基于受流軌特性的磁浮列車定位方法研究＊

劉國清 張昆侖 靖永志

（磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都∥第一作者，助理研究員）

磁浮列車定位系統(tǒng)能夠?yàn)榱熊囎詣?dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)、自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)、自動(dòng)監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的位置信息。其定位方法的精度和可靠性是確定列車安全防護(hù)距離的重要因素，對軌道交通系統(tǒng)的效率、閉塞控制的方式、列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的兼容性和生命周期費(fèi)用等都具有重要的影響［1］。因此，深入研究列車定位方法，對于推動(dòng)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究和軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義。目前，應(yīng)用于列車定位系統(tǒng)的技術(shù)有多種，如光電感應(yīng)定位測速、微波定位測速、接近傳感器定位測速、交叉感應(yīng)回線定位測速、GPS（全球定位系統(tǒng)）定位技術(shù)等［2－5］。在這些檢測方式中，有的地面設(shè)備需要帶電工作，易受到外界環(huán)境的影響，且增加了維護(hù)成本；有的檢測物體的位置具有間斷性，是非連續(xù)性的檢測方式；有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差；有的設(shè)備昂貴，成本高。

本文通過研究磁浮列車供電系統(tǒng)中受流軌的特性，提出并分析了一種新型的用于磁浮列車的定位方法［7］，闡述了該定位方法的原理以及派生出的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并利用現(xiàn)有10m磁浮模型車系統(tǒng)對基于該方法實(shí)現(xiàn)的定位裝置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)表明：該定位方法簡單易行，可以避免在線路沿線鋪設(shè)大量的測量裝置；其測量系統(tǒng)完全具備室內(nèi)放置的條件，成本低廉、可靠性高、易于維護(hù)，且位置測量值具有連續(xù)性。

1 磁浮列車受流軌

受流軌供電也稱第三軌供電。其概念由德國西門子公司于1879年提出，并迅速得到了發(fā)展。目前，軌道交通例如地鐵、輕軌、有軌電車和磁浮列車等均采用了受流軌技術(shù)［7］。磁浮列車通常采用側(cè)向受流方式和DC 1 500V供電制，其受流裝置通常安裝在懸浮架底部，接入±DC 1 500V兩條受流軌分別安裝在線路基礎(chǔ)的兩側(cè)，磁浮車受流靴在彈簧力作用下，通過與受流軌機(jī)械滑動(dòng)接觸，實(shí)現(xiàn)列車供電（如圖1所示）。

圖1 磁浮列車受流示意圖

2 基于受流軌特性的列車定位原理

受流軌采用鋁合金和不銹鋼材料經(jīng)復(fù)合加工而成。其特點(diǎn)是截面單一，材質(zhì)分布均勻。常規(guī)的磁浮列車由線路兩端的兩個(gè)變電站供電［9］。現(xiàn)將磁浮列車當(dāng)作負(fù)載RT，忽略各段受流軌間的接觸電阻。設(shè)線路總長為L，列車所處位置距線路兩端的距離分別為L1和L2，受流軌材料的電阻率為ρ，受流軌截面積為A，利用電壓、電流測量裝置，可以獲得受流軌兩端的電壓U1和U2，以及流過受流軌的電流i1和i2，如圖2所示。

圖2 基于受流軌特性的列車定位方法原理圖

確定了L1或L2的值，便可實(shí)現(xiàn)對列車的定位。圖2所示的列車定位方法的數(shù)學(xué)模型可表示為：

其中，RL1、RL2分別是長度為L1和L2的受流軌對應(yīng)的電阻值，由受流軌的材料和截面積決定，其表達(dá)式為：

由于磁浮列車在懸浮過程中其懸浮電流是不斷變化的，對應(yīng)的負(fù)載RT也不是一個(gè)常量。所以，需在列車上布置一電壓測量裝置實(shí)時(shí)檢測列車兩側(cè)受流靴之間的電壓值UF，并通過無線通信的方式送入定位系統(tǒng)。該電壓值與列車負(fù)載的關(guān)系為：

利用電壓、電流測量裝置獲得的值，可計(jì)算出列車所處位置對應(yīng)的受流軌的電阻值，進(jìn)而確定列車的位置。由式（1）、（2）和（3）可以看出，利用一種或數(shù)種電壓、電流測量裝置的搭配，即可實(shí)現(xiàn)對列車的定位。

在獲得列車的位置信息后，只需將該位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地送入數(shù)據(jù)處理器件，如單片機(jī)、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）、PC機(jī)、工控機(jī)等。利用速度－位移公式即可得出列車的運(yùn)行速度。

式中：

v——列車運(yùn)行速度；

ΔT——采樣的時(shí)間間隔；

ΔL——采樣時(shí)間間隔內(nèi)的位置變化量。

基于受流軌特性的列車定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 列車定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的測速定位方法

3.1 雙端測量法

由式（1）和（2）相減可以消去列車負(fù)載，得到：

由式（8）和式（3）可以確定列車位置。其定位方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙端測量法拓?fù)鋱D

采用這種方法可以將電壓、電流測量裝置放置于室內(nèi)，沿線路鋪設(shè)一條專門的通信線纜，或利用無線傳輸?shù)姆绞綄y量數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理裝置。

3.2 單端測量法

利用式（1）和（3）可以實(shí)現(xiàn)列車定位。其定位方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 單端測量法拓?fù)鋱D

采用這種方法可以將一組電壓、電流測量裝置放置于室內(nèi)，將另一電壓測量裝置布置在列車上，必須利用無線通信的方式將測量值送入數(shù)據(jù)處理裝置。

利用式（2）和（3）也可以實(shí)現(xiàn)列車定位，與上述雙端測量法、單端測量法唯一的區(qū)別只是測量裝置放置地點(diǎn)的不同。

4 在10m長磁浮線上模型車的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 列車定位裝置的實(shí)現(xiàn)

利用現(xiàn)有10m長磁浮線上模型車系統(tǒng)，對基于該原理的列車定位裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該模型車受流軌的參數(shù)如表1所示。

表1 模型車受流軌參數(shù)

由于工作電流不大（DC 48V，20A），該磁浮模型車沒有設(shè)專門的變電站供電，而是采用1 000W的開關(guān)電源。電源接入受流軌的方式是兩端接入，如圖6所示。

圖6 10m長磁浮線上模型車定位裝置原理圖

開關(guān)電源的正負(fù)極分別接在兩側(cè)受流軌的兩端，利用先前建立數(shù)學(xué)模型的方法可以得出：

從式（9）可得出：對于磁浮模型車系統(tǒng)來說，只需要測量其兩側(cè)受流軌端部的電壓值便可確定列車位置。采用兩通道以上12位的A／D（模／數(shù)）采樣芯片（MAX1312）采集電壓值，并利用 DSP（TMS320F2812）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，制備出一套定位裝置。

4.2 試驗(yàn)方法和結(jié)果

在模型車軌道上每隔0.5m設(shè)立一位置標(biāo)志，將磁浮模型車浮起后，手動(dòng)推動(dòng)模型車前進(jìn)，將其準(zhǔn)確停靠在每個(gè)標(biāo)志位，并利用定位裝置對處于每個(gè)位置標(biāo)志的模型車進(jìn)行位置測量，最后將定位裝置得到的位置信息和位置標(biāo)志進(jìn)行比對。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 定位試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以得出，磁浮模型車在10m長軌道上運(yùn)行時(shí)，利用該定位裝置可以較精確地測量出列車的位置。

5 結(jié)語

利用受流軌的電阻率特性和材料的一致性，可以得到一種新的用于磁浮列車的定位方法，利用該方法實(shí)現(xiàn)的測量裝置可放置在室內(nèi)，并具有成本低廉、易于維護(hù)的特點(diǎn)。利用該方法可以得到幾種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定位模型。這幾種模型各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際的需要選擇定位模型。

利用該方法實(shí)現(xiàn)的定位裝置，其模型試驗(yàn)的測量精度小于5%。如果需要更高的定位測量精度，則需要對受流軌的材料和截面形狀的一致性提出更高的精度要求，并需采用更高精度的電壓和電流測量裝置。通過在磁浮模型車系統(tǒng)上的試驗(yàn)表明，該定位方式是可行的。

本文提出的方法用在具有整段受流軌的線路上較為合適，而在實(shí)際的軌道交通線路中，由于受流軌間存在接縫，會(huì)引出接觸電阻的問題，目前正利用查表法嘗試解決這一問題。目前的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)較高的位置測量精度。但無論如何，該方法還是具備一定的應(yīng)用價(jià)值，可作為現(xiàn)有磁浮列車定位技術(shù)的一種補(bǔ)充。

［1］張湘，連級(jí)三，張昆侖.磁浮列車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2002，24（3）：18.

［2］郭小舟，王瀅，王式雄.高速磁懸浮列車定位測速系統(tǒng)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，39（4）：455.

［3］龍志強(qiáng)，李曉龍，周文武，等.磁懸浮列車的定位和測速技術(shù)研究［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（4）：83.

［4］楊建勇，連級(jí)三.基于軌間電纜的磁懸浮列車定位測速［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2001（1）：30.

［5］戴春輝，薛松，龍志強(qiáng).基于長定子齒槽的磁浮列車測速定位傳感器信號(hào)處理［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22（6）：823.

［6］劉國清.一種受流裝置的定位方法：中國，200910222254.7［P］.2011－06－15.

［7］胡基士，潘慧龍.磁浮列車受流器設(shè)計(jì)依據(jù)分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，35（2）：171.

［8］吳祥明.磁浮列車［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003：192.