高速列車安全運行電磁控制系統的研究*

姚永利，陳光武，苗亮亮

(蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

鐵路自提速以來，保證列車運行安全成為我國鐵路發展的主要目標，也是國內外學者研究的重點。研究表明，在鐵路線路方面，影響列車安全運行的主要因素是彎道上的曲線通過能力和線路上的軌道平順性。彎道上運行的列車會受到離心力的作用，當速度達到一定值時有可能導致列車脫軌，照成巨大的人員傷亡和財產損失［1］。軌道平順性是影響列車運行速度的主要因素，若軌道的平順狀態不良，則由它激起的輪軌作用力和列車振動就會隨著車速的提高而急劇增大，甚至導致列車脫軌、掉道、傾覆等，嚴重影響列車運行的穩定性和安全性［2－3］。保障高速列車運行安全性不僅要克服列車提速后帶來的一系列問題，還要考慮惡劣環境或各種突發狀況對列車運行的影響。目前現有的解決辦法主要是從2個方面入手:一是從系統輸入入手，采用更高標準的鐵路線路，提高列車運行狀況來滿足系統要求，如鋪設整體道床，采用高平順軌面，增大曲線半徑等;二是從系統結構入手，使其滿足不同工況，不同速度等級下列車的運行，如目前采用的機車車輛懸掛系統或外軌超高等。但這些措施仍存在一些問題，如整體道床可能出現翻漿冒泥或導致線路變形的情況;外軌超高可能造成貨物傾瀉或乘車人員的不舒適感，甚至導致列車脫軌等［4］。最新研制并已投入運營的擺式系統采用主動控制方式，有效地提高了列車的曲線通過速度，但它結構復雜，造價昂貴，并未得到廣泛應用。目前證實的磁軌制動和軌道渦流制動系統可以對高速列車采取有效制動，但它對沿線軌道線路狀況的要求比較高。電磁安全控制系統就是基于上述考慮，綜合列車運行過程中涉及的各種狀況，包括列車速度、線路狀況、曲線半徑、外軌超高、軌道不平順、外界環境干擾、列車自身結構特性等［5］，綜合優化得出的系統設計方案。用以提高列車運行速度，縮短運行時間，保障運行安全為目的，從鐵路所面臨的實際問題出發，為列車提供安全、可靠、實用、經濟的設計方法。

1 總體設計方案

列車與線路間的聯系是通過輪軌間相互作用力來實現的，如圖1所示，左右輪軌間受力不均勻是影響列車安全運行的直接原因。本論文就是從輪軌間的受力關系著手，通過對輪軌間作用力的控制，使同一轉向架上的左右兩輪軌間受力趨于平衡，來實現列車在彎道、軌道不平順以及自然環境惡劣情況下的安全高效運行。

圖1 輪對與軌面間的受力關系圖Fig.1 Diagram of wheels on the rail surface force

電磁安全控制系統的設計思路是在車體特定位置安裝電磁模塊，實現列車運行過程中輪軌間受力趨于平衡的安全控制。本方案充分考慮鐵路線路狀況、車體固有屬性、惡劣環境因素等，從安全性、高效性、經濟性和實用性考慮，設計電磁控制系統，系統整體結構如圖2所示。

圖2 系統總體結構圖Fig.2 Whole structure of system

本系統的基本原理就是當列車運行在特定區段時，電磁安全控制系統根據各類傳感器實時采集列車的狀態信息和線路信息，并且通過車載設備接收到應答器、軌道電路或RBC傳來的信息［6］，得到當前運行狀況或預測前方路況。核心控制單元判斷需要進行調整時，控制電磁模塊產生不同的控制力，作用于鋼軌，使左右輪軌間的受力關系趨于平衡，實現列車安全平穩運行。整個系統是一個閉環主動控制系統。當列車經過道岔區段時，通過車載設備的指令來和自身的保護裝置來控制電磁模塊的自動收縮，以保護電磁模塊。

本系統采用閉環控制，完成系統的實時調節。根據核心控制層傳來的控制命令，驅動電磁制動器，同時根據采集部分測得電磁系統的實際作用力來判斷電磁制動器的執行情況，并將測得控制力進行實時調節，使實際作用力盡可能滿足系統要求。

2 系統結構及功能

電磁安全控制系統主要由中央處理單元、信息采集單元、控制執行單元、設備驅動單元和外圍器件等組成。系統通過信息采集模塊傳來的線路狀況信息或是由車載設備傳來的控制信息，經過中央處理單元控制執行單元對現場設備進行驅動，實現對列車運行的安全控制。并將相關信息進行記錄或傳送到車載系統。列車在運行過程中，中央處理單元將車載設備傳來的控制命令和信息采集單元傳來的現場數據進行分析處理，輸出控制信息到執行單元，驅動電磁系統實現對列車運行的控制調整。

電磁安全控制系統按執行方式劃分，可分為3層結構:信息交互層、核心控制層和驅動采集層，如圖3所示。其中核心控制層是電磁控制系統的核心層，控制整個系統的運作。

圖3 系統分層結構圖Fig.3 Hierarchy structure of system

2.1 信息交互層

信息交互層主要實現人機交互和設備通信，由通信接口、人機界面、記錄設備和報警裝置等組成。

(1)通信接口主要實現與車載設備的信息交互。它不僅可以接收車載設備傳來的控制命令，而且可以將控制執行情況傳送到車載設備，實現信息雙向傳輸。通信接口傳輸的信息主要有:運行速度、線路狀態、外間環境、報警記錄、設備啟/停用、緊急制動等。

(2)人機界面主要實現人機交互。它完成相關信息的人工輸入和顯示輸出。人工輸入主要是對系統控制范圍上、下限值的參數設定和對控制、執行、操作等命令的輸入或修改等。控制輸出主要是對歷史信息的查詢，重要信息的確認，系統運行狀態的在線查看和現場狀況的實時顯示等。

(3)報警裝置實現對設備故障、操作錯誤、通信中斷、線路破壞等情況的報警，以及當環境的惡劣程度超出系統控制范圍或控制力超過系統最大額定值時，危及行車安全情況的報警。

(4)記錄裝置對涉及行車安全的敏感信息進行記錄，包括采集信息、故障信息、操作信息、執行信息和報警信息等。便于日后的性能分析、故障診斷和打印存檔等。

2.2 核心控制層

電磁控制系統中的信息處理、安全控制、算法實現、輸入輸出控制等都是在核心控制層實現的。核心控制層對信息采集單元傳來的各類信息(包括列車運行情況、線路平順狀況、設備工作情況和現場環境狀況等)進行解析，得出它們對列車運行的影響(當前時刻和未來幾個時刻內的影響)，判斷是否需要采取應對措施。對需要做出調整的情況，經過分析處理，得出控制力的大小、方向和作用時間等，將這些控制信息傳送到驅動采集單元動作電磁系統。同時接受驅動采集單元傳來的控制反饋信息，實現電磁控制系統的實時閉環控制。

核心控制層中央處理器也可直接接收車載設備傳來的控制命令，驅動執行設備進行控制，或通過和車載設備的通信，輔助電磁系統的控制執行(例如參數設置、信息校核、命令修改等)。中央處理單元還對系統各設備的運行狀態進行實時監測，如果檢測到某個設備故障，立即采取應對措施。

此外，本系統還接收到車載設備傳來的道岔信息。若前方為道岔區段，則應控制驅采模塊，將電磁制動器提起，以防止列車通過道岔對電磁系統造成的物理破壞。當列車通過道岔區段時，再將電磁系統恢復到原來位置。

2.3 驅動采集層

驅動采集層主要由信息采集和設備執行兩部分構成。

(1)信息采集部分包括加速度、風壓、重力和軌距測定模塊，實現對列車重力、所受離心力、風力、輪對所受橫向力、縱向力、輪軌間橫移量和軌距等的測定。

加速度測定模塊主要是對橫向和垂向加速度(這些加速度主要是由于列車曲線通過、蛇形運動，或線路坡度、軌道不平順、地震等產生的)進行測定，得到輪對所受橫向力和垂向力，以此來測定列車運行狀況。

風力測定模塊用于測量列車運行過程中所受風壓的大小和方向，本系統將一定速度下列車所受的側風風力劃分為4個等級進行控制，如表1所示。

表1 側風影響等級表Table 1 Scale of the impact of the crosswind

測距模塊完成鋼軌軌距和輪軌橫移量的測定，軌距變化通常是由軌道不平順引起的，輪軌橫移量通常是由蛇形運動產生的，對這些數據量的測定都是通過輪對中心線距兩鋼軌間距離的變化來進行測定的。

(2)設備執行部分包括電磁系統、電磁作用力測定模塊、冷卻裝置組成。冷卻裝置由溫度監測設備和冷卻設備組成，通過對電磁系統溫度的監測，降低電磁制動器的溫度。

由于本系統安裝在列車上，所以，測得數據比軌檢車測得數據真實可靠。

3 設備安裝及試驗

3.1 設備安裝

電磁安全控制系統結構簡單、設計靈活、安裝方便，理論上只要滿足車體整體輪廓不超過規定限界，安裝位置可有多種選擇［7］。而本設計依據轉向架的位置，將電磁安全控制系統安裝在輪軌系統中，便于信息的采集傳遞和輪軌力的控制。也可根據實際使用情況進行調整，或是和其他車載設備進行集成，作為車載系統的子模塊，除保留與車載設備的通信接口外，將人機交互層其他設備通過車載系統的相應設備進行替換。

本設計中的電磁制動器由多套電磁鐵組成。每根鋼軌上方對應位置安裝2組電磁鐵，一組設置于鋼軌軌面上端的橫向電磁鐵，用于產生縱向磁力;另一組設置于鋼軌軌頭外側的縱向電磁鐵，用于產生橫向磁力。對控制力的測定通過壓力傳感器實現。每塊電磁鐵對應1個壓力傳感器。電磁控制系統工作時，電磁系統中的多套電磁鐵同時動作，共同作用于鋼軌。在本設計中，考慮鋼軌軌頭為(70±0.5)mm，輪對為135 mm，踏面為 85 mm左右，電磁系統的安裝位置最好在輪軌前端，且每套電磁系統都包含多組電磁鐵，這樣設置便于系統控制調節，電磁系統的設置情況如圖4和圖5所示。本系統中加速度傳感器在水平方向和垂直方向分別設置，壓力傳感器安裝在車體兩側，軌距傳感器安裝在車體底部。

圖4 電磁系統側視圖Fig.4 Side view of the electromagnetic system

圖5 電磁系統正視圖Fig.5 Front view of the electromagnetic system

當安裝有電磁控制系統的列車通過道岔時，由于道岔區段特殊結構，會碰撞到電磁制動器。因此，在道岔區段，需要將電磁制動器提起來，確保列車順利通過道岔區段。

電磁控制在每一車輛內分別設置。根據列車通信網絡(TCN)標準，同一電磁控制系統中不同設備的連接采用多功能車輛總線(MVB)，實現控制單元和采集、執行單元的互聯;不同車輛間電磁控制系統的連接則采用絞線式列車總線(WTB)，實現車輛之間的串聯數據通信［8］。

3.2 試驗平臺

由于條件所限，并不能在實際的列車上進行試驗，因此，設計了一套動態模擬系統。首先通過模擬平臺模擬彎道、側風、軌道不平順等情況，然后利用裝有的電磁控制系統的模擬小車(如圖6所示)，在模擬平臺上進行試驗。

圖6 電磁安全控制系統的模擬系統原理圖Fig.6 Schematic diagram of the simulation system electromagnetic safety control system

4 試驗結果分析

4.1 曲線通過能力的模擬

提高曲線上行駛列車的安全性和運行速度是本設計的核心功能。在模擬平臺上，利用調節器將電動機調節到不同的轉速，通過旋轉軸，使旋轉平臺開始轉動。

(1)未啟用電磁控制系統時，當速度為0.967 m/s時，所產生的離心力F離為:

離心加速度a離為:

模擬小車的脫軌系數Q/P為:

其中:v為列車運行速度;m為列車質量;r為曲線半徑;Q為車輪所受的橫向力;P為車輪所受的垂向力。

(2)啟用電磁控制系統時，當速度為0.961 m/s時，所產生的離心力為2.367 N，離心加速度為1.924 m/s2，左側電磁鐵的橫向力為2.49 N。車輪所受的橫向力為離心力與電磁控制系統所產生磁力的合力，由于這2個力方向相反，大小基本趨于相等，因此，Q與P的比值趨于0。理論值基本與實驗結果相符。

由上述結果可知:電磁控制系統提高了列車通過彎道時安全性。同時，也可以說明當在安全性不變的前提下，列車能以更高速度通過彎道。

4.2 減小側風影響的模擬

(1)未啟用電磁控制系統時，當模擬平臺的速度為0.881 m/s時，所產生的離心力為1.989 N，離心加速度為 1.617 m/s2，側向的模擬風力為1.26 N。

模擬小車的脫軌系數Q/P為:

由于風力與離心力共同作用，使本次試驗比未啟用電磁控制系統時的脫軌系數有所增大。

(2)啟用電磁控制系統時，當模擬平臺的旋轉速度為0.871 m/s時，所產生的離心力為1.944 N，離心加速度為1.581 m/s2，左側向的模擬風力為1.25 N，左側電磁鐵輸出的橫向力為3.22 N，垂向力為 0.16 N。

由上述結果可知:電磁控制系統明顯減小了側風對行車安全的影響。

試驗證明:在模擬列車通過彎道時，電磁控制系統的作用比較明顯。當有側風的情況下，電磁控制系統使列車更加安全平穩運行。綜上可知:列車電磁控制系統可以在現有基礎上提高列車通過彎道時的速度，在平直軌道上提高列車的舒適性，同時可以大幅提高列車的安全性［9］。但具體能提高多少，需綜合考慮其安全性、可靠性和舒適性等指標和現場試驗才能得出準確結果。

5 結論與展望

電磁控制系統是提高運行效率、保障行車安全的人工智能控制系統。系統安全高效，操作簡便，能有效地提高列車曲線通過能力，同時減小軌道不平順、側風和地震等各種不利因素對列車運行安全的影響，有效降低了列車脫軌、傾覆、線路破壞變形等的危險情況。在列車運行控制系統中，它既可以作為一個封閉系統單獨使用，通過和車載設備的通信，控制列車安全高效運行;也可以嵌入到車載系統中，作為其中的一個子模塊使用。在實際運用中可采用雙機熱備、二乘二取二或三取二冗余設置，保障系統更高的安全性和可靠性［10］。鑒于本系統涉及的內容比較復雜，未能在實際的鐵路系統中進行實驗，僅能通過動態模擬試驗證明系統的可行性和先進性，為進一步深入研究和實際應用打下基礎。

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