中低速磁浮列车占用检测系统方案深化研究

夏 冷

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

中低速磁浮列车占用检测系统方案深化研究

夏 冷

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

介绍中低速磁浮列车占用检测系统，针对应答器方式、RFID方式和计轴方式进行研究和试验，提出应用建议。

中低速磁浮列车；MATC；列车占用检测；应答器；RFID；计轴

1 概述

磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的列车，国内北控磁浮公司和国防科技大学联合国内相关单位对中低速磁浮交通技术工程化进行研发，2009年在唐山建成1.5 km的中低速磁浮试验示范线。

中低速磁浮交通信号系统采用基于交叉感应环线的移动闭塞MATC系统，该系统具有两种控制级别：连续通信级控制和联锁级控制。连续式通信级是移动闭塞系统通过车地双向通信，使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息和列车其他运行信息，据此计算出每一列车的移动授权，并动态更新，发送给列车。这样后行列车追踪目标点就可以是前行列车的尾部，从而可以实现移动闭塞，使系统能够获得更小的列车运行间隔。联锁控制级为连续式通信列车控制设备故障或者车载ATP故障的降级运行模式，由地面信号系统为列车运行提供全面的联锁防护，司机根据地面信号的显示行车。在联锁控制级，列车占用检测系统为联锁子系统提供轨道列车占用空闲信息，是保障行车的安全设备。

2 方案研究及试验

中低速磁浮列车和轮轨列车不同，没有轮对，是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的列车。由于中低速磁浮列车没有轮对，在轮轨上广泛采用的列车占用检测系统，如轨道电路、轮对安装计轴方式都无法在中低速磁浮列车上应用。

针对中低速磁浮列车的特殊性，本文对中低速磁浮列车占用检测系统进行研究，要求列车占用检测系统要满足故障安全的原则，分别对应答器方式、RFID方式以及计轴方式进行研究，并进行现场试验。

2.1 应答器方式

唐山试验线初期采用基于应答器的列车占用检测系统。车载设备配置双向BTM和天线，地面配置应答器、轨旁LEU设备和室内主机设备，通过改装地面轨旁电子单元LEU，完成车地的双向通信功能。

基于应答器列车占用检测系统的原理：列车BTM通过天线发送固定的能量信号和报文数据，报文数据内容为自定义，包含编号和车头/尾等信息。地面应答器检测到BTM发送的能量和数据后，发送自身数据上车。轨旁LEU检测到BTM发送的数据后，通过轨旁LEU向站内主机发送相关信息，区控中心设备读取该信息后通过逻辑运算判定相关区段为占用或空闲，如图1所示。

该方式已在唐山中低速磁浮试验线初期进行了试验。经过充分分析和讨论，发现系统存在下列主要问题：车载BTM故障或掉电后，车载设备不会向下辐射能量信号，导致地面应答器无法检测到列车通过信息；地面应答器故障时，即使BTM发送能量信号，轨旁LEU设备也无法检测到列车通过信息。因此，作为占用检测设备，该种方式存在故障条件下难以导向安全的问题。

图1 双向应答器列车占用检测原理图

2.2 RFID方式

电子标签RFID方案原理是基于列车通过检测点时阻断标签读取机读取无源标签信息的方式，类似于红外线阻断原理。因电子标签采用无线通信方式，一般的障碍物如树叶、行人等无法阻断设备之间的通信，因此不会对系统造成干扰，故可用性较高。

标签读取机采用基于900 MHz频点的调频方式与标签通信。每个标签读取机能够带4个辐射天线，每个辐射天线离读取机的最大距离为30 m。每个天线的辐射有效角度为45°，标签的读取距离大于10 m。标签读取机能够提供交流供电和以太网接口。RFID在7×24 h的工作条件下没有问题。标签单次刷新后的使用寿命为10年，可以通过再次刷新方式延长寿命。标签读取机在故障时，会停止向外输出心跳信号，符合故障-安全原则。

在唐山现场试验时，在轨道一侧安装1个读取天线，在磁浮列车上安装6个RFID：RFID1～RFID6，在轨道的另一侧安装1个RFID：RFID7。在不同的运行方向和不同运行速度情况下，对RFID方式列车占用检测方案进行试验，如图2所示。

图2 RFID设备列车占用检测原理图

当没有列车通过时，阅读器可以读到对面的标签7，当列车通过时，阅读器可以读到磁浮列车上安装的标签1到标签6。当列车通过后，阅读器又可以读到标签7。

通过以上分析，在列车下行时：通过阅读器读取到标签1、标签7从读取到读不到，可以判断列车进入下一区间；通过阅读器读取到标签6以及读取到标签7，可以判断列车完全进入下一区间，上一区间可以判断出清。列车上行时：通过阅读器读取到标签6、标签7从读取到读不到，可以判断列车进入下一区间；通过阅读器读取到标签1以及读取到标签7，可以判断列车完全进入下一区间，上一区间可以判断出清。同时根据标签1～6的读取顺序，可以判断列车的运行方向。

通过以上试验和分析，说明利用电子标签进行列车占用检测从功能上是可行的，但是还存在一些问题：读卡器提供的以太网接口如何和现有联锁系统衔接、电子标签进行列车占用检查还没有工程化应用的案例；采用该方案需要基于目前产品进行二次开发，涉及的安全功能，也需要考虑系统的安全认证问题。另外，所有该产品的核心设备均为进口产品，存在维护、维修及备件问题。

2.3 计轴方式

在轮轨制式的轨道交通项目中有大量使用计轴设备的案例，在目前的中低速磁浮列车上，尽管没有可以直接使用车轮进行计轴的条件，但可以借助计轴的原理，考虑在磁浮车体加装感应板，利用计轴设备检测列车占用和实现列车完整性检查。

2.3.1 方案

对于磁浮线路而言，将车轮传感器安装在两根间距为1.2 m的钢梁之间，位于两个F轨道（感应板）的内侧，不会侵入车辆的限界范围，安装时传感器与钢梁保持同一水平面，或略高于钢梁而低于F轨道面。另外，基于轮缘检测的方式可以不用基于圆形金属构件，可以基于方形构件。

根据市场调研和现场测量，选用成都铁路通信工厂提供的具有现场大规模使用业绩且稳定生产的R型传感器（对应型号RSR180）。

R型传感器技术特点：磁场强度相对较弱，且发送、接收传感器之间采用较高频率交变磁场（200～250 kHz左右），空间磁场高度集中，且在空间上的单位面积磁场强度减少很快，传感器接收的磁场强度小，因此此型传感器的磁场有效作用范围小，在作用范围内对较小的铁磁性感应体非常敏感，因此其检测能力较强而抗异物干扰的能力很弱，在其作用范围内有效动作面积仅2 500 mm2，在轮轨运用模式下，其磁场有效作用高度距传感器表面40 mm，由于磁场作用范围小，故要求其灵敏度极高。

经过对传感器的安装位置和感应板位置的初步确认和分析，结合车体状况，确定安装方案。初步确定传感器尺寸为90 mm×90 mm×250 mm（宽×高×长），感应板面积200 mm×400 mm（宽×长），整体沿导轨梁呈纵向安装，如图3所示。

图3 R型传感器、感应板安装示意图

2.3.2 现场试验

2010年9月和11月，在唐山中低速磁浮试验线进行了现场试验。本次试验采用的设备为成都厂提供的ACS2000型计轴设备。现场安装共分为以下几个部分。

1）轨旁磁头，如图4所示。

图4 轨旁计轴磁头安装图

2）轨旁计轴设备，如图5所示。

图5 轨旁计轴设备面板图

3）列车感应板，如图6、7所示。

图6 磁悬淳列车感应板安装图

图7 传感器、感应板安装位置示意图

说明：

a：感应板下表面与F轨上表面的垂直距离（落车时）；

b：传感器上表面与F轨上表面的垂直距离；

c：感应板侧面与F轨内侧面的水平距离；

d：传感器侧面与F轨内侧面的水平距离；

f：感应板下表面与传感器上表面的垂直距离（落车时）。

本次试验采用1辆列车，列车首尾部各安装1个感应板，地面安装2套计轴传感器和室内设备。现场试验金属板距离磁头约35～40 mm。现场测试过程中进行了不同速度（3，5，7 ，10，15，20，30，40，50，55，60，65，70 km/h）、以及多个安装参数的试验。分析试验数据，得出以下结论。

1）ACS2000型计轴设备基本能够适应磁悬浮的现场运行条件。

2）从现场安装方案看，在磁悬浮列车上的安装基本能够满足设备的正常指标范围。

3）从试验数据看计轴设备能够正常反映列车的占用和出清状态。

4）对列车低速、中速、高速进行测试，测试结果满足指标要求。

通过对静态指标的测试、动态的波形和工作界面的观察，计轴系统工作正常，外部传感器无明显的干扰。从试验数据来看，证明计轴设备在不同安装情况下对70 km/h及以下车速都能准确的侦测到感应板，对车体悬挂物、磁浮环境（EMC）都有很好的适应性。试验证明在70 km/h以下，计轴设备完全适应磁浮系统需求，通过试验数据分析、以往使用经验及理论计算分析得出技术参数如表1所示。

表1 计轴试验技术参数

3 方案比选

表2对应答器方式、RFID方式、ACS2000型计轴方式进行了对比分析。

表2 方案对比分析表

4 结论

从试验结果对比及工程应用角度分析，推荐采用成都厂ACS2000型计轴设备作为中低速磁悬浮项目列车占用检测系统。

磁浮环境下计轴设备的应用建议如下：

1）计轴磁头应安装在固定轨道梁上，不应安装在移动轨道梁上。

2）计轴磁头尽可能安装在线路的直线段，且安装高度不宜高于轨旁中央现场检修通道。

3）车底感应板的安装应不低于列车前端排障器。

4）当列车没有掉头作业可能性时，则列车每辆车体上至少需要安装2个感应板。感应板的位置与轨旁磁头的位置相对应。

5）当列车有掉头作业可能性时，如果磁头安装在线路中心线上，则列车每辆车体上至少需要安装2个感应板；否则，应至少对称安装4个感应板。

6）对于交叉渡线区段需要联锁提供相应的道岔表示状态，用于计轴设备判断列车占用信息。

7）对于曲线段和大坡度段（尤其是变坡点）需要安装计轴磁头时，应详细核算相关的间距。

从2011年3月起，在唐山中低速磁浮试验线地面安装了4个计轴区段设备，在1列车（2个编组）安装了4块计轴感应板，地面计轴通过轨道继电器和联锁系统接口。

从现场安装使用至今，计轴系统工作正常，作为中低速磁浮列车占用检测系统运用良好，没有出现轴数多计或者少计的情况。

This paper introduces the train occupation detection system for low/medium-speed maglev trains and proposes the application suggestion based on the study and experiment on the different modes of balises， RFID and axle counters.

lower/medium speed maglev train； maglev ATC； train occupancy detection； balise； RFID； axle counter

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.06.003

2014-09-11）