对磁悬浮列车运行控制系统的思考

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1、交通运输学院 运输1302班11252086 丁耀宗对磁悬浮列车运行控制系统的思考列车运行控制系统课程考察报告11252086 丁耀宗1 综述高速磁悬浮列车作为一种新型交通工具，以其快捷、安全、 舒适、无磨擦、低噪声、低能耗、易维护、无污染等优点吸引着 人们的眼球。磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力来推动的列车。由于 其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不同于其他列车需要接触 地面，因此只受来自空气的阻力。磁悬浮列车的速度可达每小时 400 公里以上，比轮轨高速列车的 380 多公里还要快。20 世纪末 以来，德国、发达国家以及中国都相继开始筹划进行磁悬浮运输 系统的开发。我国第一辆磁悬浮列车 2003

2、 年 1 月开始在上海运 行。磁悬浮列车的普及应用，除了硬件技术问题，首要的就是解 决其控制系统的问题。高速磁悬浮运行控制系统就如同人的大脑，负责安排整个交 通系统安全可靠有效的运转，使磁悬浮列车的特点充分展现出 来。目前，仅日本和德国对高速磁悬浮运行控制系统的研究技术 比较成熟。2 磁悬浮列车性能简介高速磁悬浮列车的推力是利用交流同步直线电机（LSM）的原 理产生的，该电机与其对应的交流同步旋转电机结村、工作原理基本相似。它的转子是置于列车底部的直流激励的磁极，定子为 沿着线路轨道铺设的三相定子绕组，设置在地面上的变频设备在 线路上可分段给定子绕组供电。当三相绕组通入三相对称正弦电 流时。在

3、气隙中便形成正弦分布并以同步速度平移的行波磁场， 当磁场足够大时则吸引转子而使列车以同步速度行驶。只要安装 在路边的变电所内的变频设备把电馈入长定子电缆中，在线路上 就会产生使列车移动的磁场，而且频率越高，移动的速度也越大。由于一个变电所的供电能力有限，因此整个线路被分成数个 供电分区，每个分区对应一个变电所，一个变电所只能给一辆列 车供电。为提高系统的效率和功率因数，供电分区内的电缆又被 分为一个个的小分区，只向有车运行的那个小分区供电，这样也 可减小能耗，节约能源，但需要分区转换装置。供电分区供电的 模式对磁悬浮列车运行控制也产生了直接的影响。3 磁悬浮列车控制系统特点需求分析 磁悬浮运行

4、控制系统的基本任务和传统轮轨列车类似，就是 要根据运行计划，办理列车运行进路，保证进路正确安全；实时 控制和监督列车运行速度，防止列车超速；调整列车追踪问隔， 保证运行安全，提高运输效率；提供旅客服务信息，提高服务质 量。这些要求在磁悬浮交通中需要由地面的运行控制系统自动完 成，而在轮轨交通中这些功能主要起辅助司机驾驶的作用。基于磁悬浮列车的上述特点和工作原理，其列车运行控制系 统必须满足以下几点基本要求：（1）驾驶功能：参照现代铁路高速列车与民航客机现行的 控制系统，在将来磁悬浮列车投入运营时应采用自动控制为主人 工控制为辅的控制方式。具体包括自动悬浮控制功能、电力牵引 控制功能、电力制动与

5、机械制动控制功能、车门控制功能、电源 控制功能、辅助设备控制功能。（2）保护功能：保护功能参考铁路高速列车现行控制系统 与法国、德国以及日本等国系统，应采用全自动移动闭塞的方式， 涵盖进站保护功能、曲线限速保护功能、超速防护功能以及对驾 驶误操作自动保护功能。（3）监视功能：监视系统也采用全自动方式，具体包括： 速度测量和列车定位功能、进站检测功能、全列车状态检测与显 示功能、故障诊断功能。4 磁悬浮列车控制系统的一般类型及速度防护方式 基于磁悬浮列车的特点，磁悬浮列车的控制系统应类似于轮 轨列车的自动控制系统（ATC）,即在磁悬浮列车运行控制系统中 也可分出类似于列车自动驾驶系统（ATO）、

6、列车自动防护系统 （ATP）以及列车自动监控系统（ATS）的几个部分。但是由于磁 悬浮列车特殊的运行机理，在传统的轮轨列车自动控制系统的基 础上，磁悬浮列车对同步控制产生的测速定位的精度要求、自动 控制产生的大容量信息传输要求等都与以往有所不同。4.1 系统属性因此，根据系统功能、人机分工和自动化程度的要求，磁悬浮列车运行控制系统应采用类似于铁路列车运行自动控制系统（ATC）的控制系统。4.2 人机关系从人机设备优先等级的角度考虑，由于，磁悬浮列车自身的 制动系统的自动化程度以及自动性能非常高，列车开行对正点率 的要求高，磁悬浮列车运行控制系统应优先采用设备优先的列控 系统。4.3 速度防护在

7、传统轮轨铁路中，闭塞的出现完全是为了保证列车安全运 行间隔，防止发生列车碰撞。闭塞可分为固定闭塞和移动闭塞两 种。固定闭塞就是将线路分成固定的区段，每个区段为一个闭塞 分区，当分区内有列车占用时，其他列车不能进入，以避免发生 列车碰撞。移动闭塞则是基于无线通信的一种技术，它的出现主 要是为了在保证列车安全的情况下提高线路行车密度。在移动闭 塞情况下，后行列车的位置不受固定区段的限制，只与前行列车 的位置有关，保证了列车最小运行间隔。在磁悬浮交通中，列车 运行间隔等于一个供电区段的长度，这是由一个变电所只能控制 一辆列车决定的。其供电区段为一个闭塞分区（与轮轨铁路的闭 塞概念相同），当供电区段有

8、列车占用时，后行列车不允许进入 分区开放条件不同，磁悬浮闭塞分区开放条件为：1）线路被清空 2）闭塞区间中没有列车占用；3）完成了分区间的电源切换。由于 列车的驱动由列车经过的区段供电进行控制，在供电区段开关控制正常的情况下，后行列车是无法闯入被占用区段的，这就在很 大程度上避免了列车碰撞事件的发生。参照当前高速铁路及客运专线的列车运行控制系统，要使磁 悬浮列车的性能得到充分地发挥，磁悬浮列车应采用前行车所在 闭塞分区（供电区段）的入口为目标点的速度距离模式控制方式， 即准移动闭塞方式。4.4 信息传递从车地信息传输方式上考虑，无论轮轨交通还是磁悬浮交 通，传输的信息大致可分为两类安全信息和非

9、安全信息。安 全信息直接关系到列车的运行安全，因此它的信息的确定和传输 一般采用冗余通道来保证安全。安全信息主要包括列车的位置和 速度信息、速度限制信息、运行权限等，非安全信息包括旅客服 务信息等。一般来说，系统的自动化程度越高，对信息传输的要 求也就越高。在轮轨交通中，对信息传输的要求有一个发展的过程。在固 定闭塞的情况下，编码的轨道电路是列车进行中车上与地面信息 传输的主要通道，轨道查询应答器、轨间电缆等作为列车位置参 考点为列车提供绝对位置信息。列车的运行权限在列车通过定点 位置时由地面以机车信号的形式发送给列车（或司机）。在这种情 况下信息传输量相对较小，信息的传输属点式传输。而在基于

10、无 线通信的移动闭塞情况下，需要列车将位置和速度信息连续地传 给无线闭塞中心（RBC）, RBC再将运行权限和限速等信息发送给列车。为了满足信息传输需求并减少路边设备和设备成本，采用 了无线传输（如GPS）为主，查询应答器为绝对位置参考点的信息 传输方式（即点连式列控系统）。5 磁悬浮列车运行系统应选择的相应关键设备及技术5.1 列车的定位与测速 传统轮轨列车测量列车速度和位置的方法有两类，第一类是利用各种轨道电路进行测速，第二类为非轨道电路列车检测法。 非轨道电路法包括异频雷达收发机（如Balise）、卫星定位法（如 GPS）、多普勒雷达测速等。各种轨道电路由于其自身的优点在现 代铁路中仍是

11、使用最广泛的一种方式。但它的信息处理能力远不 如非轨道电路法，无法满足高速列车运行对测速和定位的要求， 所以一些控制系统利用全球定位系统（GPS）获取位置信息，以查 询应答器（Balise）作为绝对位置参考点进行位置校正。在磁悬浮 交通中，由于磁悬浮列车与轨道完全无机械接触，无轨道电路可 以利用，它的定位测速可以采用非轨道电路法以及根据磁悬浮特 点研究的新的方法。5.2 磁悬浮列车速度防护类型高速铁路现行的CTCS3级速度防护系统中，由地面无线闭塞 中心（RBC）和车载设备完成列车占用检测及完整性检查，点式信 息设备提供列车用于测距修正，现阶段适用350km/h及以上高速 客运专线，并在应用中

12、表现良好。为适应磁悬浮列车的特点，经 过一系列技术改造，可将此类无线移动闭塞方式应用到未来的磁悬浮列车速度防护中。具体表现为：（1）进站保护功能：参考地铁采用的制动方式，通过协调 机械制动与电力再生制动，控制列车进站速度和停靠位置，做到 精准停站。自动化为主，人工制动为辅的方式，减小驾驶员工作 量，尽可能避免人工失误，提高列车运行舒适性。（2）曲线限速保护功能：采用移动闭塞方式和曲线限速保 护方式。此类方式通过区段总控制室协调各车速度与距离，采用 无线传输，最大程度释放线路运能。（3）超速防护功能：列车速度防护系统通过列车自带速度 检测装置实时获取列车运行瞬时速度，并与控制系统发布的安全 速度

13、和区段顶棚速度相比较。确保列车在安全速度下运行。（4）对驾驶误操作自动保护功能：当出于突发事件由自动 驾驶转为人工驾驶时，计算机不是停止工作，而是后台监控人工 驾驶操作。一旦出现操作失误，计算机马上提示驾驶员更改操作， 为列车运行增加双保险。5.3 车地传输技术在轮轨交通中，对信息传输的要求有一个发展的过程。在固 定闭塞的情况下，编码的轨道电路是列车进行中车上与地面信息 传输的主要通道，轨道查询应答器、轨间电缆等作为列车位置参 考点为列车提供绝对位置信息。列车的运行权限在列车通过定点 位置时由地面以机车信号的形式发送给列车（或司机）。在这种情 况下信息传输量相对较小，信息的传输属点式传输。而在

14、基于无线通信的移动闭塞情况下，需要列车将位置和速度信息连续地传 给无线闭塞中心（RBC）, RBC再将运行权限和限速等信息发送给 列车。为了满足信息传输需求并减少路边设备和设备成本，采用 了无线传输（如GPS）为主，查询应答器为绝对位置参考点的信息 传输方式。对于磁悬浮列车，它的运行控制主要在地面，要求控制中心、 地面设备和列车之间进行实时的双向通信，要求信息具有很高的 实时性，列车的安全高速运行控制、大量设备的监控、优质的旅 客服务信息等要求信息传输安全、可靠、高速、高容量。参考国 外磁悬浮列车经验，日本山梨试验线车上与地面设备之间的通信 采用多通道冗余方式来保证传输的可靠性，用于定位测速的

15、轨间 电缆作为主要的传输通道，数据传输的波特率为4800bps。用于 地面向车上传输监控信息及遥感命令，列车的实时速度及位置监 测在地面完成，由地面传输给车上的信息只是起监督的作用，用 于紧急情况下控制列车紧急刹车。另外使用漏泄同轴电缆作为冗 余通道，它的传输波特率为296bps，它可以实现车地双向通信， 其原理是：漏泄同轴电缆是在同轴电缆外导体上开有一定形状和 一间距的槽，使电磁场的能量集中在同轴电缆的内外导线之间， 部分能量可以从同轴电缆中的槽孔泄漏到空间中，并和附近的移 动电台天线耦合构成无线通道。同轴电缆外导体上开的槽可以有 许多形状，各种形状在传输损耗和耦合损耗方面各不相同。另外 设

16、计了一种大容量的数据传输一一45GHz的毫米波，用于取代漏泄同轴电缆，它允许采用比漏泄同轴电缆更高的频率、更大的带 宽和更高的数据传输率，可以满足多媒体的应用。德国TVE试验 线车地传输则采用的是38GHz毫米波无线传输系统。5.4其他相关配套列控技术参考我国高速铁路现行的 CTCS（Chinese Train ControlSystem）系列列控系统的经验，以及磁悬浮列车高速、追踪间隔 小、无轨道接触、自动化程度非常高等特点，磁悬浮列车列控系 统应类似CTCS4级系统（当前还处于理论研究阶段），完全基于 无线控制和通信，卫星定位，无须地面信号设备；车载列车完整 性检查；实现移动闭塞，提高运输

17、能力。具体表现为：（1）自动悬浮控制功能：通过自动控制与车地感应系统保 证列车平稳正常的悬浮与运行。（2）电力牵引控制功能：由大型电脑控制轨道交变电流的 变化，增加精准度保证列车获得稳定的前进动力。（3）电力制动与机械制动控制功能：可采用机械制动与电 力再生制动两种方式协同作用，保证停车距离的同时达到节能的 效果。（4）车门控制功能：保证列车停靠站是车门顺畅开启以及 在运行过程中与外界环境隔离。应辅以手动开关，以应对突发情 况。（5）电源控制功能：利用列车移动自行发电，控制车厢内 各电力设备正常工作。包括照明、空调、换气等。从而达到节省电能的目的(6) 辅助设备控制功能：包括无线通讯，以及与客

18、户服务 相关的功能。6 结语在中国，高速磁悬浮运行控制系统的研究还刚刚起步，有很 多可以研究的领域，如精确的测速定位技术、高速大容量信息传 输系统、故障一安全性计算机、运行控制仿真建模技术等。上海 磁悬浮列车的建立给磁悬浮技术在中国的发展带来了很好的契 机。以上对磁悬浮列车运行控制系统的简要分析还存在诸多不 足，还请老师予以指正。7 参考文献1吴丹 .高速磁悬浮列车运行控制与传统轮轨列车运行控制的比较=A Comparison betweenOperation Control Systems for High Speed Maglev Transportation and for Conven

19、tiona1 Railway. 北 京交通大学电子信息工程学院.2003.2徐龙华，李剑锋 .中低速磁浮列车运行控制系统的方案及其实现 .国防科技大学研究三院， 2005-07-05.3吴丹著 ;宁滨 教授 .高速磁悬浮列车运行控制系统的研究与仿真 = Research and simulation on high-speed maglev operation control system，20044徐家镇 ; 徐洪泽。磁悬浮列车运行控制系统仿真环境研究微型机与应用 - Microcomputer & ItsApplications, 2005, Vol.24(12), pp.44-46 5黄迪 著 ;郑伟 教授 .磁浮列车中央控制仿真系统的设计与实现 = Design and implementation of central control simulation system of High-speed Maglev Train.2009