一種新型磁性停車系統(tǒng)的設(shè)計方案探討

沈成祿

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，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。通過對系統(tǒng)在墨西哥蒙特雷地鐵3 號線的實際應(yīng)用現(xiàn)場調(diào)研以及市場調(diào)研，既有磁性停車系統(tǒng)有一定改進之處，并且在拉美以及其他一些國家具有很大的市場前景。

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機前方，并與地面聯(lián)鎖系統(tǒng)通過電纜接口。當(dāng)信號機顯示禁止信號時，地面磁鐵發(fā)送磁通量，此時當(dāng)列車闖紅燈經(jīng)過地面磁鐵時，安裝于車底的車輛磁鐵感應(yīng)到來自地面磁鐵的磁通量后，車載系統(tǒng)輸出緊急制動；當(dāng)信號機顯示綠燈信號時，地面磁鐵不向外發(fā)送磁通量，此時列車安全通過，不會觸發(fā)緊急制動。

車載系統(tǒng)由主機單元、司機操作單元、車輛磁鐵以及故障旁路開關(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) 主機單元：主要實現(xiàn)邏輯運算、與車輛的接口以及系統(tǒng)維護數(shù)據(jù)的記錄。

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

4) 故障旁路開關(guān)：當(dāng)磁性停車系統(tǒng)發(fā)生故障需要退出運行時，可操作故障旁路開關(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)信號機顯示允許信號時，列車越過地面磁鐵，不觸發(fā)緊急制動；

當(dāng)信號機顯示禁止信號時，司機應(yīng)將列車安全?？吭诘孛娲盆F之前；如果司機不按信號顯示駕駛列車，導(dǎo)致列車的車輛磁鐵越過地面磁鐵，系統(tǒng)將觸發(fā)緊急制動。

2）故障切除運行模式

如果車輛輸入的關(guān)鍵信號發(fā)生錯誤或者其他原因，導(dǎo)致磁性停車系統(tǒng)持續(xù)、無條件的緊急制動，可操作故障旁路開關(guān)，將磁性停車保護功能屏蔽。

3）旁路運行模式

當(dāng)信號機故障或者車輛非正常情況下，需要在禁止信號下通行時，司機可按下“請求通過”按鈕，暫時屏蔽磁性停車系統(tǒng)的功能，強制通過禁止信號。

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)對地面磁場檢測采用類似“繼電器”的原理，將磁通量轉(zhuǎn)換為機械觸點的動作；車載磁頭中包含繼電器的銜鐵和觸點，當(dāng)經(jīng)過地面磁鐵的磁場時，磁場驅(qū)動銜鐵動作，進而帶動觸點動作；觸點容易發(fā)生粘連等故障，觸點的閉合和斷開特性需要人工檢測來保障，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影響列車的正常運行。

此外，既有磁性停車系統(tǒng)僅能實現(xiàn)闖紅燈防護的功能，功能相對單一。

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。

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

車輛磁鐵采用霍爾器件進行地面磁場感應(yīng)，實現(xiàn)故障-安全架構(gòu)，確保磁性感應(yīng)檢測功能達到SIL4 安全等級。霍爾器件的工作原理是霍爾效應(yīng)，元件在磁場作用下可產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該效應(yīng)可直接用來進行磁場檢測。霍爾器件已被廣泛應(yīng)用到電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器、霍爾開關(guān)等，這些應(yīng)用本質(zhì)都是通過將磁場轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枌崿F(xiàn)的[1-2]。

車輛磁鐵內(nèi)部設(shè)計如圖3 所示。

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

由于采用霍爾器件對地面磁場進行感應(yīng)，主機單元識別霍爾器件產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢并作出反應(yīng)，天線不含繼電器等器件，不再將地面磁通量轉(zhuǎn)換為機械觸點的動作，因此從根本上杜絕了觸點容易發(fā)生粘連等故障。

使用兩路霍爾元件進行磁場檢測，即有地面磁場時，霍爾元件將輸出反應(yīng)磁場強度的電信號，當(dāng)電信號幅度超過設(shè)置門限時，認(rèn)為地面存在電磁鐵；使用硅鋼片形成低磁阻通道。

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

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

采用數(shù)字信號處理算法計算磁場強度，對霍爾器件輸出的電信號進行模式識別，濾除來自鋼軌上波形不符的干擾磁場，精確計算檢測到的磁場強度，準(zhǔn)確判斷出地面磁鐵信息，提高抗干擾能力[3-4]。

通過磁場仿真設(shè)計，對磁場特性、車載接收檢測進行仿真計算，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現(xiàn)故障-安全架構(gòu)，提高了車輛磁體的檢測精度、安全性、可靠性以及抗干擾能力；系統(tǒng)自動實現(xiàn)車輛磁體自檢，提高了系統(tǒng)的維護性。

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

2.2.2 主機單元設(shè)計

主機單元為系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要實現(xiàn)列車信息采集、地面磁性信息的接收和處理，司機顯示信息輸出和操作信息采集處理以及列車制動命令輸出、開門控制命令輸出。

主機單元的初步設(shè)計方案為3U 機籠結(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 主機單元Fig.5 Host unit

采用二取二架構(gòu)進行設(shè)計，核心板卡冗余設(shè)計，符合SIL4 級安全標(biāo)準(zhǔn)[5-6]；采用動態(tài)安全采集和驅(qū)動設(shè)計原則，正確獲取列車狀態(tài)信息，安全輸出制動命令；司機操作單元采用故障-安全原則設(shè)計，采用動態(tài)安全采集方式獲取制動復(fù)位按鈕、請求通過按鈕的狀態(tài)，確保正確安全獲取司機操作命令；主機單元與司機操作單元之間采用安全通信協(xié)議傳遞制動復(fù)位按鈕、請求通過按鈕的按壓狀態(tài)，確保列車安全制動緩解和安全通過故障信號機；主機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)主機單元，采用安全冗余設(shè)計后，大大提高了系統(tǒng)的可靠性及安全性，降低現(xiàn)場維護工作量，確保系統(tǒng)達到SIL4 安全等級。

2.2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

在磁性停車系統(tǒng)的既有功能基礎(chǔ)上，擴展增加列車定位功能、開門防護功能和列車超速監(jiān)控功能。

1）列車定位功能

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

2）站臺車門防護功能

車載系統(tǒng)中存儲車站站臺開門側(cè)信息和車站中心點公里標(biāo)信息。列車到站停穩(wěn)后，系統(tǒng)判斷列車是否具備開門條件，并給出開門允許命令：

是否停在車站允許的范圍內(nèi)，車速為0 km/h；

判斷司機選擇的開門側(cè)是否和系統(tǒng)允許門側(cè)信息一致。

上述兩個條件同時滿足后，則系統(tǒng)發(fā)出允許開門命令。

如上述條件不滿足，則：

車速不為0 km/h 時，系統(tǒng)輸出禁止開門命令；

車速為0 km/h，停車位置誤差大于設(shè)定數(shù)值時，系統(tǒng)輸出禁止開門命令。如果檢測到司機按壓開門命令，則繼續(xù)輸出禁止開門命令，同時發(fā)出燈光和語音報警，提醒司機定位誤差；

車速為0 km/h，停車位置誤差小于設(shè)定數(shù)值時，如果檢測到司機按壓的開門側(cè)命令和系統(tǒng)允許開門側(cè)不一致，則繼續(xù)輸出禁止開門命令，同時發(fā)出燈光和語音報警，提醒司機開門側(cè)錯誤；

系統(tǒng)給出報警后，如果司機確認(rèn)，還要繼續(xù)開門，則司機應(yīng)按壓系統(tǒng)操作面板上的開門旁路按鈕，同時按壓開門側(cè)按鈕后，系統(tǒng)給出開門允許。司機釋放開門旁路按鈕后，開門允許命令自動變?yōu)榻姑睢?/p>

3）速度監(jiān)控功能

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

車載系統(tǒng)根據(jù)存儲的線路限速信息以及制動參數(shù)監(jiān)控列車運行速度：列車速度處于報警速度范圍內(nèi)時，輸出燈光和語音報警。列車速度低于報警速度后，燈光和語音報警信息自動關(guān)閉；列車速度進入常用制動速度范圍內(nèi)時，輸出常用制動命令，同時輸出燈光和語音報警。列車速度低于常用制動速度范圍后，常用制動自動緩解。列車速度繼續(xù)低于報警速度后，燈光和語音報警信息自動關(guān)閉；列車速度高于緊急制動速度后，系統(tǒng)輸出緊急制動命令，同時輸出燈光和語音報警。列車停穩(wěn)后，司機按壓制動緩解按鈕，緊急制動才能緩解，燈光和語音報警信息關(guān)閉。

3 結(jié)論

通過對目前既有磁性停車系統(tǒng)的車輛磁鐵、主機配置以及功能分析，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)霍爾器件對地面磁場進行感應(yīng)，實現(xiàn)故障-安全架構(gòu)，主機單元進行安全冗余設(shè)計，新增列車定位功能、車門防護功能以及速度監(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、安全性以及可維護性。