中低速磁浮交通运行控制系统车地双向通信设备的研究

孙吉良

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

为适应中低速磁浮交通列车与轨道无接触运行的特点，其运行控制系统应采用基于通信的列车自动控制系统（CBTC）。中低速磁浮交通属中运量轨道交通，其运行控制系统（MATC）应由列车自动运行（ATO）、列车自动防护（ATP）、列车自动监控（ATS）和计算机联锁（CBI）4个子系统组成。其ATP子系统的车地双向通信设备（TWC）的场强覆盖可采用交叉环线、自由空间波、漏缆、裂缝波导管等方式。但因对称交叉感应环线具有抗干扰性能强，适合在复杂电磁环境中应用且同时具有绝对定位和相对位置校正的明显技术特点，所以MATC系统的车地双向通信信息传递宜采用对称交叉感应环线方式。

2 车地双向通信设备工作频段

中低速磁浮列车将轮轨制列车的支承、驱动和导向所依赖的钢轨与车轮之间的支撑力和摩擦力，全部由电磁力取代，从而实现了无接触、无摩擦、无磨损运行。为构建MATC系统，必须研究并测量磁浮列车各种工况下的电磁环境，合理选择车地双向通信设备的工作频段。

中低速磁浮列车车外电场测量：车外30 kHz～30 MHz电场最大值约为1 V/m，与背景场相比无明显差别。

中低速磁浮列车车外磁场测量：5 Hz～32 kHz交流磁场，距离轨道5 m以外不超过1.5 μT。30 kHz ～ 30 MHz 交流磁场，最大有效值在25 nT左右，与背景场相比无明显差别。直流磁场，距离轨道距离大于1 m后直流磁场趋于地磁场水平；列车悬浮后距车1 m的站台处的直流磁场不超过74 μT，与车距离大于3 m处的直流磁场约为40 μT，趋于地磁场水平。

中低速磁浮列车车外电磁场测试的各项测量数据均低于国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）电磁辐射公众标准限值（1998）推荐的标准要求，其对运行控制系统工作频段的选择无特殊要求。

车地双向通信选择通信载波频率时，应综合考虑传输距离与通信码率两个方面。载波频率太高会增加线路阻抗，不利于长距离传输；载波频率太低会降低通信波特率，同时会引入低频干扰。经理论分析与实验检验，ATP子系统车地双向通信设备的工作频段可选择在20 ～100 kHz之间，实际选择在30～60 kHz之间，即车载发送地面接收的载波率选择为54.55±0.4 kHz，地面发送车载接收的载波频率选择为 35.8±0.4 kHz。

3 对称交叉感应环线抗电磁干扰性能分析

电磁干扰（EMI）是指外部噪声和电磁波在接收设备中所造成的骚扰。电气、电子设备工作时所产生的电磁波，容易对周围的其他电气、电子设备形成电磁干扰，影响信号的传输。现代电气、电子设备的大量应用，使电磁波无处不在，无时不有。电气、电子设备对于其他电气、电子设备而言都是潜在的干扰源。

电磁干扰按传输方式不同可以分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰为沿着导体传输的电磁干扰，辐射干扰为由部件、天线、电缆、连接线或自然界辐射产生的电磁干扰。电气、电子设备之间发生干扰通常包含着许多途径的耦合，正因为多种途径的耦合同时存在，反复交叉，共同产生干扰，才使得电磁干扰变得难以控制。

对称交叉感应环线中，传导干扰和传输信号与辐射干扰相比很小，且可以通过屏蔽、隔离、滤波等技术措施减少其影响，故分析交叉感应环线时，只考虑辐射干扰的影响。

交叉感应环线通信系统受电磁干扰程度可以表示为以下关系式：

N=G×C/S

其中：

G：噪声源强度；

C：噪声通过某种途径传到受干扰处的耦合因素；

S：受干扰电路的敏感程度。

对交叉感应环线通信系统，G是难以改变的，S由电路决定，主要研究C。

辐射干扰主要是外界电磁环境包含磁浮列车上的电磁设备产生的杂散电磁波。由于交叉感应环线横纵向均对称分布，磁浮列车两侧的悬浮控制器和直线电机横纵向均对称分布，故可认为外界电磁波均匀照射在交叉感应环线上，外界辐射在感应环线中心线两侧产生的感应电势方向相反。所以对称交叉感应环线始终端接口处均可实现干扰总电势近似为零。

4 对称交叉感应环线车地双向通信系统构成

对称交叉感应环线车地双向通信设备由地面和车载两部分设备组成，如图1所示。

其地面设备通过室外电缆连接室内和室外两部分设备，室内的发送设备和接收设备通过双路通信总线与区域控制中心通信，实时获取控制中心的运行控制信息；室外对称交叉感应环线与始端匹配单元和终端匹配单元连接，并形成谐振环境，同时实现地对车信号的发送和车对地信号的接收；对称交叉感应环线每隔一定距离（如30 m）应交叉一次，其边界可用于确定磁浮列车的绝对定位，其交叉点，可用于实现磁浮列车相对位置校正。其车载设备由发送、接收、交叉点提取设备及发送和接收天线组成。车载发送和接收设备通过通信总线与车载ATP主机和车载ATO主机实时通信；车载设备通过发送天线向对称交叉感应环线发送信号，通过接收天线接收对称交叉感应环线信号，实现车载设备和轨旁设备的实时双向通信功能。

5 对称交叉感应环线车地双向通信关键设备

对称交叉感应环线车地双向通信关键设备主要包括地面和车载的发送、接收、对称交叉感应环线和环线检测滤波及天线等部分。对称交叉感应环线作为车地双向通信仅有的物理通道，应同时实现地对车信号和车对地信号的双向传递。为避免同频干扰，应制定特殊的调度机制控制车载发送天线向对称交叉感应环线发送车对地信号的发送时机，避免车载设备的2套发送天线同时向对称交叉感应环线发送信号。

5.1 地面和车载的发送设备

地面发送设备的结构如图2所示，其接口包括与区域控制中心连接的通信总线接口和模拟FSK信号输出接口。发送设备按照规定协议与区域控制中心设备进行通信，当发送设备完整接收区域控制中心的控制信息后，其CPU1对双套CPU收到的信息进行一致性比较。如果比较结果一致，则允许FSK信号发送给功率放大器，功率放大器连接输出隔离变压器，即通过隔离变压器对FSK信号隔离输出。

车载发送设备的结构与地面发送设备的结构相同。

5.2 地面和车载接收设备

地面接收设备的结构如图3所示，其接口包括模拟FSK信号输入接口和通信总线输出接口。接收设备依次经变压器隔离、滤波、解调和双套CPU至通信总线输出。双套CPU同时解调FSK信息，并将解调出的有效FSK信息码进行一致性比较，如果比较一致，则允许通过通信总线向区域控制中心设备发送。

车载接收设备的结构与地面接收设备的结构相同。

5.3 车载天线

车载天线包括列车发送地面接收时的发送天线和地面发送列车接收时的接收天线。对发送天线，为使发送天线发送的信号尽量大，其天线中的电流应尽量大，故发送天线应采用串联谐振方式输出；对接收天线，为使接收天线接收的信号尽量大，其天线输出端的电压应尽量大，故接收天线应采用并联谐振方式输入。

5.4 地面交叉感应环线检测滤波设备

地面环线检测滤波设备的结构如图4所示，包括环线检测、耦合变压器和滤波3个模块。

其主要功能是将FSK信号送达对称交叉感应环线的同时，再将从对称交叉感应环线接收到的车对地信息经过滤波后送达地面接收设备，且送达的同时完成环线完整状态检测。

5.5 地面交叉感应环线匹配连接

交叉感应环线始端和终端的匹配连接结构如图5所示。地面发送列车接收的信号从馈电电缆输入，经过始端匹配的L1后通过交叉感应环线，最终送达终端匹配的R3和R4，由于L1与C1到C6是在车载发送地面接收的载频处谐振，因此对于地面发送车载接收的载频则呈高阻；车载发送地面接收的信号被交叉感应环线感应后在始端和终端匹配的环路谐振，通过始端匹配的L1传送到馈电电缆，最终送达室内设备。

6 对称交叉感应环线车地双向通信设备安装设计

车地双向对称交叉感应环线通信设备的主要功能是实现车地双向实时通信，并通过对称交叉感应环线的特殊安装和车载天线的特殊安装，实现磁浮列车的绝对定位和相对位置校正。

6.1 地面对称交叉感应环线安装设计

地面对称交叉感应环线沿F轨中心线对称安装，如图6所示。图中标号1为交叉点、标号2为F轨中心线、标号3为环线匹配盒、标号6为环线边界。每一环线内的交叉点的间距应保持一致，且经交叉点分隔出的交叉感应环线区段应为偶数，以尽量降低安装误差可能造成的外界干扰信号对TWC设备工作的影响。若区域控制中心设备与车载设备的轮询信息传输周期以0.285 s计，则车载设备在一个交叉内连续收到2帧轮询帧的时间为0.57 s，连续收到3帧轮询帧的时间为0.855 s，当磁浮列车的区间最高运行速度设计为150 km/h时，其环线交叉点间可选择的最短间距为24～36 m；在站台区段，当磁浮列车站台最高运行速度设计为40 km/h时，环线交叉点间可选择的最短间距为6.5～ 9.5 m。

6.2 车载天线安装设计

车载天线的安装位置设计如图7所示，图中两套发送天线和两套接收天线采取了交叉安装的特殊设计。R1、R2分别表示两套接收天线，T1、T2分别表示两套发送天线，箭头所示方向为列车运行方向，当磁浮列车通过交叉点或环线边界时，应保证R1或R2至少一套能够完整接收呼叫应答帧信息。若呼叫应答每帧时间设计为70 ms，磁浮列车的区间最高运行速度设计为150 km/h，则R1与R2的间距应大于 2.92 m。

7 磁浮列车的绝对定位与相对位置校正

磁浮列车的绝对定位主要通过识别车载接收设备接收到的信息中环线标识（ID）编号实现；相对位置校正，主要通过交叉点提取设备识别过交叉点时两路接收天线接收到信号的不同相位实现。

7.1 车载交叉点提取设备

对称交叉感应环线交叉点提取设备结构如图8所示，R1、R2两路接收天线将接收到的交叉感应环线信号经隔离、滤波后分别输入交叉点提取设备。交叉点提取设备的主要功能是对来自R1、R2两路接收天线信号的相位进行判决。当R1、R2两路接收天线之间存在交叉点时，R1、R2两路接收天线接收到信号的相位应互为反相，可处理为高电平；当R1、R2两路接收天线之间无交叉点时，R1、R2两路接收天线接收到信号的相位应为同相，可处理为低电平。即特殊安装R1、R2两套接收天线，当磁浮列车经过交叉点时，交叉点提取设备应输出一高电平信号，其高电平可表示列车通过交叉点。

7.2 绝对定位

对称交叉感应环线地面设备向车载设备发送的轮询信息帧中包含有该环线在全线中唯一的ID号，该ID号可用于区分线路上不同的环线区段。当接收天线R1、R2跨过环线边界时，车载接收设备解调的信息码中就具有不同的且符合预定逻辑的环线ID号，根据该不同的ID号可判断磁浮列车通过环线边界。通过交叉感应环线边界信息可向ATP和ATO子系统及设备提供磁浮列车在线路中的绝对位置。

7.3 相对位置校正

交叉点提取设备输出的实时交叉点信号如图9所示，上升沿表示接收天线R1通过交叉点，下降沿表示接收天线R2通过交叉点，即每输出一高电平表明列车经过一个交叉点。t1为列车通过R1至R2间距离的时间，t2为列车通过一个环线交叉区段的时间。磁浮线路上每一对称交叉感应环线的长度、交叉距离和交叉点数是预先设计且固定不变的，车载ATP和ATO设备可利用交叉点计数值，核算列车在线路中的实际位置，其精度是对称交叉感应环线的一个交叉区段。车载设备可将交叉点计数值通过发送天线送达地面区域控制中心，区域控制中心即可根据交叉点数值确定磁浮列车在线路中相对环线边界的实时位置。

相对位置校正的技术关键在于为磁浮列车消除距离测量累积误差。磁浮列车的距离测量可通过安装于车辆转向架上的6路纵向等间距磁感应传感器实现。磁浮列车运行中，磁感应传感器顺序通过轨枕，并产生脉冲信号输出，相邻的两路脉冲信号对应着相邻两路磁感应传感器的固定安装间距，即通过磁感应传感器输出脉冲的计数值，可得磁浮列车相对位置校正后的精确位移，该精确位移量的获取又称磁浮列车距离测量，位移量的最大值应为交叉感应环线相邻两交叉点间的距离，相对位置校正使磁浮列车距离测量的累积误差得以消除。6路纵向等间距磁感应传感器提供磁浮列车距离测量的同时，还可提供磁浮列车的运行方向和运行速度测量。

8 车载发送天线的调度机制

对称交叉感应环线作为磁浮列车车地双向通信仅有的物理通道，同时承载着ATP系统地对车信号和车对地信号的传递，为保证磁浮列车通过环线交叉点或环线边界时车对地通信信息的连续性，特设置两路发送天线通道，分时向对称交叉感应环线发送车对地信号。

磁浮列车通过环线交叉点时车载发送天线的分时调度机制如图1和图7所示。若初始状态采用发送天线T2向环线发送车对地信息，当R1通过交叉点时，交叉点提取板输出一高电平，此时因T1安装于R1的前方，故可确认T1已通过交叉点，接收设备1可通知发送设备1通过发送天线T1向对称交叉感应环线发送信号；当R2通过交叉点，交叉点提取板输出一低电平，此时因T2安装于R2的前方，故可确认T2已通过交叉点，接收设备2可通知发送设备2通过发送天线T2向对称交叉感应环线发送信号。

磁浮列车通过环线边界时车载发送天线的分时调度机制如图1和图7所示。当磁浮列车通过环线边界时，因R1安装于R2的前方，R1先通过边界，接收设备1可检测到交叉感应环线ID号发生了变化，接收设备1可通知发送设备1通过发送天线T1向对称交叉感应环线发送信号；当R2通过环线边界，接收设备2可检测到交叉感应环线ID号发生了变化，接收设备2可通知发送设备2通过发送天线T2向对称交叉感应环线发送信号。

9 唐山现场应用

对称交叉感应环线车地双向通信设备作为“十一五”国家科技支撑计划重点课题“中低速磁浮交通技术及工程化应用研究”（课题编号：2006BAG02B05）的子课题“基于交叉感应环线的移动闭塞系统及列车运行控制技术研究”的配套设备，2009年应用于唐山1.5 km中低速磁浮交通运行试验示范线，并于2010年3月在北京通过住房和城乡建设部建筑节能与科技司的验收专家组验收，专家组验收意见为：“运行控制系统采用基于交叉感应环线的移动闭塞系统，提出了交叉感应环线和磁感应轨枕相结合的测速定位技术，解决了磁浮列车与轨道非接触的特殊定位测速问题，实现了车地双向通信、列车自动防护、列车自动运行等功能”。

对称交叉感应环线车地双向通信设备具有抗干扰性能强、适合在各种复杂电磁环境中应用的明显技术特点。唐山运行试验示范线的运行试验证明，对称交叉感应环线车地双向通信设备将依其高可靠性和高可用性应用于中低速磁浮交通运行控制系统工程。