夏 冷

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

中低速磁浮列車占用檢測系統(tǒng)方案深化研究

夏 冷

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

介紹中低速磁浮列車占用檢測系統(tǒng)，針對應(yīng)答器方式、RFID方式和計(jì)軸方式進(jìn)行研究和試驗(yàn)，提出應(yīng)用建議。

中低速磁浮列車；MATC；列車占用檢測；應(yīng)答器；RFID；計(jì)軸

1 概述

磁懸浮列車是一種采用無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的列車，國內(nèi)北控磁浮公司和國防科技大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)單位對中低速磁浮交通技術(shù)工程化進(jìn)行研發(fā)，2009年在唐山建成1.5 km的中低速磁浮試驗(yàn)示范線。

中低速磁浮交通信號系統(tǒng)采用基于交叉感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞MATC系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有兩種控制級別：連續(xù)通信級控制和聯(lián)鎖級控制。連續(xù)式通信級是移動(dòng)閉塞系統(tǒng)通過車地雙向通信，使地面信號設(shè)備可以得到每一列車連續(xù)的位置信息和列車其他運(yùn)行信息，據(jù)此計(jì)算出每一列車的移動(dòng)授權(quán)，并動(dòng)態(tài)更新，發(fā)送給列車。這樣后行列車追蹤目標(biāo)點(diǎn)就可以是前行列車的尾部，從而可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，使系統(tǒng)能夠獲得更小的列車運(yùn)行間隔。聯(lián)鎖控制級為連續(xù)式通信列車控制設(shè)備故障或者車載ATP故障的降級運(yùn)行模式，由地面信號系統(tǒng)為列車運(yùn)行提供全面的聯(lián)鎖防護(hù)，司機(jī)根據(jù)地面信號的顯示行車。在聯(lián)鎖控制級，列車占用檢測系統(tǒng)為聯(lián)鎖子系統(tǒng)提供軌道列車占用空閑信息，是保障行車的安全設(shè)備。

2 方案研究及試驗(yàn)

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(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(tǒng)，如軌道電路、輪對安裝計(jì)軸方式都無法在中低速磁浮列車上應(yīng)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(tǒng)進(jìn)行研究，要求列車占用檢測系統(tǒng)要滿足故障安全的原則，分別對應(yīng)答器方式、RFID方式以及計(jì)軸方式進(jìn)行研究，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

2.1 應(yīng)答器方式

唐山試驗(yàn)線初期采用基于應(yīng)答器的列車占用檢測系統(tǒng)。車載設(shè)備配置雙向BTM和天線，地面配置應(yīng)答器、軌旁LEU設(shè)備和室內(nèi)主機(jī)設(shè)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(yīng)答器列車占用檢測系統(tǒng)的原理：列車BTM通過天線發(fā)送固定的能量信號和報(bào)文數(shù)據(jù)，報(bào)文數(shù)據(jù)內(nèi)容為自定義，包含編號和車頭/尾等信息。地面應(yīng)答器檢測到BTM發(fā)送的能量和數(shù)據(jù)后，發(fā)送自身數(shù)據(jù)上車。軌旁LEU檢測到BTM發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過軌旁LEU向站內(nèi)主機(jī)發(fā)送相關(guān)信息，區(qū)控中心設(shè)備讀取該信息后通過邏輯運(yùn)算判定相關(guān)區(qū)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(yàn)線初期進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)過充分分析和討論，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在下列主要問題：車載BTM故障或掉電后，車載設(shè)備不會(huì)向下輻射能量信號，導(dǎo)致地面應(yīng)答器無法檢測到列車通過信息；地面應(yīng)答器故障時(shí)，即使BTM發(fā)送能量信號，軌旁LEU設(shè)備也無法檢測到列車通過信息。因此，作為占用檢測設(shè)備，該種方式存在故障條件下難以導(dǎo)向安全的問題。

圖1 雙向應(yīng)答器列車占用檢測原理圖

2.2 RFID方式

電子標(biāo)簽RFID方案原理是基于列車通過檢測點(diǎn)時(shí)阻斷標(biāo)簽讀取機(jī)讀取無源標(biāo)簽信息的方式，類似于紅外線阻斷原理。因電子標(biāo)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(shè)備之間的通信，因此不會(huì)對系統(tǒng)造成干擾，故可用性較高。

標(biāo)簽讀取機(jī)采用基于900 MHz頻點(diǎn)的調(diào)頻方式與標(biāo)簽通信。每個(gè)標(biāo)簽讀取機(jī)能夠帶4個(gè)輻射天線，每個(gè)輻射天線離讀取機(jī)的最大距離為30 m。每個(gè)天線的輻射有效角度為45°，標(biāo)簽的讀取距離大于10 m。標(biāo)簽讀取機(jī)能夠提供交流供電和以太網(wǎng)接口。RFID在7×24 h的工作條件下沒有問題。標(biāo)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(biāo)簽讀取機(jī)在故障時(shí)，會(huì)停止向外輸出心跳信號，符合故障-安全原則。

在唐山現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，在軌道一側(cè)安裝1個(gè)讀取天線，在磁浮列車上安裝6個(gè)RFID：RFID1～RFID6，在軌道的另一側(cè)安裝1個(gè)RFID：RFID7。在不同的運(yùn)行方向和不同運(yùn)行速度情況下，對RFID方式列車占用檢測方案進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 RFID設(shè)備列車占用檢測原理圖

當(dāng)沒有列車通過時(shí)，閱讀器可以讀到對面的標(biāo)簽7，當(dāng)列車通過時(shí)，閱讀器可以讀到磁浮列車上安裝的標(biāo)簽1到標(biāo)簽6。當(dāng)列車通過后，閱讀器又可以讀到標(biāo)簽7。

通過以上分析，在列車下行時(shí)：通過閱讀器讀取到標(biāo)簽1、標(biāo)簽7從讀取到讀不到，可以判斷列車進(jìn)入下一區(qū)間；通過閱讀器讀取到標(biāo)簽6以及讀取到標(biāo)簽7，可以判斷列車完全進(jìn)入下一區(qū)間，上一區(qū)間可以判斷出清。列車上行時(shí)：通過閱讀器讀取到標(biāo)簽6、標(biāo)簽7從讀取到讀不到，可以判斷列車進(jìn)入下一區(qū)間；通過閱讀器讀取到標(biāo)簽1以及讀取到標(biāo)簽7，可以判斷列車完全進(jìn)入下一區(qū)間，上一區(qū)間可以判斷出清。同時(shí)根據(jù)標(biāo)簽1～6的讀取順序，可以判斷列車的運(yùn)行方向。

通過以上試驗(yàn)和分析，說明利用電子標(biāo)簽進(jìn)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(wǎng)接口如何和現(xiàn)有聯(lián)鎖系統(tǒng)銜接、電子標(biāo)簽進(jìn)行列車占用檢查還沒有工程化應(yīng)用的案例；采用該方案需要基于目前產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)，涉及的安全功能，也需要考慮系統(tǒng)的安全認(rèn)證問題。另外，所有該產(chǎn)品的核心設(shè)備均為進(jìn)口產(chǎn)品，存在維護(hù)、維修及備件問題。

2.3 計(jì)軸方式

在輪軌制式的軌道交通項(xiàng)目中有大量使用計(jì)軸設(shè)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(jìn)行計(jì)軸的條件，但可以借助計(jì)軸的原理，考慮在磁浮車體加裝感應(yīng)板，利用計(jì)軸設(shè)備檢測列車占用和實(shí)現(xiàn)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(gè)F軌道（感應(yīng)板）的內(nèi)側(cè)，不會(huì)侵入車輛的限界范圍，安裝時(shí)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(gòu)件，可以基于方形構(gòu)件。

根據(jù)市場調(diào)研和現(xiàn)場測量，選用成都鐵路通信工廠提供的具有現(xiàn)場大規(guī)模使用業(yè)績且穩(wěn)定生產(chǎn)的R型傳感器（對應(yīng)型號RSR180）。

R型傳感器技術(shù)特點(diǎn)：磁場強(qiáng)度相對較弱，且發(fā)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(qiáng)度減少很快，傳感器接收的磁場強(qiáng)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(nèi)對較小的鐵磁性感應(yīng)體非常敏感，因此其檢測能力較強(qiáng)而抗異物干擾的能力很弱，在其作用范圍內(nèi)有效動(dòng)作面積僅2 500 mm2，在輪軌運(yùn)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(jīng)過對傳感器的安裝位置和感應(yīng)板位置的初步確認(rèn)和分析，結(jié)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(yīng)板面積200 mm×400 mm（寬×長），整體沿導(dǎo)軌梁呈縱向安裝，如圖3所示。

圖3 R型傳感器、感應(yīng)板安裝示意圖

2.3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2010年9月和11月，在唐山中低速磁浮試驗(yàn)線進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用的設(shè)備為成都廠提供的ACS2000型計(jì)軸設(shè)備?，F(xiàn)場安裝共分為以下幾個(gè)部分。

1）軌旁磁頭，如圖4所示。

圖4 軌旁計(jì)軸磁頭安裝圖

2）軌旁計(jì)軸設(shè)備，如圖5所示。

圖5 軌旁計(jì)軸設(shè)備面板圖

3）列車感應(yīng)板，如圖6、7所示。

圖6 磁懸淳列車感應(yīng)板安裝圖

圖7 傳感器、感應(yīng)板安裝位置示意圖

說明：

a：感應(yīng)板下表面與F軌上表面的垂直距離（落車時(shí)）；

b：傳感器上表面與F軌上表面的垂直距離；

c：感應(yīng)板側(cè)面與F軌內(nèi)側(cè)面的水平距離；

d：傳感器側(cè)面與F軌內(nèi)側(cè)面的水平距離；

f：感應(yīng)板下表面與傳感器上表面的垂直距離（落車時(shí)）。

本次試驗(yàn)采用1輛列車，列車首尾部各安裝1個(gè)感應(yīng)板，地面安裝2套計(jì)軸傳感器和室內(nèi)設(shè)備。現(xiàn)場試驗(yàn)金屬板距離磁頭約35～40 mm。現(xiàn)場測試過程中進(jìn)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(gè)安裝參數(shù)的試驗(yàn)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

1）ACS2000型計(jì)軸設(shè)備基本能夠適應(yīng)磁懸浮的現(xiàn)場運(yùn)行條件。

2）從現(xiàn)場安裝方案看，在磁懸浮列車上的安裝基本能夠滿足設(shè)備的正常指標(biāo)范圍。

3）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看計(jì)軸設(shè)備能夠正常反映列車的占用和出清狀態(tài)。

4）對列車低速、中速、高速進(jìn)行測試，測試結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

通過對靜態(tài)指標(biāo)的測試、動(dòng)態(tài)的波形和工作界面的觀察，計(jì)軸系統(tǒng)工作正常，外部傳感器無明顯的干擾。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，證明計(jì)軸設(shè)備在不同安裝情況下對70 km/h及以下車速都能準(zhǔn)確的偵測到感應(yīng)板，對車體懸掛物、磁浮環(huán)境（EMC）都有很好的適應(yīng)性。試驗(yàn)證明在70 km/h以下，計(jì)軸設(shè)備完全適應(yīng)磁浮系統(tǒng)需求，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、以往使用經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算分析得出技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)軸試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

3 方案比選

表2對應(yīng)答器方式、RFID方式、ACS2000型計(jì)軸方式進(jìn)行了對比分析。

表2 方案對比分析表

4 結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果對比及工程應(yīng)用角度分析，推薦采用成都廠ACS2000型計(jì)軸設(shè)備作為中低速磁懸浮項(xiàng)目列車占用檢測系統(tǒng)。

磁浮環(huán)境下計(jì)軸設(shè)備的應(yīng)用建議如下：

1）計(jì)軸磁頭應(yīng)安裝在固定軌道梁上，不應(yīng)安裝在移動(dòng)軌道梁上。

2）計(jì)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(xiàn)場檢修通道。

3）車底感應(yīng)板的安裝應(yīng)不低于列車前端排障器。

4）當(dāng)列車沒有掉頭作業(yè)可能性時(shí)，則列車每輛車體上至少需要安裝2個(gè)感應(yīng)板。感應(yīng)板的位置與軌旁磁頭的位置相對應(yīng)。

5）當(dāng)列車有掉頭作業(yè)可能性時(shí)，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(gè)感應(yīng)板；否則，應(yīng)至少對稱安裝4個(gè)感應(yīng)板。

6）對于交叉渡線區(qū)段需要聯(lián)鎖提供相應(yīng)的道岔表示狀態(tài)，用于計(jì)軸設(shè)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(diǎn)）需要安裝計(jì)軸磁頭時(shí)，應(yīng)詳細(xì)核算相關(guān)的間距。

從2011年3月起，在唐山中低速磁浮試驗(yàn)線地面安裝了4個(gè)計(jì)軸區(qū)段設(shè)備，在1列車（2個(gè)編組）安裝了4塊計(jì)軸感應(yīng)板，地面計(jì)軸通過軌道繼電器和聯(lián)鎖系統(tǒng)接口。

從現(xiàn)場安裝使用至今，計(jì)軸系統(tǒng)工作正常，作為中低速磁浮列車占用檢測系統(tǒng)運(yùn)用良好，沒有出現(xiàn)軸數(shù)多計(jì)或者少計(jì)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）