中低速磁浮交通運行控制系統(tǒng)車地雙向通信設(shè)備的研究

孫吉良

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

為適應(yīng)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(yīng)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(yīng)由列車自動運行（ATO）、列車自動防護(hù)（ATP）、列車自動監(jiān)控（ATS）和計算機(jī)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(shè)備（TWC）的場強(qiáng)覆蓋可采用交叉環(huán)線、自由空間波、漏纜、裂縫波導(dǎo)管等方式。但因?qū)ΨQ交叉感應(yīng)環(huán)線具有抗干擾性能強(qiáng)，適合在復(fù)雜電磁環(huán)境中應(yīng)用且同時具有絕對定位和相對位置校正的明顯技術(shù)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(yīng)環(huán)線方式。

2 車地雙向通信設(shè)備工作頻段

中低速磁浮列車將輪軌制列車的支承、驅(qū)動和導(dǎo)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(gòu)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(shè)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(hù)委員會（ICNIRP）電磁輻射公眾標(biāo)準(zhǔn)限值（1998）推薦的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(shè)備中所造成的騷擾。電氣、電子設(shè)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(shè)備形成電磁干擾，影響信號的傳輸?，F(xiàn)代電氣、電子設(shè)備的大量應(yīng)用，使電磁波無處不在，無時不有。電氣、電子設(shè)備對于其他電氣、電子設(shè)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(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾為沿著導(dǎo)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(shè)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(fù)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(yīng)環(huán)線中，傳導(dǎo)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(shù)措施減少其影響，故分析交叉感應(yīng)環(huán)線時，只考慮輻射干擾的影響。

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

N=G×C/S

其中：

G：噪聲源強(qiáng)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(yīng)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(shè)備產(chǎn)生的雜散電磁波。由于交叉感應(yīng)環(huán)線橫縱向均對稱分布，磁浮列車兩側(cè)的懸浮控制器和直線電機(jī)橫縱向均對稱分布，故可認(rèn)為外界電磁波均勻照射在交叉感應(yīng)環(huán)線上，外界輻射在感應(yīng)環(huán)線中心線兩側(cè)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢方向相反。所以對稱交叉感應(yīng)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(yīng)環(huán)線車地雙向通信系統(tǒng)構(gòu)成

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

其地面設(shè)備通過室外電纜連接室內(nèi)和室外兩部分設(shè)備，室內(nèi)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)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(yīng)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(yīng)環(huán)線每隔一定距離（如30?m）應(yīng)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(shè)備由發(fā)送、接收、交叉點提取設(shè)備及發(fā)送和接收天線組成。車載發(fā)送和接收設(shè)備通過通信總線與車載ATP主機(jī)和車載ATO主機(jī)實時通信；車載設(shè)備通過發(fā)送天線向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)環(huán)線發(fā)送信號，通過接收天線接收對稱交叉感應(yīng)環(huán)線信號，實現(xiàn)車載設(shè)備和軌旁設(shè)備的實時雙向通信功能。

5 對稱交叉感應(yīng)環(huán)線車地雙向通信關(guān)鍵設(shè)備

對稱交叉感應(yīng)環(huán)線車地雙向通信關(guān)鍵設(shè)備主要包括地面和車載的發(fā)送、接收、對稱交叉感應(yīng)環(huán)線和環(huán)線檢測濾波及天線等部分。對稱交叉感應(yīng)環(huán)線作為車地雙向通信僅有的物理通道，應(yīng)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(yīng)制定特殊的調(diào)度機(jī)制控制車載發(fā)送天線向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)環(huán)線發(fā)送車對地信號的發(fā)送時機(jī)，避免車載設(shè)備的2套發(fā)送天線同時向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)環(huán)線發(fā)送信號。

5.1 地面和車載的發(fā)送設(shè)備

地面發(fā)送設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(shè)備按照規(guī)定協(xié)議與區(qū)域控制中心設(shè)備進(jìn)行通信，當(dāng)發(fā)送設(shè)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(jìn)行一致性比較。如果比較結(jié)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(shè)備的結(jié)構(gòu)與地面發(fā)送設(shè)備的結(jié)構(gòu)相同。

5.2 地面和車載接收設(shè)備

地面接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(shè)備依次經(jīng)變壓器隔離、濾波、解調(diào)和雙套CPU至通信總線輸出。雙套CPU同時解調(diào)FSK信息，并將解調(diào)出的有效FSK信息碼進(jìn)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(shè)備發(fā)送。

車載接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)與地面接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(yīng)盡量大，故發(fā)送天線應(yīng)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(yīng)盡量大，故接收天線應(yīng)采用并聯(lián)諧振方式輸入。

5.4 地面交叉感應(yīng)環(huán)線檢測濾波設(shè)備

地面環(huán)線檢測濾波設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(dá)對稱交叉感應(yīng)環(huán)線的同時，再將從對稱交叉感應(yīng)環(huán)線接收到的車對地信息經(jīng)過濾波后送達(dá)地面接收設(shè)備，且送達(dá)的同時完成環(huán)線完整狀態(tài)檢測。

5.5 地面交叉感應(yīng)環(huán)線匹配連接

交叉感應(yīng)環(huán)線始端和終端的匹配連接結(jié)構(gòu)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(yīng)環(huán)線，最終送達(dá)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(yīng)環(huán)線感應(yīng)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(dá)室內(nèi)設(shè)備。

6 對稱交叉感應(yīng)環(huán)線車地雙向通信設(shè)備安裝設(shè)計

車地雙向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)環(huán)線通信設(shè)備的主要功能是實現(xiàn)車地雙向?qū)崟r通信，并通過對稱交叉感應(yīng)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(yīng)環(huán)線安裝設(shè)計

地面對稱交叉感應(yīng)環(huán)線沿F軌中心線對稱安裝，如圖6所示。圖中標(biāo)號1為交叉點、標(biāo)號2為F軌中心線、標(biāo)號3為環(huán)線匹配盒、標(biāo)號6為環(huán)線邊界。每一環(huán)線內(nèi)的交叉點的間距應(yīng)保持一致，且經(jīng)交叉點分隔出的交叉感應(yīng)環(huán)線區(qū)段應(yīng)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(shè)備工作的影響。若區(qū)域控制中心設(shè)備與車載設(shè)備的輪詢信息傳輸周期以0.285?s計，則車載設(shè)備在一個交叉內(nèi)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(dāng)磁浮列車的區(qū)間最高運行速度設(shè)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(dāng)磁浮列車站臺最高運行速度設(shè)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(shè)計

車載天線的安裝位置設(shè)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(shè)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(dāng)磁浮列車通過交叉點或環(huán)線邊界時，應(yīng)保證R1或R2至少一套能夠完整接收呼叫應(yīng)答幀信息。若呼叫應(yīng)答每幀時間設(shè)計為70?ms，磁浮列車的區(qū)間最高運行速度設(shè)計為150?km/h，則R1與R2的間距應(yīng)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(shè)備接收到的信息中環(huán)線標(biāo)識（ID）編號實現(xiàn)；相對位置校正，主要通過交叉點提取設(shè)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(shè)備

對稱交叉感應(yīng)環(huán)線交叉點提取設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖8所示，R1、R2兩路接收天線將接收到的交叉感應(yīng)環(huán)線信號經(jīng)隔離、濾波后分別輸入交叉點提取設(shè)備。交叉點提取設(shè)備的主要功能是對來自R1、R2兩路接收天線信號的相位進(jìn)行判決。當(dāng)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(yīng)互為反相，可處理為高電平；當(dāng)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(yīng)為同相，可處理為低電平。即特殊安裝R1、R2兩套接收天線，當(dāng)磁浮列車經(jīng)過交叉點時，交叉點提取設(shè)備應(yīng)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(yīng)環(huán)線地面設(shè)備向車載設(shè)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(dāng)接收天線R1、R2跨過環(huán)線邊界時，車載接收設(shè)備解調(diào)的信息碼中就具有不同的且符合預(yù)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(yīng)環(huán)線邊界信息可向ATP和ATO子系統(tǒng)及設(shè)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(shè)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(yīng)環(huán)線的長度、交叉距離和交叉點數(shù)是預(yù)先設(shè)計且固定不變的，車載ATP和ATO設(shè)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(yīng)環(huán)線的一個交叉區(qū)段。車載設(shè)備可將交叉點計數(shù)值通過發(fā)送天線送達(dá)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(shù)關(guān)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(zhuǎn)向架上的6路縱向等間距磁感應(yīng)傳感器實現(xiàn)。磁浮列車運行中，磁感應(yīng)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(yīng)著相鄰兩路磁感應(yīng)傳感器的固定安裝間距，即通過磁感應(yīng)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(yīng)為交叉感應(yīng)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(yīng)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(diào)度機(jī)制

對稱交叉感應(yīng)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(shè)置兩路發(fā)送天線通道，分時向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)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(diào)度機(jī)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(dāng)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(rèn)T1已通過交叉點，接收設(shè)備1可通知發(fā)送設(shè)備1通過發(fā)送天線T1向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)環(huán)線發(fā)送信號；當(dāng)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(rèn)T2已通過交叉點，接收設(shè)備2可通知發(fā)送設(shè)備2通過發(fā)送天線T2向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)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(diào)度機(jī)制如圖1和圖7所示。當(dāng)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(shè)備1可檢測到交叉感應(yīng)環(huán)線ID號發(fā)生了變化，接收設(shè)備1可通知發(fā)送設(shè)備1通過發(fā)送天線T1向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)環(huán)線發(fā)送信號；當(dāng)R2通過環(huán)線邊界，接收設(shè)備2可檢測到交叉感應(yīng)環(huán)線ID號發(fā)生了變化，接收設(shè)備2可通知發(fā)送設(shè)備2通過發(fā)送天線T2向?qū)ΨQ交叉感應(yīng)環(huán)線發(fā)送信號。

9 唐山現(xiàn)場應(yīng)用

對稱交叉感應(yīng)環(huán)線車地雙向通信設(shè)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(shù)及工程化應(yīng)用研究”（課題編號：2006BAG02B05）的子課題“基于交叉感應(yīng)環(huán)線的移動閉塞系統(tǒng)及列車運行控制技術(shù)研究”的配套設(shè)備，2009年應(yīng)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(shè)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(yīng)環(huán)線的移動閉塞系統(tǒng)，提出了交叉感應(yīng)環(huán)線和磁感應(yīng)軌枕相結(jié)合的測速定位技術(shù)，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(hù)、列車自動運行等功能”。

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