿驮礁摺Ｔ谳嗆壗煌ㄖ?，?duì)信息傳輸?shù)囊笥幸粋€(gè)發(fā)展的過(guò)程。在固定閉塞的情況下，編碼的軌道電路是列車(chē)進(jìn)行中車(chē)上與地面信息傳輸?shù)闹饕ǖ?，軌道查?xún)應(yīng)答器、軌間電纜等作為列車(chē)位置參考點(diǎn)為列車(chē)提供絕對(duì)位置信息。列車(chē)的運(yùn)行權(quán)限在列車(chē)通過(guò)定點(diǎn)位置時(shí)由地面以機(jī)車(chē)信號(hào)的形式發(fā)送給列車(chē)(或司機(jī))。在這種情況下信息傳輸量相對(duì)較小，信息的傳輸屬點(diǎn)式傳輸。而在基于無(wú)線(xiàn)通信的移動(dòng)閉塞情況下，需要列車(chē)將位置和速度信息連續(xù)地傳給無(wú)線(xiàn)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(chē)。為了滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)傳

10、輸(如GPS)為主，查詢(xún)應(yīng)答器為絕對(duì)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(chē)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(chē)的定位與測(cè)速傳統(tǒng)輪軌列車(chē)測(cè)量列車(chē)速度和位置的方法有兩類(lèi)，第一類(lèi)是利用各種軌道電路進(jìn)行測(cè)速，第二類(lèi)為非軌道電路列車(chē)檢測(cè)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(cè)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(wú)法滿(mǎn)足高速列車(chē)運(yùn)行對(duì)測(cè)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(xún)應(yīng)答器(Balise)作為絕對(duì)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(chē)與軌道完全無(wú)機(jī)械接觸，無(wú)軌道電路可以利用，它的定位測(cè)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(chē)速度防護(hù)類(lèi)型高速鐵路現(xiàn)行的CTCS3級(jí)速度防護(hù)系統(tǒng)中，由地面無(wú)線(xiàn)閉塞中心(RBC）和車(chē)載設(shè)備完成列車(chē)占用檢測(cè)及完整性檢查，點(diǎn)式信息設(shè)備提供列車(chē)用于測(cè)距修正，現(xiàn)階段適用350km/h及以上高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，并在應(yīng)用中表現(xiàn)良好。為適應(yīng)磁懸浮列車(chē)的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)改造，可將此類(lèi)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)閉塞方式應(yīng)用到未來(lái)的磁懸浮列車(chē)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(dòng)方式，通過(guò)協(xié)調(diào)機(jī)械制動(dòng)與電力再生制動(dòng)，控制列車(chē)進(jìn)站速度和?？?/p>

12、位置，做到精準(zhǔn)停站。自動(dòng)化為主，人工制動(dòng)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(chē)運(yùn)行舒適性。（2）曲線(xiàn)限速保護(hù)功能：采用移動(dòng)閉塞方式和曲線(xiàn)限速保護(hù)方式。此類(lèi)方式通過(guò)區(qū)段總控制室協(xié)調(diào)各車(chē)速度與距離，采用無(wú)線(xiàn)傳輸，最大程度釋放線(xiàn)路運(yùn)能。（3）超速防護(hù)功能：列車(chē)速度防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)列車(chē)自帶速度檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)獲取列車(chē)運(yùn)行瞬時(shí)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(chē)在安全速度下運(yùn)行。（4）對(duì)駕駛誤操作自動(dòng)保護(hù)功能：當(dāng)出于突發(fā)事件由自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)為人工駕駛時(shí)，計(jì)算機(jī)不是停止工作，而是后臺(tái)監(jiān)控人工駕駛操作。一旦出現(xiàn)操作失誤，計(jì)算機(jī)馬上提示駕駛員更改操作，為列車(chē)運(yùn)行增加雙保險(xiǎn)。5

13、.3車(chē)地傳輸技術(shù)在輪軌交通中，對(duì)信息傳輸?shù)囊笥幸粋€(gè)發(fā)展的過(guò)程。在固定閉塞的情況下，編碼的軌道電路是列車(chē)進(jìn)行中車(chē)上與地面信息傳輸?shù)闹饕ǖ?，軌道查?xún)應(yīng)答器、軌間電纜等作為列車(chē)位置參考點(diǎn)為列車(chē)提供絕對(duì)位置信息。列車(chē)的運(yùn)行權(quán)限在列車(chē)通過(guò)定點(diǎn)位置時(shí)由地面以機(jī)車(chē)信號(hào)的形式發(fā)送給列車(chē)(或司機(jī))。在這種情況下信息傳輸量相對(duì)較小，信息的傳輸屬點(diǎn)式傳輸。而在基于無(wú)線(xiàn)通信的移動(dòng)閉塞情況下，需要列車(chē)將位置和速度信息連續(xù)地傳給無(wú)線(xiàn)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(chē)。為了滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)傳輸(如GPS)為主，查詢(xún)應(yīng)答器為絕對(duì)位置參考點(diǎn)的信息傳輸方式。 對(duì)于

14、磁懸浮列車(chē)，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(chē)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向通信，要求信息具有很高的實(shí)時(shí)性，列車(chē)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(guó)外磁懸浮列車(chē)經(jīng)驗(yàn)，日本山梨試驗(yàn)線(xiàn)車(chē)上與地面設(shè)備之間的通信采用多通道冗余方式來(lái)保證傳輸?shù)目煽啃?，用于定位測(cè)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(chē)上傳輸監(jiān)控信息及遙感命令，列車(chē)的實(shí)時(shí)速度及位置監(jiān)測(cè)在地面完成，由地面?zhèn)鬏斀o車(chē)上的信息只是起監(jiān)督的作用，用于緊急情況下控制列車(chē)緊急剎車(chē)。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(chē)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(kāi)有一定形狀和一間距的槽，使電磁場(chǎng)的能量集中在同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)線(xiàn)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(dòng)電臺(tái)天線(xiàn)耦合構(gòu)成無(wú)線(xiàn)通道。同軸電纜外導(dǎo)體上開(kāi)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(jì)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(mǎn)足多媒體的應(yīng)用。德國(guó)TVE試驗(yàn)線(xiàn)車(chē)地傳輸則采用的是38GHz毫米波無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)。5.4其他相關(guān)配套列控技術(shù)參考我國(guó)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(chē)高速、追蹤間隔小、無(wú)軌道接觸、自動(dòng)化程度非常高等特點(diǎn)，磁懸浮列車(chē)列控系統(tǒng)應(yīng)類(lèi)似CTCS4級(jí)系統(tǒng)（當(dāng)前還處于理論研究階段），完全基于無(wú)線(xiàn)控制和通信，衛(wèi)星定位，無(wú)須地面信號(hào)設(shè)備；車(chē)載列車(chē)完整性檢查；實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，提高運(yùn)輸能力。具體表現(xiàn)為：（1）自動(dòng)懸浮控制功能：通過(guò)自動(dòng)控制與車(chē)地感應(yīng)系統(tǒng)保證列車(chē)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(chē)獲得穩(wěn)定的前進(jìn)動(dòng)力。（3）電力制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)控制功能：可采用機(jī)械制動(dòng)與電力再生制動(dòng)兩種方式協(xié)同作用，保證停車(chē)距離的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的效果。（4

17、）車(chē)門(mén)控制功能：保證列車(chē)停靠站是車(chē)門(mén)順暢開(kāi)啟以及在運(yùn)行過(guò)程中與外界環(huán)境隔離。應(yīng)輔以手動(dòng)開(kāi)關(guān)，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。（5）電源控制功能：利用列車(chē)移動(dòng)自行發(fā)電，控制車(chē)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(wú)線(xiàn)通訊，以及與客戶(hù)服務(wù)相關(guān)的功能。6 結(jié)語(yǔ)在中國(guó)，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(cè)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(jì)算機(jī)、運(yùn)行控制仿真建模技術(shù)等。上海磁懸浮列車(chē)的建立給磁懸浮技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展帶來(lái)了很好的契機(jī)。以上對(duì)磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)要分析還存在諸多不足，還請(qǐng)老師予以指正。7參考文獻(xiàn)1吳丹.高速磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制與傳統(tǒng)輪軌列車(chē)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(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的方案及其實(shí)現(xiàn).國(guó)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(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究與仿真 = Research and simulatio