中低速磁懸浮TWC環線動態建模與仿真研究

吳 進，孟天旭，黨海笑，白英杰

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

中低速磁懸浮是我國具有自主知識產權的一項新技術，是目前城市軌道交通[1]中的先進技術，是中國城市軌道交通多元化其中的一個重要角色[2]。磁懸浮列車工作時主要利用了電磁鐵同性排斥異性吸引的基本原理，利用電磁力抵消重力。而TWC環線系統是常見于中低速磁懸浮線路中用于車地通信的系統，但在實際應用中，若通信空間內存在空間場騷擾，可能導致通信異常從而引起故障。因此對中低速磁懸浮列車的TWC環線系統的場分布情況和電磁場耦合機理的研究具有重要意義。

1 TWC環線工作原理

中低速磁懸浮列車的TWC接收和發射天線通過電磁感應來實現雙向通信。當外部的電磁波疊加到雙向通信的系統，且達到一定強度時，會導致通信故障，列車導向安全側。

中低速磁懸浮列車的TWC環線的結構及原理如圖1所示，其工作原理為：區域控制器（Zone Controller，ZC）把列控命令和列車自動監督（Automatic Train Supervision，ATS）的信息通過CAN總線發送給軌旁發送設備，發送設備調制后經過功放進行放大，經環線檢測濾波設備、傳輸電纜送到室外始端匹配單元、環線和終端匹配單元上，車載接收天線感應到的信號送給接收設備進行解調，通過CAN總線發送給車載列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）主機，列車自動運行（Automatic Train Operation，ATO）信息內容由車載ATP轉發給車載ATO主機，車載ATP和ATO主機收到命令數據后通過CAN總線把應答命令數據發送給車載發送設備，發送設備調制后經過功放進行放大，經發送天線發射到軌旁環線，軌旁環線把感應到的信號經過傳輸電纜送給室內環線檢測濾波設備，經處理后送給地面接收設備進行解調，接收設備解調后通過CAN總線發送給ZC。車載ATP發送的應答命令數據包含當前列車的位置信息，ZC根據該信息確認環線占用情況，生成后續列車的控車命令[3]。

圖1 TWC環線結構及原理示意Fig.1 TWC loop structure and principle

2 TWC環線通信原理

中低速磁懸浮列車的TWC環線的形狀呈數字8型排列在平面上，環線內以正弦形式電信號信息傳輸。上行鏈路信號傳輸使用35.8±0.4 kHz的FSK信號，下行鏈路信號傳輸使用54±0.4 kHz的FSK信號和9 kHz的監測信號。

上行鏈路信號傳輸技術指標為：載波中心頻率35.8＋0.4 kHz，數據傳輸速率1 200波特率，報文碼長83 bit;下行鏈路信號傳輸技術指標為：載波中心頻率54＋0.4 kHz，數據傳輸速率600波特率，報文碼長43 bit。車輛控制中心（VCC）至車載控制中心（VOBC）的上行鏈路信號傳輸，通過中心饋電設備和饋電設備送入TWC環線[4]，然后，車載接收天線與TWC環線產生的時變電磁場進行感應耦合，進而將命令報文傳輸給VOBC。每個TWC環線通道每隔70 ms的工作周期，輸出一個83比特位的串行命令報文[4]，數據傳輸速率為1 200 bit/s。同樣，VOBC的信息報文以600 bit/s的傳輸速率發送43比特位的報文，經過TWC環線與發射天線的電磁感應，信號的提取與放大，最后將數據傳輸給VCC。

3 仿真建模及驗證

中低速磁懸浮列車的TWC環線所處狀態可分為兩類：一類為TWC環線上方無列車，另一類為TWC環線上方有列車。因此，電磁仿真時采取對TWC環線線纜本身施加激勵源，模擬無車狀態；在TWC環線以外的位置，添加激勵源，模擬有車狀態。TWC環線與車載接收天線之間通過電磁感應，完成上行鏈路信號傳輸。其中，TWC環線作為發射天線，車載接收天線接收信號。

由于測試設備安裝在測試環境需要協調多方進行配合安裝，其過程用時較長；每次需進行測試方案的改進，測試設備位置變動困難；車輛需要維持正常運營，車輛快速經過測試點時，由于測試設備測試范圍有限且不能干擾車輛運行，信號的可視化難度較大。基于以上幾點，采取仿真分析模擬[5-7]的辦法，利用經過驗證的模型，將實際測試投射到仿真模型的設置中，優化問題的解決過程。

3.1 無車狀態環線場分布仿真

根據文獻[8-9]和調研得到的數據，車體長度為15 m，寬度為3 m，使中低速磁懸浮列車懸浮所用的軌道由鋁板、F型導軌和鋼軌等金屬材料構成。為進行電磁仿真，首先建立參數化的模型，模型初步建立如圖2所示。在模型中，中低速磁懸浮列車的TWC環線的每個環長度為5 m，寬度為70 cm，線的直徑為1 cm。材料設置為完全導電（Perfectly Electric Conducting，PEC）。激勵源的設置中，port1為35.8 kHz的正弦信號，且大小為1 A的電流源，其位置在圖2的左端；為了形成閉合回路，在圖2的右端放置50 Ω的負載。

圖2 TWC環線無車模型Fig.2 TWC loop model (without vehicle)

加入鋼軌、F導軌和鋁板后開展仿真，得到無車狀態TWC環線的空間電場輻射情況，如圖3所示。

圖3 無車狀態TWC環線空間電場輻射分布Fig.3 Space electric field radiation distribution of TWC loop (without vehicle)

根據仿真結果，得出空間電磁場分布規律，在無車時，即僅對TWC環線進行激勵，空間電磁場在TWC環線的每個環中是相同的，在動態過程中，每個環中的電磁場均處于同步變化，大小相同，方向相同，符合TWC環線磁感應強度的變化規律。

3.2 有車狀態環線場分布仿真

模型如圖4所示，TWC環線的每個環的長度為5 m，寬度為70 cm，線直徑為1 cm。環線、矩形板和鋼軌的材料分別設置為銅、鋁和鐵。激勵源的設置中，port2為54.5 kHz的正弦信號，且大小為2 A的電流源，其位置在左端且距離環線所在平面上方70 cm處。為了使環線形成閉合回路，對環線的兩端均設置為50 Ω的負載。

圖4 TWC環線有車模型Fig.4 TWC loop model (with vehicle)

得到有車狀態TWC環線的空間電場輻射情況，如圖5所示。

圖5 有車狀態TWC環線空間電場輻射分布Fig.5 Space electric field radiation distribution of TWC loop (with vehicle)

根據仿真結果，得出空間電磁場分布規律，在有車時，即在TWC環線的上方設置激勵源，激勵源位于第一個環的上方時，空間電磁場分布在第一個環中是不均勻的，在第二、三和四環中，分布是相同的。

3.3 仿真驗證

以有車狀態為例，將現場測試數據與模擬仿真結果進行對比分析，以此對仿真模型的正確性加以驗證。當實際有車輛經過時，在軌旁的環線上布置電流探頭，測得激勵源在某一節環線起始位置的頻譜如圖6所示，電流值隨激勵源沿鋼軌移動距離變化的數據如表1和圖7所示。

圖6 現場車輛正常運行且經過測試點頻譜Fig.6 Spectrum diagram of field vehicle operating normally and passing through test point

表1 激勵源不同位置對應的測試點電流值Tab. 1 Current values of test points corresponding to different positions of activation source

圖7 激勵源不同位置對應的測試點電流值Fig.7 Current values of test points corresponding to different positions of activation source

將現場采集數據的頻譜與仿真數據的頻譜在同一狀態下進行對比，不同位置仿真與試驗差值保持一致，兩者只是在幅度上有差異，也是因為激勵源的大小不同所致。驗證了中低速磁懸浮列車的TWC環線模型的正確性和適用性，符合實際的應用情況。

4 結論

本文對基于交叉感應電纜環線通信的 TWC 系統進行三維電磁場仿真，對下行鏈路通信系統進行建模與計算，得到無車和有車狀態下TWC環線的空間電磁場分布以及環線的電磁耦合機理，結合實際測試數據驗證了計算結果，為TWC系統通信問題的后續研究與電磁防護提供了支撐。