沈成祿

(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)

1 磁性停車系統(tǒng)概述

磁性停車系統(tǒng)于20 世紀(jì)80 年代研發(fā)推出，在國(guó)外很多城市的地鐵有廣泛應(yīng)用，如在墨西哥、巴西、西班牙等國(guó)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)在墨西哥蒙特雷地鐵3 號(hào)線的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及市場(chǎng)調(diào)研，既有磁性停車系統(tǒng)有一定改進(jìn)之處，并且在拉美以及其他一些國(guó)家具有很大的市場(chǎng)前景。

系統(tǒng)主要包括車載系統(tǒng)及地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)包括點(diǎn)式地面磁鐵以及相關(guān)接口，地面磁鐵布置在軌道中央信號(hào)機(jī)前方，并與地面聯(lián)鎖系統(tǒng)通過(guò)電纜接口。當(dāng)信號(hào)機(jī)顯示禁止信號(hào)時(shí)，地面磁鐵發(fā)送磁通量，此時(shí)當(dāng)列車闖紅燈經(jīng)過(guò)地面磁鐵時(shí)，安裝于車底的車輛磁鐵感應(yīng)到來(lái)自地面磁鐵的磁通量后，車載系統(tǒng)輸出緊急制動(dòng)；當(dāng)信號(hào)機(jī)顯示綠燈信號(hào)時(shí)，地面磁鐵不向外發(fā)送磁通量，此時(shí)列車安全通過(guò)，不會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。

車載系統(tǒng)由主機(jī)單元、司機(jī)操作單元、車輛磁鐵以及故障旁路開(kāi)關(guān)等構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of onboard system

各主要部件的功能如下。

1) 主機(jī)單元：主要實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、與車輛的接口以及系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)的記錄。

2) 司機(jī)操作單元：向司機(jī)顯示設(shè)備工作狀態(tài)，提供司機(jī)操作按鈕，并和主機(jī)單元通信，向主機(jī)單元發(fā)送狀態(tài)信息。

3) 車輛磁鐵：安裝于車底，感應(yīng)接收地面磁鐵信號(hào)。

4) 故障旁路開(kāi)關(guān)：當(dāng)磁性停車系統(tǒng)發(fā)生故障需要退出運(yùn)行時(shí)，可操作故障旁路開(kāi)關(guān)將磁性停車系統(tǒng)切除。

系統(tǒng)的工作模式如下。

1）監(jiān)視模式

當(dāng)信號(hào)機(jī)顯示允許信號(hào)時(shí)，列車越過(guò)地面磁鐵，不觸發(fā)緊急制動(dòng)；

當(dāng)信號(hào)機(jī)顯示禁止信號(hào)時(shí)，司機(jī)應(yīng)將列車安全?？吭诘孛娲盆F之前；如果司機(jī)不按信號(hào)顯示駕駛列車，導(dǎo)致列車的車輛磁鐵越過(guò)地面磁鐵，系統(tǒng)將觸發(fā)緊急制動(dòng)。

2）故障切除運(yùn)行模式

如果車輛輸入的關(guān)鍵信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤或者其他原因，導(dǎo)致磁性停車系統(tǒng)持續(xù)、無(wú)條件的緊急制動(dòng)，可操作故障旁路開(kāi)關(guān)，將磁性停車保護(hù)功能屏蔽。

3）旁路運(yùn)行模式

當(dāng)信號(hào)機(jī)故障或者車輛非正常情況下，需要在禁止信號(hào)下通行時(shí)，司機(jī)可按下“請(qǐng)求通過(guò)”按鈕，暫時(shí)屏蔽磁性停車系統(tǒng)的功能，強(qiáng)制通過(guò)禁止信號(hào)。

2 新型磁性停車系統(tǒng)

2.1 既有磁性停車系統(tǒng)分析

既有磁性停車系統(tǒng)對(duì)地面磁場(chǎng)檢測(cè)采用類似“繼電器”的原理，將磁通量轉(zhuǎn)換為機(jī)械觸點(diǎn)的動(dòng)作；車載磁頭中包含繼電器的銜鐵和觸點(diǎn)，當(dāng)經(jīng)過(guò)地面磁鐵的磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)銜鐵動(dòng)作，進(jìn)而帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作；觸點(diǎn)容易發(fā)生粘連等故障，觸點(diǎn)的閉合和斷開(kāi)特性需要人工檢測(cè)來(lái)保障，這是限制系統(tǒng)可靠性和安全性的重要瓶頸。

系統(tǒng)核心板卡均為單系，任意核心板卡故障將會(huì)影響列車的正常運(yùn)行。

此外，既有磁性停車系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)闖紅燈防護(hù)的功能，功能相對(duì)單一。

2.2 新型磁性停車系統(tǒng)

為提高磁性停車系統(tǒng)的安全性、可靠性，使系統(tǒng)的防護(hù)功能更加完善，文章提出一種新型磁性停車系統(tǒng)方案。新型磁性停車系統(tǒng)在系統(tǒng)硬件以及軟件方面做了相應(yīng)的改進(jìn)。

系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 新型磁性停車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of new magnetic stop system

2.2.1 車輛磁鐵設(shè)計(jì)

車輛磁鐵采用霍爾器件進(jìn)行地面磁場(chǎng)感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)故障-安全架構(gòu)，確保磁性感應(yīng)檢測(cè)功能達(dá)到SIL4 安全等級(jí)?；魻柶骷墓ぷ髟硎腔魻栃?yīng)，元件在磁場(chǎng)作用下可產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該效應(yīng)可直接用來(lái)進(jìn)行磁場(chǎng)檢測(cè)?；魻柶骷驯粡V泛應(yīng)用到電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器、霍爾開(kāi)關(guān)等，這些應(yīng)用本質(zhì)都是通過(guò)將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)實(shí)現(xiàn)的[1-2]。

車輛磁鐵內(nèi)部設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 內(nèi)部設(shè)計(jì)Fig.3 Interior design

由于采用霍爾器件對(duì)地面磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，主機(jī)單元識(shí)別霍爾器件產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并作出反應(yīng)，天線不含繼電器等器件，不再將地面磁通量轉(zhuǎn)換為機(jī)械觸點(diǎn)的動(dòng)作，因此從根本上杜絕了觸點(diǎn)容易發(fā)生粘連等故障。

使用兩路霍爾元件進(jìn)行磁場(chǎng)檢測(cè)，即有地面磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件將輸出反應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的電信號(hào)，當(dāng)電信號(hào)幅度超過(guò)設(shè)置門(mén)限時(shí)，認(rèn)為地面存在電磁鐵；使用硅鋼片形成低磁阻通道。

在每個(gè)磁傳感器中采用兩路獨(dú)立的霍爾電路檢測(cè)地面磁鐵的磁性，兩路霍爾電路取二比較，只要有一路檢測(cè)到符合特征的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則認(rèn)為地面有永磁體，即觸發(fā)輸出緊急制動(dòng)。

采用動(dòng)態(tài)自檢技術(shù)，在磁傳感器內(nèi)部生成一個(gè)受控磁場(chǎng)，利用產(chǎn)生的確知磁場(chǎng)對(duì)霍爾器件的功能特性進(jìn)行檢查，以實(shí)時(shí)檢測(cè)霍爾電路工作狀態(tài)和檢測(cè)精度，確保傳感器能正確檢測(cè)到地面磁場(chǎng)；當(dāng)檢測(cè)到某一路霍爾器件故障時(shí)，可使用另一路正常的霍爾器件輸出進(jìn)行工作，構(gòu)成組合式故障-安全架構(gòu)。

采用數(shù)字信號(hào)處理算法計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)霍爾器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，濾除來(lái)自鋼軌上波形不符的干擾磁場(chǎng)，精確計(jì)算檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度，準(zhǔn)確判斷出地面磁鐵信息，提高抗干擾能力[3-4]。

通過(guò)磁場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)，對(duì)磁場(chǎng)特性、車載接收檢測(cè)進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖4 所示。

綜上所述，相比于既有系統(tǒng)車輛磁體，采用霍爾器件的車輛磁鐵實(shí)現(xiàn)故障-安全架構(gòu)，提高了車輛磁體的檢測(cè)精度、安全性、可靠性以及抗干擾能力；系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛磁體自檢，提高了系統(tǒng)的維護(hù)性。

圖4 磁性停車系統(tǒng)磁場(chǎng)檢測(cè)仿真分析Fig.4 Analysis of magnetic field detection simulation of magnetic stop system

2.2.2 主機(jī)單元設(shè)計(jì)

主機(jī)單元為系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)列車信息采集、地面磁性信息的接收和處理，司機(jī)顯示信息輸出和操作信息采集處理以及列車制動(dòng)命令輸出、開(kāi)門(mén)控制命令輸出。

主機(jī)單元的初步設(shè)計(jì)方案為3U 機(jī)籠結(jié)構(gòu)，主要包括：電源板、記錄板、通信板、處理板、磁頭接口板和列車接口板，如圖5 所示。

圖5 主機(jī)單元Fig.5 Host unit

采用二取二架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，核心板卡冗余設(shè)計(jì)，符合SIL4 級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)[5-6]；采用動(dòng)態(tài)安全采集和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原則，正確獲取列車狀態(tài)信息，安全輸出制動(dòng)命令；司機(jī)操作單元采用故障-安全原則設(shè)計(jì)，采用動(dòng)態(tài)安全采集方式獲取制動(dòng)復(fù)位按鈕、請(qǐng)求通過(guò)按鈕的狀態(tài)，確保正確安全獲取司機(jī)操作命令；主機(jī)單元與司機(jī)操作單元之間采用安全通信協(xié)議傳遞制動(dòng)復(fù)位按鈕、請(qǐng)求通過(guò)按鈕的按壓狀態(tài)，確保列車安全制動(dòng)緩解和安全通過(guò)故障信號(hào)機(jī)；主機(jī)單元通信接口采用安全通信協(xié)議，確保信息通信的安全性。

綜上所述，相比于既有系統(tǒng)主機(jī)單元，采用安全冗余設(shè)計(jì)后，大大提高了系統(tǒng)的可靠性及安全性，降低現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量，確保系統(tǒng)達(dá)到SIL4 安全等級(jí)。

2.2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在磁性停車系統(tǒng)的既有功能基礎(chǔ)上，擴(kuò)展增加列車定位功能、開(kāi)門(mén)防護(hù)功能和列車超速監(jiān)控功能。

1）列車定位功能

車載系統(tǒng)存儲(chǔ)線路電子地圖，通過(guò)速度信息和線路數(shù)據(jù)計(jì)算出列車位置信息，并通過(guò)車站信號(hào)機(jī)處的地面磁鐵對(duì)列車位置進(jìn)行校準(zhǔn)，準(zhǔn)確獲取列車在線路上位置信息。速度信息可以通過(guò)增加速傳的方式獲得或者車輛通過(guò)MVB 總線發(fā)給車載系統(tǒng)[7-8]。

2）站臺(tái)車門(mén)防護(hù)功能

車載系統(tǒng)中存儲(chǔ)車站站臺(tái)開(kāi)門(mén)側(cè)信息和車站中心點(diǎn)公里標(biāo)信息。列車到站停穩(wěn)后，系統(tǒng)判斷列車是否具備開(kāi)門(mén)條件，并給出開(kāi)門(mén)允許命令：

是否停在車站允許的范圍內(nèi)，車速為0 km/h；

判斷司機(jī)選擇的開(kāi)門(mén)側(cè)是否和系統(tǒng)允許門(mén)側(cè)信息一致。

上述兩個(gè)條件同時(shí)滿足后，則系統(tǒng)發(fā)出允許開(kāi)門(mén)命令。

如上述條件不滿足，則：

車速不為0 km/h 時(shí)，系統(tǒng)輸出禁止開(kāi)門(mén)命令；

車速為0 km/h，停車位置誤差大于設(shè)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)輸出禁止開(kāi)門(mén)命令。如果檢測(cè)到司機(jī)按壓開(kāi)門(mén)命令，則繼續(xù)輸出禁止開(kāi)門(mén)命令，同時(shí)發(fā)出燈光和語(yǔ)音報(bào)警，提醒司機(jī)定位誤差；

車速為0 km/h，停車位置誤差小于設(shè)定數(shù)值時(shí)，如果檢測(cè)到司機(jī)按壓的開(kāi)門(mén)側(cè)命令和系統(tǒng)允許開(kāi)門(mén)側(cè)不一致，則繼續(xù)輸出禁止開(kāi)門(mén)命令，同時(shí)發(fā)出燈光和語(yǔ)音報(bào)警，提醒司機(jī)開(kāi)門(mén)側(cè)錯(cuò)誤；

系統(tǒng)給出報(bào)警后，如果司機(jī)確認(rèn)，還要繼續(xù)開(kāi)門(mén)，則司機(jī)應(yīng)按壓系統(tǒng)操作面板上的開(kāi)門(mén)旁路按鈕，同時(shí)按壓開(kāi)門(mén)側(cè)按鈕后，系統(tǒng)給出開(kāi)門(mén)允許。司機(jī)釋放開(kāi)門(mén)旁路按鈕后，開(kāi)門(mén)允許命令自動(dòng)變?yōu)榻姑睢?/p>

3）速度監(jiān)控功能

車載系統(tǒng)監(jiān)控列車的運(yùn)行速度，當(dāng)列車運(yùn)行速度超過(guò)允許運(yùn)行速度時(shí)，輸出制動(dòng)命令，確保列車運(yùn)行安全。

車載系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)的線路限速信息以及制動(dòng)參數(shù)監(jiān)控列車運(yùn)行速度：列車速度處于報(bào)警速度范圍內(nèi)時(shí)，輸出燈光和語(yǔ)音報(bào)警。列車速度低于報(bào)警速度后，燈光和語(yǔ)音報(bào)警信息自動(dòng)關(guān)閉；列車速度進(jìn)入常用制動(dòng)速度范圍內(nèi)時(shí)，輸出常用制動(dòng)命令，同時(shí)輸出燈光和語(yǔ)音報(bào)警。列車速度低于常用制動(dòng)速度范圍后，常用制動(dòng)自動(dòng)緩解。列車速度繼續(xù)低于報(bào)警速度后，燈光和語(yǔ)音報(bào)警信息自動(dòng)關(guān)閉；列車速度高于緊急制動(dòng)速度后，系統(tǒng)輸出緊急制動(dòng)命令，同時(shí)輸出燈光和語(yǔ)音報(bào)警。列車停穩(wěn)后，司機(jī)按壓制動(dòng)緩解按鈕，緊急制動(dòng)才能緩解，燈光和語(yǔ)音報(bào)警信息關(guān)閉。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)目前既有磁性停車系統(tǒng)的車輛磁鐵、主機(jī)配置以及功能分析，結(jié)合霍爾效應(yīng)技術(shù)、硬件冗余技術(shù)、車載電子地圖技術(shù)以及安全防護(hù)技術(shù)，提出了一種新型的磁性停車系統(tǒng)。

新型磁性停車系統(tǒng)霍爾器件對(duì)地面磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)故障-安全架構(gòu)，主機(jī)單元進(jìn)行安全冗余設(shè)計(jì)，新增列車定位功能、車門(mén)防護(hù)功能以及速度監(jiān)控功能，與既有磁性停車系統(tǒng)相比，新型磁性停車系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性、安全性以及可維護(hù)性。