劉國清 張昆侖 靖永志

（磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，610031，成都∥第一作者，助理研究員）

磁浮列車定位系統能夠為列車自動防護（ATP）子系統、自動運行（ATO）子系統、自動監(jiān)控（ATS）子系統提供準確的位置信息。其定位方法的精度和可靠性是確定列車安全防護距離的重要因素，對軌道交通系統的效率、閉塞控制的方式、列車運行控制系統的兼容性和生命周期費用等都具有重要的影響［1］。因此，深入研究列車定位方法，對于推動列車運行控制系統的研究和軌道交通系統的發(fā)展具有重要的意義。目前，應用于列車定位系統的技術有多種，如光電感應定位測速、微波定位測速、接近傳感器定位測速、交叉感應回線定位測速、GPS（全球定位系統）定位技術等［2－5］。在這些檢測方式中，有的地面設備需要帶電工作，易受到外界環(huán)境的影響，且增加了維護成本；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；有的結構復雜，可靠性差；有的設備昂貴，成本高。

本文通過研究磁浮列車供電系統中受流軌的特性，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種拓撲結構，并利用現有10m磁浮模型車系統對基于該方法實現的定位裝置進行了試驗驗證。試驗表明：該定位方法簡單易行，可以避免在線路沿線鋪設大量的測量裝置；其測量系統完全具備室內放置的條件，成本低廉、可靠性高、易于維護，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［7］。磁浮列車通常采用側向受流方式和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的兩側，磁浮車受流靴在彈簧力作用下，通過與受流軌機械滑動接觸，實現列車供電（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復合加工而成。其特點是截面單一，材質分布均勻。常規(guī)的磁浮列車由線路兩端的兩個變電站供電［9］?，F將磁浮列車當作負載RT，忽略各段受流軌間的接觸電阻。設線路總長為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，便可實現對列車的定位。圖2所示的列車定位方法的數學模型可表示為：

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

由于磁浮列車在懸浮過程中其懸浮電流是不斷變化的，對應的負載RT也不是一個常量。所以，需在列車上布置一電壓測量裝置實時檢測列車兩側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。該電壓值與列車負載的關系為：

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

在獲得列車的位置信息后，只需將該位置數據實時地送入數據處理器件，如單片機、DSP（數字信號處理器）、FPGA（現場可編程邏輯門陣列）、PC機、工控機等。利用速度－位移公式即可得出列車的運行速度。

式中：

v——列車運行速度；

ΔT——采樣的時間間隔；

ΔL——采樣時間間隔內的位置變化量。

基于受流軌特性的列車定位系統的結構框圖如圖3所示。

圖3 列車定位系統結構框圖

3 不同拓撲結構的測速定位方法

3.1 雙端測量法

由式（1）和（2）相減可以消去列車負載，得到：

由式（8）和式（3）可以確定列車位置。其定位方法的拓撲結構如圖4所示。

圖4 雙端測量法拓撲圖

采用這種方法可以將電壓、電流測量裝置放置于室內，沿線路鋪設一條專門的通信線纜，或利用無線傳輸的方式將測量數據送入數據處理裝置。

3.2 單端測量法

利用式（1）和（3）可以實現列車定位。其定位方法的拓撲結構如圖5所示。

圖5 單端測量法拓撲圖

采用這種方法可以將一組電壓、電流測量裝置放置于室內，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據處理裝置。

利用式（2）和（3）也可以實現列車定位，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的不同。

4 在10m長磁浮線上模型車的試驗驗證

4.1 列車定位裝置的實現

利用現有10m長磁浮線上模型車系統，對基于該原理的列車定位裝置進行試驗驗證。該模型車受流軌的參數如表1所示。

表1 模型車受流軌參數

由于工作電流不大（DC 48V，20A），該磁浮模型車沒有設專門的變電站供電，而是采用1 000W的開關電源。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

開關電源的正負極分別接在兩側受流軌的兩端，利用先前建立數學模型的方法可以得出：

從式（9）可得出：對于磁浮模型車系統來說，只需要測量其兩側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）采樣芯片（MAX1312）采集電壓值，并利用 DSP（TMS320F2812）進行數據處理，制備出一套定位裝置。

4.2 試驗方法和結果

在模型車軌道上每隔0.5m設立一位置標志，將磁浮模型車浮起后，手動推動模型車前進，將其準確?？吭诿總€標志位，并利用定位裝置對處于每個位置標志的模型車進行位置測量，最后將定位裝置得到的位置信息和位置標志進行比對。試驗結果如表2所示。

表2 定位試驗結果

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

5 結語

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，利用該方法實現的測量裝置可放置在室內，并具有成本低廉、易于維護的特點。利用該方法可以得到幾種不同拓撲結構的定位模型。這幾種模型各有自己的優(yōu)缺點，可根據實際的需要選擇定位模型。

利用該方法實現的定位裝置，其模型試驗的測量精度小于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上的試驗表明，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，而在實際的軌道交通線路中，由于受流軌間存在接縫，會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。目前的難點在于如何實現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用價值，可作為現有磁浮列車定位技術的一種補充。

［1］張湘，連級三，張昆侖.磁浮列車機械制動系統的自適應控制研究［J］.鐵道學報，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［J］.西南交通大學學報：自然科學版，2004，39（4）：455.

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

［4］楊建勇，連級三.基于軌間電纜的磁懸浮列車定位測速［J］.機車電傳動，2001（1）：30.

［5］戴春輝，薛松，龍志強.基于長定子齒槽的磁浮列車測速定位傳感器信號處理［J］.傳感技術學報，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.磁浮列車受流器設計依據分析［J］.西南交通大學學報：自然科學版，2000，35（2）：171.

［8］吳祥明.磁浮列車［M］.上海：上海科學技術出版社，2003：192.