吳 進(jìn),孟天旭,黨海笑,白英杰
(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)
中低速磁懸浮是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一項(xiàng)新技術(shù),是目前城市軌道交通[1]中的先進(jìn)技術(shù),是中國(guó)城市軌道交通多元化其中的一個(gè)重要角色[2]。磁懸浮列車工作時(shí)主要利用了電磁鐵同性排斥異性吸引的基本原理,利用電磁力抵消重力。而TWC環(huán)線系統(tǒng)是常見于中低速磁懸浮線路中用于車地通信的系統(tǒng),但在實(shí)際應(yīng)用中,若通信空間內(nèi)存在空間場(chǎng)騷擾,可能導(dǎo)致通信異常從而引起故障。因此對(duì)中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線系統(tǒng)的場(chǎng)分布情況和電磁場(chǎng)耦合機(jī)理的研究具有重要意義。
中低速磁懸浮列車的TWC接收和發(fā)射天線通過電磁感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)雙向通信。當(dāng)外部的電磁波疊加到雙向通信的系統(tǒng),且達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),會(huì)導(dǎo)致通信故障,列車導(dǎo)向安全側(cè)。
中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線的結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示,其工作原理為:區(qū)域控制器(Zone Controller,ZC)把列控命令和列車自動(dòng)監(jiān)督(Automatic Train Supervision,ATS)的信息通過CAN總線發(fā)送給軌旁發(fā)送設(shè)備,發(fā)送設(shè)備調(diào)制后經(jīng)過功放進(jìn)行放大,經(jīng)環(huán)線檢測(cè)濾波設(shè)備、傳輸電纜送到室外始端匹配單元、環(huán)線和終端匹配單元上,車載接收天線感應(yīng)到的信號(hào)送給接收設(shè)備進(jìn)行解調(diào),通過CAN總線發(fā)送給車載列車自動(dòng)防護(hù)(Automatic Train Protection,ATP)主機(jī),列車自動(dòng)運(yùn)行(Automatic Train Operation,ATO)信息內(nèi)容由車載ATP轉(zhuǎn)發(fā)給車載ATO主機(jī),車載ATP和ATO主機(jī)收到命令數(shù)據(jù)后通過CAN總線把應(yīng)答命令數(shù)據(jù)發(fā)送給車載發(fā)送設(shè)備,發(fā)送設(shè)備調(diào)制后經(jīng)過功放進(jìn)行放大,經(jīng)發(fā)送天線發(fā)射到軌旁環(huán)線,軌旁環(huán)線把感應(yīng)到的信號(hào)經(jīng)過傳輸電纜送給室內(nèi)環(huán)線檢測(cè)濾波設(shè)備,經(jīng)處理后送給地面接收設(shè)備進(jìn)行解調(diào),接收設(shè)備解調(diào)后通過CAN總線發(fā)送給ZC。車載ATP發(fā)送的應(yīng)答命令數(shù)據(jù)包含當(dāng)前列車的位置信息,ZC根據(jù)該信息確認(rèn)環(huán)線占用情況,生成后續(xù)列車的控車命令[3]。
圖1 TWC環(huán)線結(jié)構(gòu)及原理示意Fig.1 TWC loop structure and principle
中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線的形狀呈數(shù)字8型排列在平面上,環(huán)線內(nèi)以正弦形式電信號(hào)信息傳輸。上行鏈路信號(hào)傳輸使用35.8±0.4 kHz的FSK信號(hào),下行鏈路信號(hào)傳輸使用54±0.4 kHz的FSK信號(hào)和9 kHz的監(jiān)測(cè)信號(hào)。
上行鏈路信號(hào)傳輸技術(shù)指標(biāo)為:載波中心頻率35.8+0.4 kHz,數(shù)據(jù)傳輸速率1 200波特率,報(bào)文碼長(zhǎng)83 bit;下行鏈路信號(hào)傳輸技術(shù)指標(biāo)為:載波中心頻率54+0.4 kHz,數(shù)據(jù)傳輸速率600波特率,報(bào)文碼長(zhǎng)43 bit。車輛控制中心(VCC)至車載控制中心(VOBC)的上行鏈路信號(hào)傳輸,通過中心饋電設(shè)備和饋電設(shè)備送入TWC環(huán)線[4],然后,車載接收天線與TWC環(huán)線產(chǎn)生的時(shí)變電磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)耦合,進(jìn)而將命令報(bào)文傳輸給VOBC。每個(gè)TWC環(huán)線通道每隔70 ms的工作周期,輸出一個(gè)83比特位的串行命令報(bào)文[4],數(shù)據(jù)傳輸速率為1 200 bit/s。同樣,VOBC的信息報(bào)文以600 bit/s的傳輸速率發(fā)送43比特位的報(bào)文,經(jīng)過TWC環(huán)線與發(fā)射天線的電磁感應(yīng),信號(hào)的提取與放大,最后將數(shù)據(jù)傳輸給VCC。
中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線所處狀態(tài)可分為兩類:一類為TWC環(huán)線上方無列車,另一類為TWC環(huán)線上方有列車。因此,電磁仿真時(shí)采取對(duì)TWC環(huán)線線纜本身施加激勵(lì)源,模擬無車狀態(tài);在TWC環(huán)線以外的位置,添加激勵(lì)源,模擬有車狀態(tài)。TWC環(huán)線與車載接收天線之間通過電磁感應(yīng),完成上行鏈路信號(hào)傳輸。其中,TWC環(huán)線作為發(fā)射天線,車載接收天線接收信號(hào)。
由于測(cè)試設(shè)備安裝在測(cè)試環(huán)境需要協(xié)調(diào)多方進(jìn)行配合安裝,其過程用時(shí)較長(zhǎng);每次需進(jìn)行測(cè)試方案的改進(jìn),測(cè)試設(shè)備位置變動(dòng)困難;車輛需要維持正常運(yùn)營(yíng),車輛快速經(jīng)過測(cè)試點(diǎn)時(shí),由于測(cè)試設(shè)備測(cè)試范圍有限且不能干擾車輛運(yùn)行,信號(hào)的可視化難度較大?;谝陨蠋c(diǎn),采取仿真分析模擬[5-7]的辦法,利用經(jīng)過驗(yàn)證的模型,將實(shí)際測(cè)試投射到仿真模型的設(shè)置中,優(yōu)化問題的解決過程。
根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]和調(diào)研得到的數(shù)據(jù),車體長(zhǎng)度為15 m,寬度為3 m,使中低速磁懸浮列車懸浮所用的軌道由鋁板、F型導(dǎo)軌和鋼軌等金屬材料構(gòu)成。為進(jìn)行電磁仿真,首先建立參數(shù)化的模型,模型初步建立如圖2所示。在模型中,中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線的每個(gè)環(huán)長(zhǎng)度為5 m,寬度為70 cm,線的直徑為1 cm。材料設(shè)置為完全導(dǎo)電(Perfectly Electric Conducting,PEC)。激勵(lì)源的設(shè)置中,port1為35.8 kHz的正弦信號(hào),且大小為1 A的電流源,其位置在圖2的左端;為了形成閉合回路,在圖2的右端放置50 Ω的負(fù)載。
圖2 TWC環(huán)線無車模型Fig.2 TWC loop model (without vehicle)
加入鋼軌、F導(dǎo)軌和鋁板后開展仿真,得到無車狀態(tài)TWC環(huán)線的空間電場(chǎng)輻射情況,如圖3所示。
圖3 無車狀態(tài)TWC環(huán)線空間電場(chǎng)輻射分布Fig.3 Space electric field radiation distribution of TWC loop (without vehicle)
根據(jù)仿真結(jié)果,得出空間電磁場(chǎng)分布規(guī)律,在無車時(shí),即僅對(duì)TWC環(huán)線進(jìn)行激勵(lì),空間電磁場(chǎng)在TWC環(huán)線的每個(gè)環(huán)中是相同的,在動(dòng)態(tài)過程中,每個(gè)環(huán)中的電磁場(chǎng)均處于同步變化,大小相同,方向相同,符合TWC環(huán)線磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。
模型如圖4所示,TWC環(huán)線的每個(gè)環(huán)的長(zhǎng)度為5 m,寬度為70 cm,線直徑為1 cm。環(huán)線、矩形板和鋼軌的材料分別設(shè)置為銅、鋁和鐵。激勵(lì)源的設(shè)置中,port2為54.5 kHz的正弦信號(hào),且大小為2 A的電流源,其位置在左端且距離環(huán)線所在平面上方70 cm處。為了使環(huán)線形成閉合回路,對(duì)環(huán)線的兩端均設(shè)置為50 Ω的負(fù)載。
圖4 TWC環(huán)線有車模型Fig.4 TWC loop model (with vehicle)
得到有車狀態(tài)TWC環(huán)線的空間電場(chǎng)輻射情況,如圖5所示。
圖5 有車狀態(tài)TWC環(huán)線空間電場(chǎng)輻射分布Fig.5 Space electric field radiation distribution of TWC loop (with vehicle)
根據(jù)仿真結(jié)果,得出空間電磁場(chǎng)分布規(guī)律,在有車時(shí),即在TWC環(huán)線的上方設(shè)置激勵(lì)源,激勵(lì)源位于第一個(gè)環(huán)的上方時(shí),空間電磁場(chǎng)分布在第一個(gè)環(huán)中是不均勻的,在第二、三和四環(huán)中,分布是相同的。
以有車狀態(tài)為例,將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以此對(duì)仿真模型的正確性加以驗(yàn)證。當(dāng)實(shí)際有車輛經(jīng)過時(shí),在軌旁的環(huán)線上布置電流探頭,測(cè)得激勵(lì)源在某一節(jié)環(huán)線起始位置的頻譜如圖6所示,電流值隨激勵(lì)源沿鋼軌移動(dòng)距離變化的數(shù)據(jù)如表1和圖7所示。
圖6 現(xiàn)場(chǎng)車輛正常運(yùn)行且經(jīng)過測(cè)試點(diǎn)頻譜Fig.6 Spectrum diagram of field vehicle operating normally and passing through test point
表1 激勵(lì)源不同位置對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)電流值Tab. 1 Current values of test points corresponding to different positions of activation source
圖7 激勵(lì)源不同位置對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)電流值Fig.7 Current values of test points corresponding to different positions of activation source
將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的頻譜與仿真數(shù)據(jù)的頻譜在同一狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比,不同位置仿真與試驗(yàn)差值保持一致,兩者只是在幅度上有差異,也是因?yàn)榧?lì)源的大小不同所致。驗(yàn)證了中低速磁懸浮列車的TWC環(huán)線模型的正確性和適用性,符合實(shí)際的應(yīng)用情況。
本文對(duì)基于交叉感應(yīng)電纜環(huán)線通信的 TWC 系統(tǒng)進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿真,對(duì)下行鏈路通信系統(tǒng)進(jìn)行建模與計(jì)算,得到無車和有車狀態(tài)下TWC環(huán)線的空間電磁場(chǎng)分布以及環(huán)線的電磁耦合機(jī)理,結(jié)合實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果,為TWC系統(tǒng)通信問題的后續(xù)研究與電磁防護(hù)提供了支撐。