高速磁浮列車測速定位問題綜述

孟川舒

(1.國防科技大學智能科學學院,長沙 410073; 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081)

近年來,我國在磁浮軌道交通領域的發展開始加速,多條中低速磁浮線路建設運營,國家層面規劃中也明確提出統籌安排高速磁浮相關工作,磁浮鐵路已經從技術研究階段向工程應用階段演進。但是,以往研究多集中于技術,在磁浮系統總體層面較多地參考德國、日本等在10～20年前的路線[1],對技術問題特別是交叉應用問題的總體性研究不夠充分,不利于我國磁浮相關技術發展以及實際工程應用,加強技術問題的系統性總結分析十分必要。

列車在某一時刻準確可靠的速度、位置信息是保障軌道交通系統正常運行最為關鍵的條件之一,中低速磁浮已經在國內外實現商業運營,其測速定位技術路徑和工程方案已較為明確。相比之下,高速磁浮列車測速定位與運行控制、牽引控制、車地通信、懸浮控制等多個方面緊密相關,對精度、響應時間等指標要求較高,技術難點較多,雖然我國對高速磁浮列車測速定位技術的研究已有20余年,但相關研究基本限于技術本身,缺乏對測速定位相關問題的總體性、系統性研究分析,不利于在后續工程化階段實現高速磁浮大系統整體最優化。通過系統分析總結了高速磁浮列車測速定位問題和當前研究進展,結合技術發展和工程實際進行了展望,以期為后續研究及工程應用工作提供思路參考。

1 高速磁浮列車測速定位問題概述

從系統工程角度,高速磁浮鐵路是一個基于時空關系的復雜巨系統,其中車地時空關系是最為核心的關系,主要用時間、位置/距離、速度等信息來表達,以作為相關子系統的控制決策依據,保障整個系統正常運行。高速磁浮列車測速定位問題的技術本質就是車地時空關系的表達,功能目標是實現車地時空信息的實時獲取與交互,重點在于信息層面而不是單純的測速定位技術研究應用或系統構建,但設計構建安全可靠的測速定位系統、選用合適的測速定位技術是實現測速定位功能目標以及能夠工程應用的必要條件。基于車地時空關系,高速磁浮列車測速定位問題具有時空一致性、時空約束性和時空敏感性三方面基本特征。

1.1 時空一致性

時空一致性是指高速磁浮列車和地面系統需要具有統一的時空基準和度量標準,在此前提下,車載測量和地面測量才能在同一時空坐標系下,測速定位才有意義。要滿足時空一致性要求,車地間需要實現時間同步和時鐘同步,同步的精度會影響測速定位的精度以及數據的可融合度。例如,不同的定位傳感器采樣頻率不同,如果數據不是同步獲取,那么不同時刻的位置數據就發生了變化,較難融合。車地間還需要實現空間基準的傳遞,傳遞的精度就是列車絕對定位精度,會進一步影響列車相對定位精度。

1.2 時空約束性

時空約束性是指高速磁浮車地之間具有嚴格的時空唯一性、嚴格的時序計劃和嚴格的空間約束狀態。嚴格的時空唯一性是指同一安全區間在同一時刻只允許一列車存在,嚴格的時序計劃是指列車依次嚴格按照計劃時刻到達計劃位置,這兩個方面與列車運行控制緊密相關,對列車準確可靠的測速定位是實現這兩個方面的前置條件。嚴格的空間約束狀態包括兩個方面,一是指列車的空間絕對位置受限于軌道,軌道的空間一維特性有利于降低列車測速定位難度;二是指列車的運動狀態受限,即列車相對于軌道的懸浮活動空間、運動參量受嚴格約束,車體運動狀態(例如“蛇形”)以及相對于軌道的實時速度、位置與懸浮控制、牽引控制的參量調整緊密相關,基于高速磁浮的這些特點,測速定位不應僅從大尺度上將列車作為一個時空質點考慮,而還應考慮基于列車運動狀態的小尺度相對時空精密測量,這種整體性考慮在目前的相關研究中涉及較少。

1.3 時空敏感性

時空敏感性是指運控、牽引等系統對列車時空信息及其相關指標敏感,主要體現在測速定位信息的精度、實時性、更新周期等方面,不同系統、不同制式的敏感程度不同。例如,牽引系統需要實時獲取直線電機次級的磁極相角信息,相對角分辨率需達到3°,常導制式定子極距為258 mm,換算成空間分辨率為4.3 mm,這對測速定位技術提出了很高要求。而日本超導制式由于極距增大,因此空間分辨率要求相應降低,對技術的要求也隨之降低。但是,對運控系統而言,并不需要這么高的空間分辨率,相比之下其更為關注列車絕對位置信息的可信度和可靠度。因此,測速定位問題必須全面、綜合考慮各子系統的時空敏感性要求。

2 高速磁浮列車測速定位功能特點分析

與輪軌不同,高速磁浮列車沒有車輪,車體懸浮于地面無接觸運行,輪軌基于車輪的測速定位方法不能直接移用,并且高速磁浮采用同步直線電機作為牽引,相應的技術要求有較大改變,因此,在技術選用和系統設計時需充分考慮前述基本特征以及具體功能特點的要求。高速磁浮列車測速定位功能主要具有以下特點。

(1)測速定位信息不只與運行控制密切相關,也與牽引控制緊耦合,信息傳遞的上位系統主要包括運控系統和牽引系統,從信息應用層面還包括車地通信、安全保障等系統[2]。

(2)牽引控制需要實時獲取次級(列車)的磁極相角信息,對空間定位精度、測速定位的連續性和測速定位信息傳遞的實時性要求均較高[3]。

(3)列車采用全自動運行,以地面控制為主,車地間測速定位信息交互的頻度較高[4]。

(4)對車地間時空一致性要求較高,特別是時間同步和時鐘同步,對通信通道的延時、帶寬、可靠性要求較高[5]。

(5)不同制式的牽引結構、軌道結構、車輛結構等均不同,所適用的測速定位技術和測速定位系統架構也各不相同[6-7]。

3 研究進展

3.1 技術研究

按照是相對于大地獲取列車位置數據還是相對于絕對位置點測量時空尺度變化來劃分,測速定位技術可分為絕對型和相對型[8-9]。絕對型只有測量誤差而沒有誤差累積,相對型誤差可以累積,因而必須依靠絕對定位來修正,因此在實際應用中,這兩個類型的技術必須搭配組合應用。目前高速磁浮列車測速定位技術研究中,相對型技術主要包括感應環線技術、齒槽檢測技術、車載多普勒雷達技術,絕對型技術主要包括脈寬編碼檢測技術、射頻應答器技術、衛星導航技術、光纖測量技術[10]。

3.1.1 感應環線技術

感應環線技術的基本原理是:在地面沿軌道方向將電纜以等距重復環形結構的方式繞設,同時在車底安裝線圈,當車載線圈或地面環線通以激勵交變電流時,另一方回路就會產生感應電動勢,列車運動會使車地回路的相對位置發生變化,回路重疊有效面積的變化帶來感應電動勢的變化,車地回路重疊時感應電動勢最大,列車線圈回路中心位于地面兩個相鄰回路交點上方時感應電動勢最小,進一步通過信號特征提取就可以判斷車地相對位置變化情況,實現測速定位[11]。根據電纜是否交叉可分為交叉感應環線或非交叉感應環線,同時根據激勵源位置分為車載激勵和地面激勵,目前研究以車載激勵的交叉感應環線測速定位技術居多,如圖1所示。

圖1 交叉感應環線技術示意Fig.1 Cross inductive loop

感應環線技術能夠連續測速定位,并可進行車地通信,實現通信定位一體化。同時,其具有較好的靈活性和適應性,回路尺寸可根據工程需求靈活設計,適用于各種磁浮制式,也能夠適應較為惡劣的環境。但其缺點是需要布置大量軌旁設備,且道岔處需特殊處理,工程造價和后期維護成本較高。最先將感應環線技術用于磁浮系統的是日本,名古屋和山梨縣試驗線均有所應用。國內北京全路通信信號研究設計院、國防科技大學、西南交通大學等單位均對感應環線技術開展了持續研究和試驗,但暫未有工程化應用。相關研究重點主要在優化環線、線圈結構設計以及信號處理方面,目的都是提高定位精度和抗干擾能力。宋香磊[12]提出了多路接收信號疊加和信號解調采樣查表的兩種信號處理方法,可以提高測速定位精度。譚磊[13]對環線系統接收端信號進行了噪聲分析,提出了粒子濾波算法,用以抑制信號干擾。任愈等[14]基于簡單交叉環線定位系統原理建立了一種連續測速定位測試模型,使速度作為一個狀態變量在計算過程中連續輸出,提高了測速精度。

3.1.2 齒槽檢測技術

常導制式高速磁浮所用同步直線電機的長定子具有尺寸固定的齒槽結構,定子鐵心由硅鋼片壓制而成,車載檢測線圈在齒或槽上的等效電感不同,列車移動時通過測量電感變化可以確定線圈相對于齒槽的位置,再利用計數累積以及齒槽的固定尺寸,即可實現測速定位,如圖2所示。

圖2 齒槽檢測技術示意Fig.2 Teeth-slot detection

齒槽檢測技術是車載檢測,地面沒有設備,具有測量精度高、可靠性高、維護相對簡單、造價相對較低的特點。但因為實心長定子齒槽結構是常導制式特有結構,所以齒槽檢測技術只能適用于常導制式。齒槽檢測技術已應用于上海磁浮線,國內外對此技術研究較為廣泛,主要集中在如何降低定子、軌道梁接縫以及懸浮間隙波動對信號的影響方面,信號畸變會導致牽引設備過流或過壓保護甚至燒毀。針對接縫的影響,戴春輝[15]、李璐[16]、吳峻等[3]等思路都是設計一種自適應預測濾波器,通過預測方法將預測值與實際檢測值進行比較,判斷檢測信號是否產生畸變,并以此為依據切換不同路傳感器的信號,以消除因信號畸變帶來的不良影響;竇峰山等[17]采用一種新型全程快速跟蹤微分器對相角信號進行濾波,能夠有效解決傳感器過小接縫的信號畸變問題,同時對相角信號進行預測,能夠準確判斷出過大接縫時傳感器的故障,實現雙傳感器的切換,解決過大接縫的信號畸變問題。針對懸浮間隙波動的影響,吳峻等[3]提出了利用懸浮間隙歸一化處理相對位置檢測信號的方法,使輸出統一變換為8 mm懸浮間隙下的信號,能夠滿足磁極相角檢測精度要求。

3.1.3 車載多普勒雷達技術

在車上安裝多普勒雷達,可利用多普勒頻移效應測量列車相對于軌道的速度,計算相對定位。多普勒雷達技術成熟,造價相對較低,目前的主要問題是精度有限,特別是低速情況下誤差較大。此外,振動、降水、接縫等外部因素也會造成測量誤差[18]。

3.1.4 脈寬編碼感應技術

脈寬編碼技術的原理是在軌道內測沿軌向安裝金屬材質的無源位置標志板,標志板上按一定規則刻有窄縫,在車上安裝U形閱讀器,U形立面上一側裝有發射線圈,另一側裝有接收線圈,列車運動時標志板從U形車載閱讀器中間通過,可以通過電磁波的接收情況識別出窄縫,根據窄縫位置能夠確定其所代表的數字是0還是1,經過全部窄縫后就獲取了一個二進制編碼,代表本塊標志板所在的絕對位置,實現定位,如圖3所示。

圖3 脈寬編碼感應技術示意Fig.3 Pulse width coding

脈寬編碼感應技術是與齒槽檢測技術相組合的絕對定位技術,已應用于上海磁浮線。脈寬編碼感應技術的難點在于列車讀碼時間極短,車體運行中有振動和姿態變化,并且閱讀器周邊電磁環境復雜,這些因素都對正確、可靠讀碼提出了較高要求。薛松等[19]從工程化角度較為全面地介紹了采用脈寬編碼感應技術的定位傳感器,建立了傳感器的電磁學模型,并針對傳感器的抗電磁干擾、抗機械擾動以及實時性等問題,給出了傳感器完整的工程化設計方案。

3.1.5 射頻應答器技術

射頻應答器技術已在高速輪軌領域廣泛應用[20],其基本原理是在地面布設應答器,應答器中預先存儲位置、線路參數等信息,當列車經過時,車載閱讀器發射電磁波,受到激勵的地面應答器啟動并將信息傳給車載閱讀器,完成定位信息傳遞。射頻應答器技術本質上是一種信息交換技術,而不是速度位置測量,原理決定了其實現測速定位具有相對較大的響應延時,精度也有限,在高速磁浮的速度等級下能否適用還有待驗證。與脈寬編碼感應技術相比,其地面設備成本高,優點是如果地面采用有源應答器,即可以實現車地通信。

3.1.6 衛星導航技術

衛星導航技術是一種普適性技術,已在輪軌領域有較為廣泛的應用。衛星導航技術的主要優點是設備簡單、測量精度相對較高,能夠同時實現測速、定位和授時;不足之處是在隧道等衛星信號遮蔽區域不可用,并且衛星導航系統較為脆弱,易受到外部干擾而產生誤差增大的漂移現象,甚至完全不可用。因此,衛星導航技術通常與慣導等其他技術組合使用,以增強系統的魯棒性和可靠性[21]。對于可靠性要求很高的高速磁浮來講,其可作為輔助測速定位手段。

3.1.7 光纖測量技術

武漢理工大學童杏林團隊提出了一種基于陣列光柵的高速磁懸浮列車測速定位方法[22],基本原理是沿軌道布設一種線型傳感光纖光柵陣列,其由一定間隔的兩個波長不同低反射率光纖布拉格光柵構成,每個光柵處分別裝有微型永磁鐵,在列車前端底部安裝一個永磁鐵,列車運動時車地磁鐵相互作用,光柵處產生應變,其中心波長會發生一定漂移,通過信號采集系統對其應變信號進行實時采集,經過相關信號調理電路的處理,能夠實時在線測得列車的運行速度及位置。光纖測量技術也曾在輪軌領域進行過研究試驗,但暫未見應用。其優點是響應速度快,抗電磁干擾性能好;缺點是需要在地面長距離敷設光纖及設備,并且利用磁力作用產生形變的方式易受外界條件及磁性變化影響,相關研究還有待深入開展。

此外,像牽引系統自身利用反電動勢觀測的次級速度位置估算方法也可提供列車測速定位信息,但這種方法在低速時無法使用,只能作為輔助手段。

3.2 其他研究

除具體技術研究,王峰超等[23]針對高速磁浮列車定位測速系統可靠性提升問題,對其組成部件可靠性與系統可靠性之間的關系進行了研究;王新偉[24]針對高速磁浮列車定位測速系統的狀態檢測和故障診斷問題提出了解決方案;王菡[25]則針對測速定位信息在傳輸速率、實時性和可靠性方面的高要求,對高速磁浮列車測速定位系統的內部通信網絡進行了較為系統的分析。總體看來,目前研究絕大多數集中于技術,對系統層面和信息層面的研究較少。

4 發展與展望

4.1 技術層面

近年來,傳感器技術、光電技術、導航技術快速發展,可實現測速定位工程應用的技術選項更為廣泛,以下幾個方向值得關注。

4.1.1 雷達技術

雷達技術發展已久,先天就是為測速定位而生的,以往在軌道交通領域的應用主要是利用多普勒雷達進行列車測速,受技術水平和技術原理影響,具有較大局限性。隨著先進雷達技術民用化的發展,軌道交通領域應用也會有所改變和創新。對高速磁浮而言,一是車載多普勒雷達測速精度會不斷提升,能夠滿足高精度測速需要;二是利用不同原理的毫米波雷達、激光雷達也會有所應用,在測速的同時也能夠實現高精度測距定位;三是隨著雷達通信一體化技術[26]的發展,非常適合高速磁浮應用,目前高速磁浮車地通信采用的是毫米波通信,適合與毫米波雷達結合實現雷達通信一體化,既能實現站址、天線等復用,不增加軌旁設施,又能夠實現地對車連續高精度絕對測速定位,不用經過車地通信,減少列車時空信息傳遞時延,進一步提高實時性,如圖4所示。

圖4 雷達通信一體化示意Fig.4 Radar-communication integration

4.1.2 通感一體化技術

通感一體化技術是指在通信的同時能夠同步實現目標的識別感知。6G是通感一體化技術的代表[27],是移動通信、感知能力和算力的融合體,如果6G的技術愿景實現,那么對高速磁浮來講應用價值很大,不僅能夠在實現車地通信的同時也實現列車測速定位,而且還能夠實現車輛、軌道狀態等多維度的信息感知,極大提高信息處理和利用效率,更好地保障運營安全。雷達通信一體化技術也是通感一體化技術的一種。

4.1.3 基于慣導的組合測速定位技術

慣性導航自主性高、抗干擾能力強,其最大的問題在于誤差隨時間累積,需要外部信息校正,因此,多數應用都是基于慣導的組合導航。慣導應用于高速磁浮列車測速定位,可歸結為已知軌跡(軌道)約束下的一維位置推算問題,慣導在短時短距內可以做到連續高精度測速定位,因此,只要每隔合適距離就利用衛導、固定標志、軌道特征等方法進行高精度絕對位置校正,就可以實現整個運行過程的測速定位[28]。近年來,微機電系統(MEMS)快速發展,慣性傳感器性能不斷提升,體積、成本不斷減小,其應用形態已經發生巨大改變,基于慣導的組合測速定位技術有很大的研究和應用價值。

4.1.4 攝像測量技術

攝像測量學是攝影測量學、計算機視覺、光學測量、數字圖像處理分析等學科交叉融合形成的新興交叉學科,在對各種運動、變化過程參數進行測量方面,攝像測量方法具有精度高、自動化、非接觸、動態測量、實時測量、易于實施等特點[29]。胡冬波等[30]給出了一種工業用直線電機動子定位方法,即基于攝像測量技術。高速磁浮可視作大尺度直線電機,可以通過高速攝像機實時獲取軌道特征信息或定位標志信息,根據像素點變化提取計算不同時間的空間變化信息,實現測速定位。但攝像測量技術屬于光學測量范疇,易受到光線、遮擋等影響,也存在計算量偏大的問題,如果高動態高精度連續測量,對算力會有較高要求,因此,在如何與其他技術互補組合實現測速定位方面值得深入研究。

4.2 系統層面

我國高速磁浮正進入工程試驗階段,各個系統圍繞工程化及工程試驗的研究工作將成為新的熱點。對高速磁浮列車測速定位系統而言,以工程化為目標的系統研究、設計和優化還需深入進行。

(1)需要隨著技術發展對多種技術組合持續研究和試驗,綜合選定系統技術路線。例如,德國設計的“齒槽檢測+定位標志板”組合已在上海磁浮線穩定運行了20年,這種路線巧妙地利用了長定子軌道結構特征,系統相對較為精簡、工程成本相對較低,但不能因為這種路線成熟就排除其他技術路線,新技術的發展必然帶來工程上的創新。此外,常導制式的懸浮控制系統本身就帶有測速定位能力,懸浮控制和測速定位能否一體化結合也值得研究和驗證。同樣,對于超導制式,日本最初采用了感應環線技術,但該技術軌旁設備較多、成本較高是不可忽視的工程問題,近年來日本已開始優化工程方案,同時研究試驗新的技術路線,日本的轉變值得思考和研究[31]。

(2)目前對高速磁浮列車測速定位系統相關指標的系統性研究較少,更缺乏較為完整的系統評價方法,不利于工程化及后續工程試驗的開展。因此,需要從功能、性能、可靠性、安全性、可維護性等維度全面梳理測速定位系統指標項點及其定性定量要求,構建指標體系,研究評價方法,為系統設計和工程試驗形成指導依據。

(3)高速磁浮各子系統對測速定位、時空基準等信息具有較強的共享交互需求,目前相關系統間只是點對點接口通信,無法支持多系統間的時空信息共享,如何進行系統優化需要后續深入研究。圖5提出一種參考性的架構展望,基本思想是延伸測速定位系統范疇,基于時空敏感網絡構建時空數據總線,將單點數據接口統一為標準數據通信協議,兼顧信息交互的實時性和共享需求。

圖5 測速定位系統參考架構示意Fig.5 A Reference architecture of speed measurement and positioning system

5 結語

本文對高速磁浮列車測速定位問題進行了系統性綜述。高速磁浮列車測速定位問題本質上是車地時空關系表達問題,其功能目標是實現車地時空信息的實時獲取與交互,高速磁浮列車測速定位重點在于信息層面,而不是單純的測速定位技術研究應用或系統構建。高速磁浮列車測速定位具有三方面基本特征和五方面具體特點,技術選用和系統設計時需充分考慮。目前研究多集中于技術,對系統層面和信息層面的研究較少,應及時跟蹤關注技術進展,持續對多種技術組合進行研究和試驗。以工程化為目標的系統研究及優化還需深入進行,并應構建測速定位技術指標體系和評價方法。針對目前的系統架構下不能充分支持時空信息共享的問題,給出了一種總線架構參考。