中低速磁懸浮TWC環(huán)線動(dòng)態(tài)建模與仿真研究

吳 進(jìn)，孟天旭，黨海笑，白英杰

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

中低速磁懸浮是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一項(xiàng)新技術(shù)，是目前城市軌道交通[1]中的先進(jìn)技術(shù)，是中國(guó)城市軌道交通多元化其中的一個(gè)重要角色[2]。磁懸浮列車工作時(shí)主要利用了電磁鐵同性排斥異性吸引的基本原理，利用電磁力抵消重力。而TWC環(huán)線系統(tǒng)是常見(jiàn)于中低速磁懸浮線路中用于車地通信的系統(tǒng)，但在實(shí)際應(yīng)用中，若通信空間內(nèi)存在空間場(chǎng)騷擾，可能導(dǎo)致通信異常從而引起故障。因此對(duì)中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線系統(tǒng)的場(chǎng)分布情況和電磁場(chǎng)耦合機(jī)理的研究具有重要意義。

1 TWC環(huán)線工作原理

中低速磁懸浮列車的TWC接收和發(fā)射天線通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向通信。當(dāng)外部的電磁波疊加到雙向通信的系統(tǒng)，且達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通信故障，列車導(dǎo)向安全側(cè)。

中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線的結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示，其工作原理為：區(qū)域控制器（Zone Controller，ZC）把列控命令和列車自動(dòng)監(jiān)督（Automatic Train Supervision，ATS）的信息通過(guò)CAN總線發(fā)送給軌旁發(fā)送設(shè)備，發(fā)送設(shè)備調(diào)制后經(jīng)過(guò)功放進(jìn)行放大，經(jīng)環(huán)線檢測(cè)濾波設(shè)備、傳輸電纜送到室外始端匹配單元、環(huán)線和終端匹配單元上，車載接收天線感應(yīng)到的信號(hào)送給接收設(shè)備進(jìn)行解調(diào)，通過(guò)CAN總線發(fā)送給車載列車自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）主機(jī)，列車自動(dòng)運(yùn)行（Automatic Train Operation，ATO）信息內(nèi)容由車載ATP轉(zhuǎn)發(fā)給車載ATO主機(jī)，車載ATP和ATO主機(jī)收到命令數(shù)據(jù)后通過(guò)CAN總線把應(yīng)答命令數(shù)據(jù)發(fā)送給車載發(fā)送設(shè)備，發(fā)送設(shè)備調(diào)制后經(jīng)過(guò)功放進(jìn)行放大，經(jīng)發(fā)送天線發(fā)射到軌旁環(huán)線，軌旁環(huán)線把感應(yīng)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸電纜送給室內(nèi)環(huán)線檢測(cè)濾波設(shè)備，經(jīng)處理后送給地面接收設(shè)備進(jìn)行解調(diào)，接收設(shè)備解調(diào)后通過(guò)CAN總線發(fā)送給ZC。車載ATP發(fā)送的應(yīng)答命令數(shù)據(jù)包含當(dāng)前列車的位置信息，ZC根據(jù)該信息確認(rèn)環(huán)線占用情況，生成后續(xù)列車的控車命令[3]。

圖1 TWC環(huán)線結(jié)構(gòu)及原理示意Fig.1 TWC loop structure and principle

2 TWC環(huán)線通信原理

中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線的形狀呈數(shù)字8型排列在平面上，環(huán)線內(nèi)以正弦形式電信號(hào)信息傳輸。上行鏈路信號(hào)傳輸使用35.8±0.4 kHz的FSK信號(hào)，下行鏈路信號(hào)傳輸使用54±0.4 kHz的FSK信號(hào)和9 kHz的監(jiān)測(cè)信號(hào)。

上行鏈路信號(hào)傳輸技術(shù)指標(biāo)為：載波中心頻率35.8＋0.4 kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率1 200波特率，報(bào)文碼長(zhǎng)83 bit;下行鏈路信號(hào)傳輸技術(shù)指標(biāo)為：載波中心頻率54＋0.4 kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率600波特率，報(bào)文碼長(zhǎng)43 bit。車輛控制中心（VCC）至車載控制中心（VOBC）的上行鏈路信號(hào)傳輸，通過(guò)中心饋電設(shè)備和饋電設(shè)備送入TWC環(huán)線[4]，然后，車載接收天線與TWC環(huán)線產(chǎn)生的時(shí)變電磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)耦合，進(jìn)而將命令報(bào)文傳輸給VOBC。每個(gè)TWC環(huán)線通道每隔70 ms的工作周期，輸出一個(gè)83比特位的串行命令報(bào)文[4]，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 200 bit/s。同樣，VOBC的信息報(bào)文以600 bit/s的傳輸速率發(fā)送43比特位的報(bào)文，經(jīng)過(guò)TWC環(huán)線與發(fā)射天線的電磁感應(yīng)，信號(hào)的提取與放大，最后將數(shù)據(jù)傳輸給VCC。

3 仿真建模及驗(yàn)證

中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線所處狀態(tài)可分為兩類：一類為TWC環(huán)線上方無(wú)列車，另一類為TWC環(huán)線上方有列車。因此，電磁仿真時(shí)采取對(duì)TWC環(huán)線線纜本身施加激勵(lì)源，模擬無(wú)車狀態(tài)；在TWC環(huán)線以外的位置，添加激勵(lì)源，模擬有車狀態(tài)。TWC環(huán)線與車載接收天線之間通過(guò)電磁感應(yīng)，完成上行鏈路信號(hào)傳輸。其中，TWC環(huán)線作為發(fā)射天線，車載接收天線接收信號(hào)。

由于測(cè)試設(shè)備安裝在測(cè)試環(huán)境需要協(xié)調(diào)多方進(jìn)行配合安裝，其過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)；每次需進(jìn)行測(cè)試方案的改進(jìn)，測(cè)試設(shè)備位置變動(dòng)困難；車輛需要維持正常運(yùn)營(yíng)，車輛快速經(jīng)過(guò)測(cè)試點(diǎn)時(shí)，由于測(cè)試設(shè)備測(cè)試范圍有限且不能干擾車輛運(yùn)行，信號(hào)的可視化難度較大。基于以上幾點(diǎn)，采取仿真分析模擬[5-7]的辦法，利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型，將實(shí)際測(cè)試投射到仿真模型的設(shè)置中，優(yōu)化問(wèn)題的解決過(guò)程。

3.1 無(wú)車狀態(tài)環(huán)線場(chǎng)分布仿真

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]和調(diào)研得到的數(shù)據(jù)，車體長(zhǎng)度為15 m，寬度為3 m，使中低速磁懸浮列車懸浮所用的軌道由鋁板、F型導(dǎo)軌和鋼軌等金屬材料構(gòu)成。為進(jìn)行電磁仿真，首先建立參數(shù)化的模型，模型初步建立如圖2所示。在模型中，中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線的每個(gè)環(huán)長(zhǎng)度為5 m，寬度為70 cm，線的直徑為1 cm。材料設(shè)置為完全導(dǎo)電（Perfectly Electric Conducting，PEC）。激勵(lì)源的設(shè)置中，port1為35.8 kHz的正弦信號(hào)，且大小為1 A的電流源，其位置在圖2的左端；為了形成閉合回路，在圖2的右端放置50 Ω的負(fù)載。

圖2 TWC環(huán)線無(wú)車模型Fig.2 TWC loop model (without vehicle)

加入鋼軌、F導(dǎo)軌和鋁板后開展仿真，得到無(wú)車狀態(tài)TWC環(huán)線的空間電場(chǎng)輻射情況，如圖3所示。

圖3 無(wú)車狀態(tài)TWC環(huán)線空間電場(chǎng)輻射分布Fig.3 Space electric field radiation distribution of TWC loop (without vehicle)

根據(jù)仿真結(jié)果，得出空間電磁場(chǎng)分布規(guī)律，在無(wú)車時(shí)，即僅對(duì)TWC環(huán)線進(jìn)行激勵(lì)，空間電磁場(chǎng)在TWC環(huán)線的每個(gè)環(huán)中是相同的，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，每個(gè)環(huán)中的電磁場(chǎng)均處于同步變化，大小相同，方向相同，符合TWC環(huán)線磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。

3.2 有車狀態(tài)環(huán)線場(chǎng)分布仿真

模型如圖4所示，TWC環(huán)線的每個(gè)環(huán)的長(zhǎng)度為5 m，寬度為70 cm，線直徑為1 cm。環(huán)線、矩形板和鋼軌的材料分別設(shè)置為銅、鋁和鐵。激勵(lì)源的設(shè)置中，port2為54.5 kHz的正弦信號(hào)，且大小為2 A的電流源，其位置在左端且距離環(huán)線所在平面上方70 cm處。為了使環(huán)線形成閉合回路，對(duì)環(huán)線的兩端均設(shè)置為50 Ω的負(fù)載。

圖4 TWC環(huán)線有車模型Fig.4 TWC loop model (with vehicle)

得到有車狀態(tài)TWC環(huán)線的空間電場(chǎng)輻射情況，如圖5所示。

圖5 有車狀態(tài)TWC環(huán)線空間電場(chǎng)輻射分布Fig.5 Space electric field radiation distribution of TWC loop (with vehicle)

根據(jù)仿真結(jié)果，得出空間電磁場(chǎng)分布規(guī)律，在有車時(shí)，即在TWC環(huán)線的上方設(shè)置激勵(lì)源，激勵(lì)源位于第一個(gè)環(huán)的上方時(shí)，空間電磁場(chǎng)分布在第一個(gè)環(huán)中是不均勻的，在第二、三和四環(huán)中，分布是相同的。

3.3 仿真驗(yàn)證

以有車狀態(tài)為例，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以此對(duì)仿真模型的正確性加以驗(yàn)證。當(dāng)實(shí)際有車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，在軌旁的環(huán)線上布置電流探頭，測(cè)得激勵(lì)源在某一節(jié)環(huán)線起始位置的頻譜如圖6所示，電流值隨激勵(lì)源沿鋼軌移動(dòng)距離變化的數(shù)據(jù)如表1和圖7所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)車輛正常運(yùn)行且經(jīng)過(guò)測(cè)試點(diǎn)頻譜Fig.6 Spectrum diagram of field vehicle operating normally and passing through test point

表1 激勵(lì)源不同位置對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)電流值Tab. 1 Current values of test points corresponding to different positions of activation source

圖7 激勵(lì)源不同位置對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)電流值Fig.7 Current values of test points corresponding to different positions of activation source

將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的頻譜與仿真數(shù)據(jù)的頻譜在同一狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比，不同位置仿真與試驗(yàn)差值保持一致，兩者只是在幅度上有差異，也是因?yàn)榧?lì)源的大小不同所致。驗(yàn)證了中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線模型的正確性和適用性，符合實(shí)際的應(yīng)用情況。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于交叉感應(yīng)電纜環(huán)線通信的 TWC 系統(tǒng)進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿真，對(duì)下行鏈路通信系統(tǒng)進(jìn)行建模與計(jì)算，得到無(wú)車和有車狀態(tài)下TWC環(huán)線的空間電磁場(chǎng)分布以及環(huán)線的電磁耦合機(jī)理，結(jié)合實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，為TWC系統(tǒng)通信問(wèn)題的后續(xù)研究與電磁防護(hù)提供了支撐。