孫吉良

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

為適應中低速磁浮交通列車與軌道無接觸運行的特點，其運行控制系統(tǒng)應采用基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）。中低速磁浮交通屬中運量軌道交通，其運行控制系統(tǒng)（MATC）應由列車自動運行（ATO）、列車自動防護（ATP）、列車自動監(jiān)控（ATS）和計算機聯(lián)鎖（CBI）4個子系統(tǒng)組成。其ATP子系統(tǒng)的車地雙向通信設備（TWC）的場強覆蓋可采用交叉環(huán)線、自由空間波、漏纜、裂縫波導管等方式。但因對稱交叉感應環(huán)線具有抗干擾性能強，適合在復雜電磁環(huán)境中應用且同時具有絕對定位和相對位置校正的明顯技術特點，所以MATC系統(tǒng)的車地雙向通信信息傳遞宜采用對稱交叉感應環(huán)線方式。

2 車地雙向通信設備工作頻段

中低速磁浮列車將輪軌制列車的支承、驅動和導向所依賴的鋼軌與車輪之間的支撐力和摩擦力，全部由電磁力取代，從而實現(xiàn)了無接觸、無摩擦、無磨損運行。為構建MATC系統(tǒng)，必須研究并測量磁浮列車各種工況下的電磁環(huán)境，合理選擇車地雙向通信設備的工作頻段。

中低速磁浮列車車外電場測量：車外30?kHz～30?MHz電場最大值約為1?V/m，與背景場相比無明顯差別。

中低速磁浮列車車外磁場測量：5?Hz～32?kHz交流磁場，距離軌道5?m以外不超過1.5?μT。30?kHz ～ 30?MHz 交流磁場，最大有效值在25?nT左右，與背景場相比無明顯差別。直流磁場，距離軌道距離大于1?m后直流磁場趨于地磁場水平；列車懸浮后距車1?m的站臺處的直流磁場不超過74?μT，與車距離大于3?m處的直流磁場約為40?μT，趨于地磁場水平。

中低速磁浮列車車外電磁場測試的各項測量數(shù)據(jù)均低于國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）電磁輻射公眾標準限值（1998）推薦的標準要求，其對運行控制系統(tǒng)工作頻段的選擇無特殊要求。

車地雙向通信選擇通信載波頻率時，應綜合考慮傳輸距離與通信碼率兩個方面。載波頻率太高會增加線路阻抗，不利于長距離傳輸；載波頻率太低會降低通信波特率，同時會引入低頻干擾。經(jīng)理論分析與實驗檢驗，ATP子系統(tǒng)車地雙向通信設備的工作頻段可選擇在20?～100?kHz之間，實際選擇在30～60?kHz之間，即車載發(fā)送地面接收的載波率選擇為54.55±0.4?kHz，地面發(fā)送車載接收的載波頻率選擇為 35.8±0.4?kHz。

3 對稱交叉感應環(huán)線抗電磁干擾性能分析

電磁干擾（EMI）是指外部噪聲和電磁波在接收設備中所造成的騷擾。電氣、電子設備工作時所產(chǎn)生的電磁波，容易對周圍的其他電氣、電子設備形成電磁干擾，影響信號的傳輸?，F(xiàn)代電氣、電子設備的大量應用，使電磁波無處不在，無時不有。電氣、電子設備對于其他電氣、電子設備而言都是潛在的干擾源。

電磁干擾按傳輸方式不同可以分為傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾為沿著導體傳輸?shù)碾姶鸥蓴_，輻射干擾為由部件、天線、電纜、連接線或自然界輻射產(chǎn)生的電磁干擾。電氣、電子設備之間發(fā)生干擾通常包含著許多途徑的耦合，正因為多種途徑的耦合同時存在，反復交叉，共同產(chǎn)生干擾，才使得電磁干擾變得難以控制。

對稱交叉感應環(huán)線中，傳導干擾和傳輸信號與輻射干擾相比很小，且可以通過屏蔽、隔離、濾波等技術措施減少其影響，故分析交叉感應環(huán)線時，只考慮輻射干擾的影響。

交叉感應環(huán)線通信系統(tǒng)受電磁干擾程度可以表示為以下關系式：

N=G×C/S

其中：

G：噪聲源強度；

C：噪聲通過某種途徑傳到受干擾處的耦合因素；

S：受干擾電路的敏感程度。

對交叉感應環(huán)線通信系統(tǒng)，G是難以改變的，S由電路決定，主要研究C。

輻射干擾主要是外界電磁環(huán)境包含磁浮列車上的電磁設備產(chǎn)生的雜散電磁波。由于交叉感應環(huán)線橫縱向均對稱分布，磁浮列車兩側的懸浮控制器和直線電機橫縱向均對稱分布，故可認為外界電磁波均勻照射在交叉感應環(huán)線上，外界輻射在感應環(huán)線中心線兩側產(chǎn)生的感應電勢方向相反。所以對稱交叉感應環(huán)線始終端接口處均可實現(xiàn)干擾總電勢近似為零。

4 對稱交叉感應環(huán)線車地雙向通信系統(tǒng)構成

對稱交叉感應環(huán)線車地雙向通信設備由地面和車載兩部分設備組成，如圖1所示。

其地面設備通過室外電纜連接室內和室外兩部分設備，室內的發(fā)送設備和接收設備通過雙路通信總線與區(qū)域控制中心通信，實時獲取控制中心的運行控制信息；室外對稱交叉感應環(huán)線與始端匹配單元和終端匹配單元連接，并形成諧振環(huán)境，同時實現(xiàn)地對車信號的發(fā)送和車對地信號的接收；對稱交叉感應環(huán)線每隔一定距離（如30?m）應交叉一次，其邊界可用于確定磁浮列車的絕對定位，其交叉點，可用于實現(xiàn)磁浮列車相對位置校正。其車載設備由發(fā)送、接收、交叉點提取設備及發(fā)送和接收天線組成。車載發(fā)送和接收設備通過通信總線與車載ATP主機和車載ATO主機實時通信；車載設備通過發(fā)送天線向對稱交叉感應環(huán)線發(fā)送信號，通過接收天線接收對稱交叉感應環(huán)線信號，實現(xiàn)車載設備和軌旁設備的實時雙向通信功能。

5 對稱交叉感應環(huán)線車地雙向通信關鍵設備

對稱交叉感應環(huán)線車地雙向通信關鍵設備主要包括地面和車載的發(fā)送、接收、對稱交叉感應環(huán)線和環(huán)線檢測濾波及天線等部分。對稱交叉感應環(huán)線作為車地雙向通信僅有的物理通道，應同時實現(xiàn)地對車信號和車對地信號的雙向傳遞。為避免同頻干擾，應制定特殊的調度機制控制車載發(fā)送天線向對稱交叉感應環(huán)線發(fā)送車對地信號的發(fā)送時機，避免車載設備的2套發(fā)送天線同時向對稱交叉感應環(huán)線發(fā)送信號。

5.1 地面和車載的發(fā)送設備

地面發(fā)送設備的結構如圖2所示，其接口包括與區(qū)域控制中心連接的通信總線接口和模擬FSK信號輸出接口。發(fā)送設備按照規(guī)定協(xié)議與區(qū)域控制中心設備進行通信，當發(fā)送設備完整接收區(qū)域控制中心的控制信息后，其CPU1對雙套CPU收到的信息進行一致性比較。如果比較結果一致，則允許FSK信號發(fā)送給功率放大器，功率放大器連接輸出隔離變壓器，即通過隔離變壓器對FSK信號隔離輸出。

車載發(fā)送設備的結構與地面發(fā)送設備的結構相同。

5.2 地面和車載接收設備

地面接收設備的結構如圖3所示，其接口包括模擬FSK信號輸入接口和通信總線輸出接口。接收設備依次經(jīng)變壓器隔離、濾波、解調和雙套CPU至通信總線輸出。雙套CPU同時解調FSK信息，并將解調出的有效FSK信息碼進行一致性比較，如果比較一致，則允許通過通信總線向區(qū)域控制中心設備發(fā)送。

車載接收設備的結構與地面接收設備的結構相同。

5.3 車載天線

車載天線包括列車發(fā)送地面接收時的發(fā)送天線和地面發(fā)送列車接收時的接收天線。對發(fā)送天線，為使發(fā)送天線發(fā)送的信號盡量大，其天線中的電流應盡量大，故發(fā)送天線應采用串聯(lián)諧振方式輸出；對接收天線，為使接收天線接收的信號盡量大，其天線輸出端的電壓應盡量大，故接收天線應采用并聯(lián)諧振方式輸入。

5.4 地面交叉感應環(huán)線檢測濾波設備

地面環(huán)線檢測濾波設備的結構如圖4所示，包括環(huán)線檢測、耦合變壓器和濾波3個模塊。

其主要功能是將FSK信號送達對稱交叉感應環(huán)線的同時，再將從對稱交叉感應環(huán)線接收到的車對地信息經(jīng)過濾波后送達地面接收設備，且送達的同時完成環(huán)線完整狀態(tài)檢測。

5.5 地面交叉感應環(huán)線匹配連接

交叉感應環(huán)線始端和終端的匹配連接結構如圖5所示。地面發(fā)送列車接收的信號從饋電電纜輸入，經(jīng)過始端匹配的L1后通過交叉感應環(huán)線，最終送達終端匹配的R3和R4，由于L1與C1到C6是在車載發(fā)送地面接收的載頻處諧振，因此對于地面發(fā)送車載接收的載頻則呈高阻；車載發(fā)送地面接收的信號被交叉感應環(huán)線感應后在始端和終端匹配的環(huán)路諧振，通過始端匹配的L1傳送到饋電電纜，最終送達室內設備。

6 對稱交叉感應環(huán)線車地雙向通信設備安裝設計

車地雙向對稱交叉感應環(huán)線通信設備的主要功能是實現(xiàn)車地雙向實時通信，并通過對稱交叉感應環(huán)線的特殊安裝和車載天線的特殊安裝，實現(xiàn)磁浮列車的絕對定位和相對位置校正。

6.1 地面對稱交叉感應環(huán)線安裝設計

地面對稱交叉感應環(huán)線沿F軌中心線對稱安裝，如圖6所示。圖中標號1為交叉點、標號2為F軌中心線、標號3為環(huán)線匹配盒、標號6為環(huán)線邊界。每一環(huán)線內的交叉點的間距應保持一致，且經(jīng)交叉點分隔出的交叉感應環(huán)線區(qū)段應為偶數(shù)，以盡量降低安裝誤差可能造成的外界干擾信號對TWC設備工作的影響。若區(qū)域控制中心設備與車載設備的輪詢信息傳輸周期以0.285?s計，則車載設備在一個交叉內連續(xù)收到2幀輪詢幀的時間為0.57?s，連續(xù)收到3幀輪詢幀的時間為0.855?s，當磁浮列車的區(qū)間最高運行速度設計為150?km/h時，其環(huán)線交叉點間可選擇的最短間距為24～36?m；在站臺區(qū)段，當磁浮列車站臺最高運行速度設計為40?km/h時，環(huán)線交叉點間可選擇的最短間距為6.5～ 9.5?m。

6.2 車載天線安裝設計

車載天線的安裝位置設計如圖7所示，圖中兩套發(fā)送天線和兩套接收天線采取了交叉安裝的特殊設計。R1、R2分別表示兩套接收天線，T1、T2分別表示兩套發(fā)送天線，箭頭所示方向為列車運行方向，當磁浮列車通過交叉點或環(huán)線邊界時，應保證R1或R2至少一套能夠完整接收呼叫應答幀信息。若呼叫應答每幀時間設計為70?ms，磁浮列車的區(qū)間最高運行速度設計為150?km/h，則R1與R2的間距應大于 2.92?m。

7 磁浮列車的絕對定位與相對位置校正

磁浮列車的絕對定位主要通過識別車載接收設備接收到的信息中環(huán)線標識（ID）編號實現(xiàn)；相對位置校正，主要通過交叉點提取設備識別過交叉點時兩路接收天線接收到信號的不同相位實現(xiàn)。

7.1 車載交叉點提取設備

對稱交叉感應環(huán)線交叉點提取設備結構如圖8所示，R1、R2兩路接收天線將接收到的交叉感應環(huán)線信號經(jīng)隔離、濾波后分別輸入交叉點提取設備。交叉點提取設備的主要功能是對來自R1、R2兩路接收天線信號的相位進行判決。當R1、R2兩路接收天線之間存在交叉點時，R1、R2兩路接收天線接收到信號的相位應互為反相，可處理為高電平；當R1、R2兩路接收天線之間無交叉點時，R1、R2兩路接收天線接收到信號的相位應為同相，可處理為低電平。即特殊安裝R1、R2兩套接收天線，當磁浮列車經(jīng)過交叉點時，交叉點提取設備應輸出一高電平信號，其高電平可表示列車通過交叉點。

7.2 絕對定位

對稱交叉感應環(huán)線地面設備向車載設備發(fā)送的輪詢信息幀中包含有該環(huán)線在全線中唯一的ID號，該ID號可用于區(qū)分線路上不同的環(huán)線區(qū)段。當接收天線R1、R2跨過環(huán)線邊界時，車載接收設備解調的信息碼中就具有不同的且符合預定邏輯的環(huán)線ID號，根據(jù)該不同的ID號可判斷磁浮列車通過環(huán)線邊界。通過交叉感應環(huán)線邊界信息可向ATP和ATO子系統(tǒng)及設備提供磁浮列車在線路中的絕對位置。

7.3 相對位置校正

交叉點提取設備輸出的實時交叉點信號如圖9所示，上升沿表示接收天線R1通過交叉點，下降沿表示接收天線R2通過交叉點，即每輸出一高電平表明列車經(jīng)過一個交叉點。t1為列車通過R1至R2間距離的時間，t2為列車通過一個環(huán)線交叉區(qū)段的時間。磁浮線路上每一對稱交叉感應環(huán)線的長度、交叉距離和交叉點數(shù)是預先設計且固定不變的，車載ATP和ATO設備可利用交叉點計數(shù)值，核算列車在線路中的實際位置，其精度是對稱交叉感應環(huán)線的一個交叉區(qū)段。車載設備可將交叉點計數(shù)值通過發(fā)送天線送達地面區(qū)域控制中心，區(qū)域控制中心即可根據(jù)交叉點數(shù)值確定磁浮列車在線路中相對環(huán)線邊界的實時位置。

相對位置校正的技術關鍵在于為磁浮列車消除距離測量累積誤差。磁浮列車的距離測量可通過安裝于車輛轉向架上的6路縱向等間距磁感應傳感器實現(xiàn)。磁浮列車運行中，磁感應傳感器順序通過軌枕，并產(chǎn)生脈沖信號輸出，相鄰的兩路脈沖信號對應著相鄰兩路磁感應傳感器的固定安裝間距，即通過磁感應傳感器輸出脈沖的計數(shù)值，可得磁浮列車相對位置校正后的精確位移，該精確位移量的獲取又稱磁浮列車距離測量，位移量的最大值應為交叉感應環(huán)線相鄰兩交叉點間的距離，相對位置校正使磁浮列車距離測量的累積誤差得以消除。6路縱向等間距磁感應傳感器提供磁浮列車距離測量的同時，還可提供磁浮列車的運行方向和運行速度測量。

8 車載發(fā)送天線的調度機制

對稱交叉感應環(huán)線作為磁浮列車車地雙向通信僅有的物理通道，同時承載著ATP系統(tǒng)地對車信號和車對地信號的傳遞，為保證磁浮列車通過環(huán)線交叉點或環(huán)線邊界時車對地通信信息的連續(xù)性，特設置兩路發(fā)送天線通道，分時向對稱交叉感應環(huán)線發(fā)送車對地信號。

磁浮列車通過環(huán)線交叉點時車載發(fā)送天線的分時調度機制如圖1和圖7所示。若初始狀態(tài)采用發(fā)送天線T2向環(huán)線發(fā)送車對地信息，當R1通過交叉點時，交叉點提取板輸出一高電平，此時因T1安裝于R1的前方，故可確認T1已通過交叉點，接收設備1可通知發(fā)送設備1通過發(fā)送天線T1向對稱交叉感應環(huán)線發(fā)送信號；當R2通過交叉點，交叉點提取板輸出一低電平，此時因T2安裝于R2的前方，故可確認T2已通過交叉點，接收設備2可通知發(fā)送設備2通過發(fā)送天線T2向對稱交叉感應環(huán)線發(fā)送信號。

磁浮列車通過環(huán)線邊界時車載發(fā)送天線的分時調度機制如圖1和圖7所示。當磁浮列車通過環(huán)線邊界時，因R1安裝于R2的前方，R1先通過邊界，接收設備1可檢測到交叉感應環(huán)線ID號發(fā)生了變化，接收設備1可通知發(fā)送設備1通過發(fā)送天線T1向對稱交叉感應環(huán)線發(fā)送信號；當R2通過環(huán)線邊界，接收設備2可檢測到交叉感應環(huán)線ID號發(fā)生了變化，接收設備2可通知發(fā)送設備2通過發(fā)送天線T2向對稱交叉感應環(huán)線發(fā)送信號。

9 唐山現(xiàn)場應用

對稱交叉感應環(huán)線車地雙向通信設備作為“十一五”國家科技支撐計劃重點課題“中低速磁浮交通技術及工程化應用研究”（課題編號：2006BAG02B05）的子課題“基于交叉感應環(huán)線的移動閉塞系統(tǒng)及列車運行控制技術研究”的配套設備，2009年應用于唐山1.5?km中低速磁浮交通運行試驗示范線，并于2010年3月在北京通過住房和城鄉(xiāng)建設部建筑節(jié)能與科技司的驗收專家組驗收，專家組驗收意見為：“運行控制系統(tǒng)采用基于交叉感應環(huán)線的移動閉塞系統(tǒng)，提出了交叉感應環(huán)線和磁感應軌枕相結合的測速定位技術，解決了磁浮列車與軌道非接觸的特殊定位測速問題，實現(xiàn)了車地雙向通信、列車自動防護、列車自動運行等功能”。

對稱交叉感應環(huán)線車地雙向通信設備具有抗干擾性能強、適合在各種復雜電磁環(huán)境中應用的明顯技術特點。唐山運行試驗示范線的運行試驗證明，對稱交叉感應環(huán)線車地雙向通信設備將依其高可靠性和高可用性應用于中低速磁浮交通運行控制系統(tǒng)工程。