一種新型的磁浮列車測速定位系統模型設計

戴熙昌 喻文沖

摘 要：現有磁浮列車測速定位系統所采用的技術比較單一，測速定位系統的可靠性不足，不能更好地滿足各種運行環境的要求。通過分析現有磁浮列車測速定位技術的優缺點，提出了一種新型測速定位系統模型，系統模型以傳感器定位技術、多普勒雷達定位技術、查詢應答器定位技術為基礎，通過組合邏輯對系統數據進行優化。系統模型較現有技術具有高精度、高可靠性、易工程化等優點，同時采用安全性軟件開發工具SCADE對系統模型進行建模及形式化驗證，驗證結果表明系統模型滿足設計要求。

關鍵詞：磁浮列車;測速定位系統;傳感器定位技術;多普勒雷達定位技術;查詢應答器定位技術;SCADE;形式化驗證

中圖分類號：TP391.4文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-04

0 引 言

相對于傳統列車，磁浮列車具有顯著優勢，是未來軌道裝備的發展方向。測速定位系統是列車的核心子系統之一，對于列車安全高效的運行具有舉足輕重的作用[1]。

SCADE是一種面向實時嵌入式系統的高安全性應用開發環境，具有開發周期短、成本低、風險小、效率高的優勢，被廣泛應用在諸多領域[2]。現有的測速定位系統多采用傳統技術，不能有效滿足磁浮列車的應用工況，為此設計一種新型磁浮列車測速定位系統模型非常必要。

1 既有測速定位技術

磁浮列車的運行原理與傳統列車不同，既有的測速定位方法具有諸多不足[3]。既有磁浮測速定位方法見表1所列。

現有的磁浮列車測速定位系統絕大多數采用表1中的一到兩種技術，并且技術間相互獨立未進行優化組合，導致系統的可靠性無法達到理想標準。為了更好地滿足磁浮列車的運行環境要求，系統模型以傳感器計數定位技術、多普勒雷達定位技術、查詢應答器定位為基礎，通過優化組合使系統提供更精確的列車位置信息。

1.1 傳感器計數測速定位

傳感器計數法測速定位技術具有方法簡單、成本低、易實現等優點，是當前的一種主流技術，工作原理：將一組傳感器（一般4個傳感器為一組）呈直線狀安裝在車體底部，傳感器間的距離為一定值L（一般為300 mm）。通過同一軌枕時傳感器組會產生一組具有一定相位差的脈沖，根據相位差可以計算出列車的位置信息[4]。

脈沖波形如圖1所示，列車位置計算見式（1）、式（2）。

1.2 查詢應答器定位

查詢應答器定位技術精度較高，無法進行連續測量，常用于列車的位置校正[5]。系統模型以應答器作為輔助設施，修正系統模型產生的誤差。

1.3 多普勒雷達測速定位

多普勒雷達的測量結果不受列車運行狀態的影響，其值近似于列車的實際速度[6]。在系統模型中，多普勒雷達與傳感器相互冗余，可以大大增強系統模型的健壯性。

2 基于SCADE的測速定位系統模型設計

系統模型的工作原理：在列車運行過程中，系統通過傳感器計數方法、多普勒雷達獲得列車運行的速度、加速度及位置信息，通過組合邏輯對兩者的信息進行綜合優化進而獲得列車位置信息，同時通過應答器進行絕對校正。優化組合邏輯見表2所列。

系統模型的工作流程如圖2所示，傳感器計數模塊與雷達模塊先將采集信息進行處理，之后將處理結果進行優化組合獲得列車的位置信息。

相較于現有測速定位技術，系統模型具有以下優點。

（1）高精度：根據磁浮列車的實際運行工況，通過調整優化組合參數規避不利工況對系統精度的影響，例如當振動對系統精度影響較大時，可以提高雷達模塊的加權系數，反之提高傳感器計數模塊的加權系數。同時采用應答器查詢技術對系統的誤差進行絕對校正，極大地提升了系統精度。

（2）高可靠性：雷達模塊與傳感器計數模塊可以互為冗余，可大大提高系統的可靠性。

（3）易工程化：傳感器計數定位技術、查詢應答器定位技術均易工程化。

2.1 傳感器計數測速模型

根據傳感器組經過同一軌枕時相鄰方波的時間間隔來計算列車的速度、走行距離和加速度[7]。速度計算模型如圖3所示。

圖3中in_PluseTime1，in_PluseTime2，in_PluseTime3，in_PluseTime4為傳感器1～4經過同一軌枕時產生的脈沖的時間;c_SensorInterval為傳感器間距;c_SensorCoff為常數;c_MaxSpeed為列車最大加速度;out_TrainSpeed與out_TrainFlag分別為列車速度與列車速度標志。

2.2 多普勒雷達測速模型

多普勒雷達測速定位模型以多普勒雷達為基礎，以采集到的列車速度作為輸入參數計算列車的運行狀態信息，如加速度、走行距離等[8]。由于多普勒雷達可以直接給出速度信息，故模型中無需設計速度計算模塊，只需將多普勒雷達的測速數據進行相應轉換即可。

2.3 距離校正模型

列車在運行過程中會在固定距離進行一次列車走行距離校正，可以將走行距離累計誤差清零[9]。距離校正模型如圖4所示。

當檢測到距離校正信號in_BaliseAction有效時，out_TrainDistance輸出校正距離，距離誤差out_Train DistanceError清零，從而保證系統的定位精度。

2.4 列車速度組合優化模型

模型設計如圖5～圖7所示。其中in_SensorSpeed，in_RadarSpeed分別為傳感器測量速度、雷達測量速度;in_SensorFlag，in_RadarFlag，in_Coff分別為傳感器速度有效標志、雷達速度有效標志、加權系數;out_TrainSpeed，out_SpeedFlag分別為列車速度、速度有效標志。

2.5 列車加速度計算模型

加速度計算模型如圖8所示。其中m_LastTrainSpeed，m_ThisTrainSpeed，m_CycleTime，out_TrainAcc分別為列車上周期速度、列車本周期速度、運行周期、本周期列車加速度。

2.6 列車運行距離計算模塊

列車本周期走行距離計算模型如圖9所示。其中in_CycleTime，in_ThisTrainSpeed，in_ModeErrRate，in_LastTrainDisErr分別為周期運行時間、本周期列車運行速度、系統誤差系數、上周期累計走行距離誤差;out_TrainDis，out_TrainDisErr分別為列車本周期走行距離、累計距離誤差。

3 模型驗證

形式化驗證通過嚴格的數學邏輯驗證軟件的安全性，可以在設計初期及時發現軟件的設計缺陷，有效提高軟件的開發效率[9]。IEEE1474標準中規定，城市軌道交通定位誤差不能超過10 m。據此設計了圖10所示的安全驗證模型，如果在距離校正范圍（包括校正點）內，列車的誤差距離大于10 m，則輸出列車丟失信號。

圖10中，in_TrianDistanceError為列車累計走行誤差;c_TrainLoseDistance為列車定位最大誤差（10 m）;out_TrainLoseSig為列車丟失標志。

形式化驗證結果如圖11所示，模型完全滿足安全性要求。

4 結 語

系統模型通過組合邏輯對采集到的列車速度及位置信息進行優化，極大地增強了系統的環境適應能力，通過SCADE形式化認證表明模型具有較高的安全性和可靠性。

參 考 文 獻

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[6]王禹，潘明軍，嚴俊.基于SCADE模型驅動的軟件集成設計[J].航空電子技術，2013，44（3）：26-30.

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