中低速磁浮列車占用檢測系統方案深化研究

夏 冷

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

中低速磁浮列車占用檢測系統方案深化研究

夏 冷

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

介紹中低速磁浮列車占用檢測系統，針對應答器方式、RFID方式和計軸方式進行研究和試驗，提出應用建議。

中低速磁浮列車；MATC；列車占用檢測；應答器；RFID；計軸

1 概述

磁懸浮列車是一種采用無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統的列車，國內北控磁浮公司和國防科技大學聯合國內相關單位對中低速磁浮交通技術工程化進行研發，2009年在唐山建成1.5 km的中低速磁浮試驗示范線。

中低速磁浮交通信號系統采用基于交叉感應環線的移動閉塞MATC系統，該系統具有兩種控制級別：連續通信級控制和聯鎖級控制。連續式通信級是移動閉塞系統通過車地雙向通信，使地面信號設備可以得到每一列車連續的位置信息和列車其他運行信息，據此計算出每一列車的移動授權，并動態更新，發送給列車。這樣后行列車追蹤目標點就可以是前行列車的尾部，從而可以實現移動閉塞，使系統能夠獲得更小的列車運行間隔。聯鎖控制級為連續式通信列車控制設備故障或者車載ATP故障的降級運行模式，由地面信號系統為列車運行提供全面的聯鎖防護，司機根據地面信號的顯示行車。在聯鎖控制級，列車占用檢測系統為聯鎖子系統提供軌道列車占用空閑信息，是保障行車的安全設備。

2 方案研究及試驗

中低速磁浮列車和輪軌列車不同，沒有輪對，是一種采用無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統的列車。由于中低速磁浮列車沒有輪對，在輪軌上廣泛采用的列車占用檢測系統，如軌道電路、輪對安裝計軸方式都無法在中低速磁浮列車上應用。

針對中低速磁浮列車的特殊性，本文對中低速磁浮列車占用檢測系統進行研究，要求列車占用檢測系統要滿足故障安全的原則，分別對應答器方式、RFID方式以及計軸方式進行研究，并進行現場試驗。

2.1 應答器方式

唐山試驗線初期采用基于應答器的列車占用檢測系統。車載設備配置雙向BTM和天線，地面配置應答器、軌旁LEU設備和室內主機設備，通過改裝地面軌旁電子單元LEU，完成車地的雙向通信功能。

基于應答器列車占用檢測系統的原理：列車BTM通過天線發送固定的能量信號和報文數據，報文數據內容為自定義，包含編號和車頭/尾等信息。地面應答器檢測到BTM發送的能量和數據后，發送自身數據上車。軌旁LEU檢測到BTM發送的數據后，通過軌旁LEU向站內主機發送相關信息，區控中心設備讀取該信息后通過邏輯運算判定相關區段為占用或空閑，如圖1所示。

該方式已在唐山中低速磁浮試驗線初期進行了試驗。經過充分分析和討論，發現系統存在下列主要問題：車載BTM故障或掉電后，車載設備不會向下輻射能量信號，導致地面應答器無法檢測到列車通過信息；地面應答器故障時，即使BTM發送能量信號，軌旁LEU設備也無法檢測到列車通過信息。因此，作為占用檢測設備，該種方式存在故障條件下難以導向安全的問題。

圖1 雙向應答器列車占用檢測原理圖

2.2 RFID方式

電子標簽RFID方案原理是基于列車通過檢測點時阻斷標簽讀取機讀取無源標簽信息的方式，類似于紅外線阻斷原理。因電子標簽采用無線通信方式，一般的障礙物如樹葉、行人等無法阻斷設備之間的通信，因此不會對系統造成干擾，故可用性較高。

標簽讀取機采用基于900 MHz頻點的調頻方式與標簽通信。每個標簽讀取機能夠帶4個輻射天線，每個輻射天線離讀取機的最大距離為30 m。每個天線的輻射有效角度為45°，標簽的讀取距離大于10 m。標簽讀取機能夠提供交流供電和以太網接口。RFID在7×24 h的工作條件下沒有問題。標簽單次刷新后的使用壽命為10年，可以通過再次刷新方式延長壽命。標簽讀取機在故障時，會停止向外輸出心跳信號，符合故障-安全原則。

在唐山現場試驗時，在軌道一側安裝1個讀取天線，在磁浮列車上安裝6個RFID：RFID1～RFID6，在軌道的另一側安裝1個RFID：RFID7。在不同的運行方向和不同運行速度情況下，對RFID方式列車占用檢測方案進行試驗，如圖2所示。

圖2 RFID設備列車占用檢測原理圖

當沒有列車通過時，閱讀器可以讀到對面的標簽7，當列車通過時，閱讀器可以讀到磁浮列車上安裝的標簽1到標簽6。當列車通過后，閱讀器又可以讀到標簽7。

通過以上分析，在列車下行時：通過閱讀器讀取到標簽1、標簽7從讀取到讀不到，可以判斷列車進入下一區間；通過閱讀器讀取到標簽6以及讀取到標簽7，可以判斷列車完全進入下一區間，上一區間可以判斷出清。列車上行時：通過閱讀器讀取到標簽6、標簽7從讀取到讀不到，可以判斷列車進入下一區間；通過閱讀器讀取到標簽1以及讀取到標簽7，可以判斷列車完全進入下一區間，上一區間可以判斷出清。同時根據標簽1～6的讀取順序，可以判斷列車的運行方向。

通過以上試驗和分析，說明利用電子標簽進行列車占用檢測從功能上是可行的，但是還存在一些問題：讀卡器提供的以太網接口如何和現有聯鎖系統銜接、電子標簽進行列車占用檢查還沒有工程化應用的案例；采用該方案需要基于目前產品進行二次開發，涉及的安全功能，也需要考慮系統的安全認證問題。另外，所有該產品的核心設備均為進口產品，存在維護、維修及備件問題。

2.3 計軸方式

在輪軌制式的軌道交通項目中有大量使用計軸設備的案例，在目前的中低速磁浮列車上，盡管沒有可以直接使用車輪進行計軸的條件，但可以借助計軸的原理，考慮在磁浮車體加裝感應板，利用計軸設備檢測列車占用和實現列車完整性檢查。

2.3.1 方案

對于磁浮線路而言，將車輪傳感器安裝在兩根間距為1.2 m的鋼梁之間，位于兩個F軌道（感應板）的內側，不會侵入車輛的限界范圍，安裝時傳感器與鋼梁保持同一水平面，或略高于鋼梁而低于F軌道面。另外，基于輪緣檢測的方式可以不用基于圓形金屬構件，可以基于方形構件。

根據市場調研和現場測量，選用成都鐵路通信工廠提供的具有現場大規模使用業績且穩定生產的R型傳感器（對應型號RSR180）。

R型傳感器技術特點：磁場強度相對較弱，且發送、接收傳感器之間采用較高頻率交變磁場（200～250 kHz左右），空間磁場高度集中，且在空間上的單位面積磁場強度減少很快，傳感器接收的磁場強度小，因此此型傳感器的磁場有效作用范圍小，在作用范圍內對較小的鐵磁性感應體非常敏感，因此其檢測能力較強而抗異物干擾的能力很弱，在其作用范圍內有效動作面積僅2 500 mm2，在輪軌運用模式下，其磁場有效作用高度距傳感器表面40 mm，由于磁場作用范圍小，故要求其靈敏度極高。

經過對傳感器的安裝位置和感應板位置的初步確認和分析，結合車體狀況，確定安裝方案。初步確定傳感器尺寸為90 mm×90 mm×250 mm（寬×高×長），感應板面積200 mm×400 mm（寬×長），整體沿導軌梁呈縱向安裝，如圖3所示。

圖3 R型傳感器、感應板安裝示意圖

2.3.2 現場試驗

2010年9月和11月，在唐山中低速磁浮試驗線進行了現場試驗。本次試驗采用的設備為成都廠提供的ACS2000型計軸設備。現場安裝共分為以下幾個部分。

1）軌旁磁頭，如圖4所示。

圖4 軌旁計軸磁頭安裝圖

2）軌旁計軸設備，如圖5所示。

圖5 軌旁計軸設備面板圖

3）列車感應板，如圖6、7所示。

圖6 磁懸淳列車感應板安裝圖

圖7 傳感器、感應板安裝位置示意圖

說明：

a：感應板下表面與F軌上表面的垂直距離（落車時）；

b：傳感器上表面與F軌上表面的垂直距離；

c：感應板側面與F軌內側面的水平距離；

d：傳感器側面與F軌內側面的水平距離；

f：感應板下表面與傳感器上表面的垂直距離（落車時）。

本次試驗采用1輛列車，列車首尾部各安裝1個感應板，地面安裝2套計軸傳感器和室內設備。現場試驗金屬板距離磁頭約35～40 mm。現場測試過程中進行了不同速度（3，5，7 ，10，15，20，30，40，50，55，60，65，70 km/h）、以及多個安裝參數的試驗。分析試驗數據，得出以下結論。

1）ACS2000型計軸設備基本能夠適應磁懸浮的現場運行條件。

2）從現場安裝方案看，在磁懸浮列車上的安裝基本能夠滿足設備的正常指標范圍。

3）從試驗數據看計軸設備能夠正常反映列車的占用和出清狀態。

4）對列車低速、中速、高速進行測試，測試結果滿足指標要求。

通過對靜態指標的測試、動態的波形和工作界面的觀察，計軸系統工作正常，外部傳感器無明顯的干擾。從試驗數據來看，證明計軸設備在不同安裝情況下對70 km/h及以下車速都能準確的偵測到感應板，對車體懸掛物、磁浮環境（EMC）都有很好的適應性。試驗證明在70 km/h以下，計軸設備完全適應磁浮系統需求，通過試驗數據分析、以往使用經驗及理論計算分析得出技術參數如表1所示。

表1 計軸試驗技術參數

3 方案比選

表2對應答器方式、RFID方式、ACS2000型計軸方式進行了對比分析。

表2 方案對比分析表

4 結論

從試驗結果對比及工程應用角度分析，推薦采用成都廠ACS2000型計軸設備作為中低速磁懸浮項目列車占用檢測系統。

磁浮環境下計軸設備的應用建議如下：

1）計軸磁頭應安裝在固定軌道梁上，不應安裝在移動軌道梁上。

2）計軸磁頭盡可能安裝在線路的直線段，且安裝高度不宜高于軌旁中央現場檢修通道。

3）車底感應板的安裝應不低于列車前端排障器。

4）當列車沒有掉頭作業可能性時，則列車每輛車體上至少需要安裝2個感應板。感應板的位置與軌旁磁頭的位置相對應。

5）當列車有掉頭作業可能性時，如果磁頭安裝在線路中心線上，則列車每輛車體上至少需要安裝2個感應板；否則，應至少對稱安裝4個感應板。

6）對于交叉渡線區段需要聯鎖提供相應的道岔表示狀態，用于計軸設備判斷列車占用信息。

7）對于曲線段和大坡度段（尤其是變坡點）需要安裝計軸磁頭時，應詳細核算相關的間距。

從2011年3月起，在唐山中低速磁浮試驗線地面安裝了4個計軸區段設備，在1列車（2個編組）安裝了4塊計軸感應板，地面計軸通過軌道繼電器和聯鎖系統接口。

從現場安裝使用至今，計軸系統工作正常，作為中低速磁浮列車占用檢測系統運用良好，沒有出現軸數多計或者少計的情況。

This paper introduces the train occupation detection system for low/medium-speed maglev trains and proposes the application suggestion based on the study and experiment on the different modes of balises， RFID and axle counters.

lower/medium speed maglev train； maglev ATC； train occupancy detection； balise； RFID； axle counter

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.06.003

2014-09-11）