一種新型的磁浮列車測速定位系統(tǒng)模型設計

2020-02-07 13:03戴熙昌喻文沖

物聯(lián)網技術 2020年1期

戴熙昌喻文沖

摘要：現(xiàn)有磁浮列車測速定位系統(tǒng)所采用的技術比較單一，測速定位系統(tǒng)的可靠性不足，不能更好地滿足各種運行環(huán)境的要求。通過分析現(xiàn)有磁浮列車測速定位技術的優(yōu)缺點，提出了一種新型測速定位系統(tǒng)模型，系統(tǒng)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(tǒng)數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。系統(tǒng)模型較現(xiàn)有技術具有高精度、高可靠性、易工程化等優(yōu)點，同時采用安全性軟件開發(fā)工具SCADE對系統(tǒng)模型進行建模及形式化驗證，驗證結果表明系統(tǒng)模型滿足設計要求。

關鍵詞：磁浮列車;測速定位系統(tǒng);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(tǒng)列車，磁浮列車具有顯著優(yōu)勢，是未來軌道裝備的發(fā)展方向。測速定位系統(tǒng)是列車的核心子系統(tǒng)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(tǒng)的高安全性應用開發(fā)環(huán)境，具有開發(fā)周期短、成本低、風險小、效率高的優(yōu)勢，被廣泛應用在諸多領域[2]?，F(xiàn)有的測速定位系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)有的磁浮列車測速定位系統(tǒng)絕大多數(shù)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(yōu)化組合，導致系統(tǒng)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(huán)境要求，系統(tǒng)模型以傳感器計數(shù)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(yōu)化組合使系統(tǒng)提供更精確的列車位置信息。

1.1 傳感器計數(shù)測速定位

傳感器計數(shù)法測速定位技術具有方法簡單、成本低、易實現(xiàn)等優(yōu)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(jù)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(xù)測量，常用于列車的位置校正[5]。系統(tǒng)模型以應答器作為輔助設施，修正系統(tǒng)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(tài)的影響，其值近似于列車的實際速度[6]。在系統(tǒng)模型中，多普勒雷達與傳感器相互冗余，可以大大增強系統(tǒng)模型的健壯性。

2 基于SCADE的測速定位系統(tǒng)模型設計

系統(tǒng)模型的工作原理：在列車運行過程中，系統(tǒng)通過傳感器計數(shù)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(yōu)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(yōu)化組合邏輯見表2所列。

系統(tǒng)模型的工作流程如圖2所示，傳感器計數(shù)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(yōu)化組合獲得列車的位置信息。

相較于現(xiàn)有測速定位技術，系統(tǒng)模型具有以下優(yōu)點。

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

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

（3）易工程化：傳感器計數(shù)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(shù)測速模型

根據(jù)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(shù);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(shù)計算列車的運行狀態(tài)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(shù)據(jù)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(tǒng)的定位精度。

2.4 列車速度組合優(yōu)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(shù);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(tǒng)誤差系數(shù)、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(shù)學邏輯驗證軟件的安全性，可以在設計初期及時發(fā)現(xiàn)軟件的設計缺陷，有效提高軟件的開發(fā)效率[9]。IEEE1474標準中規(guī)定，城市軌道交通定位誤差不能超過10 m。據(jù)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(tǒng)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(yōu)化，極大地增強了系統(tǒng)的環(huán)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

[1]劉歡，李耀.基于SCADE的測速定位系統(tǒng)模型設計[J].鐵路計算機運用，2016，25（7）：8-12.

[2]張合軍，陳欣.基于SCADE的無人機自主導航飛行軟件設計[J].計算機測量與控制，2007，15（10）：1400-1402.

[3]高博文.基于SCADE的列車調度軟件設計[J].鐵道通信信號，2010（8）：37-39.

[4]李耀，陳榮武，謝剛.基于SCADE與QNX平臺的列車測速定位安全軟件[J].計算機應用研究，2013，30（10）：3044-3047.

[5]李文婷.SCADE開發(fā)既有系統(tǒng)中單個模塊方法的研究[J].鐵路通信信號工程技術，2017（3）：87-90.

[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.

[7]高玉娜.基于SCADE的嵌入式軟件開發(fā)方法研究[J].電子設計工程，2015，23（21）：103-105.