高速磁浮列车测速定位问题综述

孟川舒

(1.国防科技大学智能科学学院,长沙 410073; 2.中国铁道科学研究院集团有限公司,北京 100081)

近年来,我国在磁浮轨道交通领域的发展开始加速,多条中低速磁浮线路建设运营,国家层面规划中也明确提出统筹安排高速磁浮相关工作,磁浮铁路已经从技术研究阶段向工程应用阶段演进。但是,以往研究多集中于技术,在磁浮系统总体层面较多地参考德国、日本等在10～20年前的路线[1],对技术问题特别是交叉应用问题的总体性研究不够充分,不利于我国磁浮相关技术发展以及实际工程应用,加强技术问题的系统性总结分析十分必要。

列车在某一时刻准确可靠的速度、位置信息是保障轨道交通系统正常运行最为关键的条件之一,中低速磁浮已经在国内外实现商业运营,其测速定位技术路径和工程方案已较为明确。相比之下,高速磁浮列车测速定位与运行控制、牵引控制、车地通信、悬浮控制等多个方面紧密相关,对精度、响应时间等指标要求较高,技术难点较多,虽然我国对高速磁浮列车测速定位技术的研究已有20余年,但相关研究基本限于技术本身,缺乏对测速定位相关问题的总体性、系统性研究分析,不利于在后续工程化阶段实现高速磁浮大系统整体最优化。通过系统分析总结了高速磁浮列车测速定位问题和当前研究进展,结合技术发展和工程实际进行了展望,以期为后续研究及工程应用工作提供思路参考。

1 高速磁浮列车测速定位问题概述

从系统工程角度,高速磁浮铁路是一个基于时空关系的复杂巨系统,其中车地时空关系是最为核心的关系,主要用时间、位置/距离、速度等信息来表达,以作为相关子系统的控制决策依据,保障整个系统正常运行。高速磁浮列车测速定位问题的技术本质就是车地时空关系的表达,功能目标是实现车地时空信息的实时获取与交互,重点在于信息层面而不是单纯的测速定位技术研究应用或系统构建,但设计构建安全可靠的测速定位系统、选用合适的测速定位技术是实现测速定位功能目标以及能够工程应用的必要条件。基于车地时空关系,高速磁浮列车测速定位问题具有时空一致性、时空约束性和时空敏感性三方面基本特征。

1.1 时空一致性

时空一致性是指高速磁浮列车和地面系统需要具有统一的时空基准和度量标准,在此前提下,车载测量和地面测量才能在同一时空坐标系下,测速定位才有意义。要满足时空一致性要求,车地间需要实现时间同步和时钟同步,同步的精度会影响测速定位的精度以及数据的可融合度。例如,不同的定位传感器采样频率不同,如果数据不是同步获取,那么不同时刻的位置数据就发生了变化,较难融合。车地间还需要实现空间基准的传递,传递的精度就是列车绝对定位精度,会进一步影响列车相对定位精度。

1.2 时空约束性

时空约束性是指高速磁浮车地之间具有严格的时空唯一性、严格的时序计划和严格的空间约束状态。严格的时空唯一性是指同一安全区间在同一时刻只允许一列车存在,严格的时序计划是指列车依次严格按照计划时刻到达计划位置,这两个方面与列车运行控制紧密相关,对列车准确可靠的测速定位是实现这两个方面的前置条件。严格的空间约束状态包括两个方面,一是指列车的空间绝对位置受限于轨道,轨道的空间一维特性有利于降低列车测速定位难度;二是指列车的运动状态受限,即列车相对于轨道的悬浮活动空间、运动参量受严格约束,车体运动状态(例如“蛇形”)以及相对于轨道的实时速度、位置与悬浮控制、牵引控制的参量调整紧密相关,基于高速磁浮的这些特点,测速定位不应仅从大尺度上将列车作为一个时空质点考虑,而还应考虑基于列车运动状态的小尺度相对时空精密测量,这种整体性考虑在目前的相关研究中涉及较少。

1.3 时空敏感性

时空敏感性是指运控、牵引等系统对列车时空信息及其相关指标敏感,主要体现在测速定位信息的精度、实时性、更新周期等方面,不同系统、不同制式的敏感程度不同。例如,牵引系统需要实时获取直线电机次级的磁极相角信息,相对角分辨率需达到3°,常导制式定子极距为258 mm,换算成空间分辨率为4.3 mm,这对测速定位技术提出了很高要求。而日本超导制式由于极距增大,因此空间分辨率要求相应降低,对技术的要求也随之降低。但是,对运控系统而言,并不需要这么高的空间分辨率,相比之下其更为关注列车绝对位置信息的可信度和可靠度。因此,测速定位问题必须全面、综合考虑各子系统的时空敏感性要求。

2 高速磁浮列车测速定位功能特点分析

与轮轨不同,高速磁浮列车没有车轮,车体悬浮于地面无接触运行,轮轨基于车轮的测速定位方法不能直接移用,并且高速磁浮采用同步直线电机作为牵引,相应的技术要求有较大改变,因此,在技术选用和系统设计时需充分考虑前述基本特征以及具体功能特点的要求。高速磁浮列车测速定位功能主要具有以下特点。

(1)测速定位信息不只与运行控制密切相关,也与牵引控制紧耦合,信息传递的上位系统主要包括运控系统和牵引系统,从信息应用层面还包括车地通信、安全保障等系统[2]。

(2)牵引控制需要实时获取次级(列车)的磁极相角信息,对空间定位精度、测速定位的连续性和测速定位信息传递的实时性要求均较高[3]。

(3)列车采用全自动运行,以地面控制为主,车地间测速定位信息交互的频度较高[4]。

(4)对车地间时空一致性要求较高,特别是时间同步和时钟同步,对通信通道的延时、带宽、可靠性要求较高[5]。

(5)不同制式的牵引结构、轨道结构、车辆结构等均不同,所适用的测速定位技术和测速定位系统架构也各不相同[6-7]。

3 研究进展

3.1 技术研究

按照是相对于大地获取列车位置数据还是相对于绝对位置点测量时空尺度变化来划分,测速定位技术可分为绝对型和相对型[8-9]。绝对型只有测量误差而没有误差累积,相对型误差可以累积,因而必须依靠绝对定位来修正,因此在实际应用中,这两个类型的技术必须搭配组合应用。目前高速磁浮列车测速定位技术研究中,相对型技术主要包括感应环线技术、齿槽检测技术、车载多普勒雷达技术,绝对型技术主要包括脉宽编码检测技术、射频应答器技术、卫星导航技术、光纤测量技术[10]。

3.1.1 感应环线技术

感应环线技术的基本原理是:在地面沿轨道方向将电缆以等距重复环形结构的方式绕设,同时在车底安装线圈,当车载线圈或地面环线通以激励交变电流时,另一方回路就会产生感应电动势,列车运动会使车地回路的相对位置发生变化,回路重叠有效面积的变化带来感应电动势的变化,车地回路重叠时感应电动势最大,列车线圈回路中心位于地面两个相邻回路交点上方时感应电动势最小,进一步通过信号特征提取就可以判断车地相对位置变化情况,实现测速定位[11]。根据电缆是否交叉可分为交叉感应环线或非交叉感应环线,同时根据激励源位置分为车载激励和地面激励,目前研究以车载激励的交叉感应环线测速定位技术居多,如图1所示。

图1 交叉感应环线技术示意Fig.1 Cross inductive loop

感应环线技术能够连续测速定位,并可进行车地通信,实现通信定位一体化。同时,其具有较好的灵活性和适应性,回路尺寸可根据工程需求灵活设计,适用于各种磁浮制式,也能够适应较为恶劣的环境。但其缺点是需要布置大量轨旁设备,且道岔处需特殊处理,工程造价和后期维护成本较高。最先将感应环线技术用于磁浮系统的是日本,名古屋和山梨县试验线均有所应用。国内北京全路通信信号研究设计院、国防科技大学、西南交通大学等单位均对感应环线技术开展了持续研究和试验,但暂未有工程化应用。相关研究重点主要在优化环线、线圈结构设计以及信号处理方面,目的都是提高定位精度和抗干扰能力。宋香磊[12]提出了多路接收信号叠加和信号解调采样查表的两种信号处理方法,可以提高测速定位精度。谭磊[13]对环线系统接收端信号进行了噪声分析,提出了粒子滤波算法,用以抑制信号干扰。任愈等[14]基于简单交叉环线定位系统原理建立了一种连续测速定位测试模型,使速度作为一个状态变量在计算过程中连续输出,提高了测速精度。

3.1.2 齿槽检测技术

常导制式高速磁浮所用同步直线电机的长定子具有尺寸固定的齿槽结构,定子铁心由硅钢片压制而成,车载检测线圈在齿或槽上的等效电感不同,列车移动时通过测量电感变化可以确定线圈相对于齿槽的位置,再利用计数累积以及齿槽的固定尺寸,即可实现测速定位,如图2所示。

图2 齿槽检测技术示意Fig.2 Teeth-slot detection

齿槽检测技术是车载检测,地面没有设备,具有测量精度高、可靠性高、维护相对简单、造价相对较低的特点。但因为实心长定子齿槽结构是常导制式特有结构,所以齿槽检测技术只能适用于常导制式。齿槽检测技术已应用于上海磁浮线,国内外对此技术研究较为广泛,主要集中在如何降低定子、轨道梁接缝以及悬浮间隙波动对信号的影响方面,信号畸变会导致牵引设备过流或过压保护甚至烧毁。针对接缝的影响,戴春辉[15]、李璐[16]、吴峻等[3]等思路都是设计一种自适应预测滤波器,通过预测方法将预测值与实际检测值进行比较,判断检测信号是否产生畸变,并以此为依据切换不同路传感器的信号,以消除因信号畸变带来的不良影响;窦峰山等[17]采用一种新型全程快速跟踪微分器对相角信号进行滤波,能够有效解决传感器过小接缝的信号畸变问题,同时对相角信号进行预测,能够准确判断出过大接缝时传感器的故障,实现双传感器的切换,解决过大接缝的信号畸变问题。针对悬浮间隙波动的影响,吴峻等[3]提出了利用悬浮间隙归一化处理相对位置检测信号的方法,使输出统一变换为8 mm悬浮间隙下的信号,能够满足磁极相角检测精度要求。

3.1.3 车载多普勒雷达技术

在车上安装多普勒雷达,可利用多普勒频移效应测量列车相对于轨道的速度,计算相对定位。多普勒雷达技术成熟,造价相对较低,目前的主要问题是精度有限,特别是低速情况下误差较大。此外,振动、降水、接缝等外部因素也会造成测量误差[18]。

3.1.4 脉宽编码感应技术

脉宽编码技术的原理是在轨道内测沿轨向安装金属材质的无源位置标志板,标志板上按一定规则刻有窄缝,在车上安装U形阅读器,U形立面上一侧装有发射线圈,另一侧装有接收线圈,列车运动时标志板从U形车载阅读器中间通过,可以通过电磁波的接收情况识别出窄缝,根据窄缝位置能够确定其所代表的数字是0还是1,经过全部窄缝后就获取了一个二进制编码,代表本块标志板所在的绝对位置,实现定位,如图3所示。

图3 脉宽编码感应技术示意Fig.3 Pulse width coding

脉宽编码感应技术是与齿槽检测技术相组合的绝对定位技术,已应用于上海磁浮线。脉宽编码感应技术的难点在于列车读码时间极短,车体运行中有振动和姿态变化,并且阅读器周边电磁环境复杂,这些因素都对正确、可靠读码提出了较高要求。薛松等[19]从工程化角度较为全面地介绍了采用脉宽编码感应技术的定位传感器,建立了传感器的电磁学模型,并针对传感器的抗电磁干扰、抗机械扰动以及实时性等问题,给出了传感器完整的工程化设计方案。

3.1.5 射频应答器技术

射频应答器技术已在高速轮轨领域广泛应用[20],其基本原理是在地面布设应答器,应答器中预先存储位置、线路参数等信息,当列车经过时,车载阅读器发射电磁波,受到激励的地面应答器启动并将信息传给车载阅读器,完成定位信息传递。射频应答器技术本质上是一种信息交换技术,而不是速度位置测量,原理决定了其实现测速定位具有相对较大的响应延时,精度也有限,在高速磁浮的速度等级下能否适用还有待验证。与脉宽编码感应技术相比,其地面设备成本高,优点是如果地面采用有源应答器,即可以实现车地通信。

3.1.6 卫星导航技术

卫星导航技术是一种普适性技术,已在轮轨领域有较为广泛的应用。卫星导航技术的主要优点是设备简单、测量精度相对较高,能够同时实现测速、定位和授时;不足之处是在隧道等卫星信号遮蔽区域不可用,并且卫星导航系统较为脆弱,易受到外部干扰而产生误差增大的漂移现象,甚至完全不可用。因此,卫星导航技术通常与惯导等其他技术组合使用,以增强系统的鲁棒性和可靠性[21]。对于可靠性要求很高的高速磁浮来讲,其可作为辅助测速定位手段。

3.1.7 光纤测量技术

武汉理工大学童杏林团队提出了一种基于阵列光栅的高速磁悬浮列车测速定位方法[22],基本原理是沿轨道布设一种线型传感光纤光栅阵列,其由一定间隔的两个波长不同低反射率光纤布拉格光栅构成,每个光栅处分别装有微型永磁铁,在列车前端底部安装一个永磁铁,列车运动时车地磁铁相互作用,光栅处产生应变,其中心波长会发生一定漂移,通过信号采集系统对其应变信号进行实时采集,经过相关信号调理电路的处理,能够实时在线测得列车的运行速度及位置。光纤测量技术也曾在轮轨领域进行过研究试验,但暂未见应用。其优点是响应速度快,抗电磁干扰性能好;缺点是需要在地面长距离敷设光纤及设备,并且利用磁力作用产生形变的方式易受外界条件及磁性变化影响,相关研究还有待深入开展。

此外,像牵引系统自身利用反电动势观测的次级速度位置估算方法也可提供列车测速定位信息,但这种方法在低速时无法使用,只能作为辅助手段。

3.2 其他研究

除具体技术研究,王峰超等[23]针对高速磁浮列车定位测速系统可靠性提升问题,对其组成部件可靠性与系统可靠性之间的关系进行了研究;王新伟[24]针对高速磁浮列车定位测速系统的状态检测和故障诊断问题提出了解决方案;王菡[25]则针对测速定位信息在传输速率、实时性和可靠性方面的高要求,对高速磁浮列车测速定位系统的内部通信网络进行了较为系统的分析。总体看来,目前研究绝大多数集中于技术,对系统层面和信息层面的研究较少。

4 发展与展望

4.1 技术层面

近年来,传感器技术、光电技术、导航技术快速发展,可实现测速定位工程应用的技术选项更为广泛,以下几个方向值得关注。

4.1.1 雷达技术

雷达技术发展已久,先天就是为测速定位而生的,以往在轨道交通领域的应用主要是利用多普勒雷达进行列车测速,受技术水平和技术原理影响,具有较大局限性。随着先进雷达技术民用化的发展,轨道交通领域应用也会有所改变和创新。对高速磁浮而言,一是车载多普勒雷达测速精度会不断提升,能够满足高精度测速需要;二是利用不同原理的毫米波雷达、激光雷达也会有所应用,在测速的同时也能够实现高精度测距定位;三是随着雷达通信一体化技术[26]的发展,非常适合高速磁浮应用,目前高速磁浮车地通信采用的是毫米波通信,适合与毫米波雷达结合实现雷达通信一体化,既能实现站址、天线等复用,不增加轨旁设施,又能够实现地对车连续高精度绝对测速定位,不用经过车地通信,减少列车时空信息传递时延,进一步提高实时性,如图4所示。

图4 雷达通信一体化示意Fig.4 Radar-communication integration

4.1.2 通感一体化技术

通感一体化技术是指在通信的同时能够同步实现目标的识别感知。6G是通感一体化技术的代表[27],是移动通信、感知能力和算力的融合体,如果6G的技术愿景实现,那么对高速磁浮来讲应用价值很大,不仅能够在实现车地通信的同时也实现列车测速定位,而且还能够实现车辆、轨道状态等多维度的信息感知,极大提高信息处理和利用效率,更好地保障运营安全。雷达通信一体化技术也是通感一体化技术的一种。

4.1.3 基于惯导的组合测速定位技术

惯性导航自主性高、抗干扰能力强,其最大的问题在于误差随时间累积,需要外部信息校正,因此,多数应用都是基于惯导的组合导航。惯导应用于高速磁浮列车测速定位,可归结为已知轨迹(轨道)约束下的一维位置推算问题,惯导在短时短距内可以做到连续高精度测速定位,因此,只要每隔合适距离就利用卫导、固定标志、轨道特征等方法进行高精度绝对位置校正,就可以实现整个运行过程的测速定位[28]。近年来,微机电系统(MEMS)快速发展,惯性传感器性能不断提升,体积、成本不断减小,其应用形态已经发生巨大改变,基于惯导的组合测速定位技术有很大的研究和应用价值。

4.1.4 摄像测量技术

摄像测量学是摄影测量学、计算机视觉、光学测量、数字图像处理分析等学科交叉融合形成的新兴交叉学科,在对各种运动、变化过程参数进行测量方面,摄像测量方法具有精度高、自动化、非接触、动态测量、实时测量、易于实施等特点[29]。胡冬波等[30]给出了一种工业用直线电机动子定位方法,即基于摄像测量技术。高速磁浮可视作大尺度直线电机,可以通过高速摄像机实时获取轨道特征信息或定位标志信息,根据像素点变化提取计算不同时间的空间变化信息,实现测速定位。但摄像测量技术属于光学测量范畴,易受到光线、遮挡等影响,也存在计算量偏大的问题,如果高动态高精度连续测量,对算力会有较高要求,因此,在如何与其他技术互补组合实现测速定位方面值得深入研究。

4.2 系统层面

我国高速磁浮正进入工程试验阶段,各个系统围绕工程化及工程试验的研究工作将成为新的热点。对高速磁浮列车测速定位系统而言,以工程化为目标的系统研究、设计和优化还需深入进行。

(1)需要随着技术发展对多种技术组合持续研究和试验,综合选定系统技术路线。例如,德国设计的“齿槽检测+定位标志板”组合已在上海磁浮线稳定运行了20年,这种路线巧妙地利用了长定子轨道结构特征,系统相对较为精简、工程成本相对较低,但不能因为这种路线成熟就排除其他技术路线,新技术的发展必然带来工程上的创新。此外,常导制式的悬浮控制系统本身就带有测速定位能力,悬浮控制和测速定位能否一体化结合也值得研究和验证。同样,对于超导制式,日本最初采用了感应环线技术,但该技术轨旁设备较多、成本较高是不可忽视的工程问题,近年来日本已开始优化工程方案,同时研究试验新的技术路线,日本的转变值得思考和研究[31]。

(2)目前对高速磁浮列车测速定位系统相关指标的系统性研究较少,更缺乏较为完整的系统评价方法,不利于工程化及后续工程试验的开展。因此,需要从功能、性能、可靠性、安全性、可维护性等维度全面梳理测速定位系统指标项点及其定性定量要求,构建指标体系,研究评价方法,为系统设计和工程试验形成指导依据。

(3)高速磁浮各子系统对测速定位、时空基准等信息具有较强的共享交互需求,目前相关系统间只是点对点接口通信,无法支持多系统间的时空信息共享,如何进行系统优化需要后续深入研究。图5提出一种参考性的架构展望,基本思想是延伸测速定位系统范畴,基于时空敏感网络构建时空数据总线,将单点数据接口统一为标准数据通信协议,兼顾信息交互的实时性和共享需求。

图5 测速定位系统参考架构示意Fig.5 A Reference architecture of speed measurement and positioning system

5 结语

本文对高速磁浮列车测速定位问题进行了系统性综述。高速磁浮列车测速定位问题本质上是车地时空关系表达问题,其功能目标是实现车地时空信息的实时获取与交互,高速磁浮列车测速定位重点在于信息层面,而不是单纯的测速定位技术研究应用或系统构建。高速磁浮列车测速定位具有三方面基本特征和五方面具体特点,技术选用和系统设计时需充分考虑。目前研究多集中于技术,对系统层面和信息层面的研究较少,应及时跟踪关注技术进展,持续对多种技术组合进行研究和试验。以工程化为目标的系统研究及优化还需深入进行,并应构建测速定位技术指标体系和评价方法。针对目前的系统架构下不能充分支持时空信息共享的问题,给出了一种总线架构参考。