基于轨道实验线的控制小车研制与教学开发研究

王晓红 阮久宏 张立东

摘要：根据轨道交通国内外发展的现状，研制开发出一辆能在轨道实验线上运行的小车，将无线Lora技术应用到轨道实验车上面，控制轨道实验车的启动、停止、加速、减速等，开发出了轨道实验车的模拟控制系统，可以使自动化、信号控制专业的学生进一步了解专业知识，把课堂中的知识应用到实际中来，满足教学科研和实验实训的需要。

关键词：轨道实验线；Lora技术；模拟控制系统

中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）47-0232-02

一、国内外研究现状及研究意义

轨道交通的飞速发展对轨道车辆技术的提升有很大的帮助，轨道车辆成为了人们日生活中相当重要的一部分，并使人们的出行变得十分便利，所以研究轨道车辆的运行控制系统就显得尤为重要。国内：地铁（轻轨）以及电气化交通的列车运行控制方式近十多年来得到飞速的发展，以往列车运行要依靠地面信号指示，如信号灯等。前期发展应用多年的模拟ATC控制系统，是基于无绝缘音频轨道电路的基础上形成的。虽然解决了闭塞区间的车辆“占有”和空闲问题，可以控制后续列车的安全进入，但这种模拟的ATC方式发送的信息量太少，不能满足列车精细的运行控制。闭塞区间也不可能分得太小。数字化ATC系统的研究成功，解决了模拟ATC系统的上述缺项。国外：欧洲正在开发的EYCS系统和CBTC系统，其基本原理是以无线方式为主构建地面与以车载为主实施列车控制。

考虑到国内外发展的现状，研制出一辆能在轨道实验线上运行的小车，并且将无线Lora通信技术应用到轨道实验车上面，控制轨道实验车的启动、停止、加速、减速等，满足我校新建轨道信号控制专业、自动化专业的学生实验实训的需要，模拟新一代列车运行控制实验系统，基于无线传输信息的列车运行控制系统。可简单实现虚拟闭塞或移动闭塞。

二、轨道线实验小车的系统实现

轨道车辆正在向着高性能、高智能、高品质的方向发展。轨道车辆系统是一个复杂的大系统，由于轨道车辆的运行存在很多不确定性干扰因素，可能导致车辆的运行偏离计划，从而引起轨道车辆运行的延误和冲突，扰乱车辆运行秩序，造成通过能力的损失，增加运输的难度。由于电动机的机械特性优于柴油发动机的机械特性，适合启动加速等特性，并且具有环保清洁等特点，所以最终确定出为采用电力驱动直流电动机作为车辆的动力。

针对轨道车辆的使用要求，研究牵引用的直流电机系统，通过让电机具有四象限工作的能力，可以大大地提高工作效率，不仅能够实现正反转电动运行输出动力，又能够作正反转的发电制动能量回馈。

以城市轨道交通车辆直流电力拖动为背景，对于轨道车辆需满足的运行要求，设计直流电机拖动系统，使其可进行四象限运行。这样便于对轨道车辆进行调速以及制动，提高轨道车辆整个系统的智能化和自动化水平。实现电机的四象限运行，可使电路中的能量进行双向流动，降低了能量损耗，并且节约了成本。

实验开发出轨道车辆运行过程可以分为几个阶段：启动、加速、匀速、减速、停车、换向运行。要使得轨道车辆可在四象限运行，就必须对拖动车辆的直流电机进行数字化控制，这样电机的调速范围会变得更宽，而且运行的精度和效率都会得到很大的提高。轨道车辆在运行时，将会产生很多的能量，通过四象限运行可以将部分能量回馈到电网上，从而减少能量的损耗。四象限运行的过程：当轨道车辆在电动机的作用下沿着某一方向做加速运动时，电机的转矩与电机的转速是同一个方向的，此时该系统正处于电动状态，电机就将电能转变成了机械能；当速度降低时，电机的转矩方向发生改变并与原来的方向相反，此时电动机的工作状态在第二象限内，该系统进入发电状态，这时电机的转速快速下降，机械能转化为电能被储存；当轨道车辆沿着另一方向运行时，情况相同，以此构成四象限运行状态。

主要是采用H桥主电路进行设计，利用单片机控制H桥电路中的四个电力电子开关，进而控制电机的不同运行状态。这样电路不需要再外加电路就可以直接实现直流电机的四象限运行，并使得整个系统的控制性、可靠性及自动化水平都比较高。

三、轨道实验车控制的实现和实验教学开发

由于我们的轨道实验车处在室外的轨道线上，室外环境恶劣，同时和作为主控室的实验楼内部的实验室有大约1km以上的距离，选择Lora产品实现对轨道车的通信控制，Lora特性：超远通讯距离、高抗干扰性、优秀的穿墙（绕射）能力、支持低功耗通信模式，唤醒周期可配置、支持无线或串口升级固件、支持跳频、统一区域内多套网络可共存。

SX1278Lora模块，采用Lora调制技术，集多年物联网无线通信经验进行研发，实测通信距離>11.5km，完美解决了小数据量在复杂环境中的超远距通信问题，为各行业物联网应用提供有力的无线通信组网保障。并且Lora的耗电量也比较少，如果正常使用，理论上最高可以维持十年不需要换电池。

实验教学可以开发轨道实验车的模拟控制系统，可以将传感器采集到的实时数据，通过无线通信传输到Lora终端，最终实现无线通信或者无线控制。将Lora技术应用到轨道实验车上面，可以实现在室内接收到轨道实验车的实时数据，通过无线来控制电机，进而控制轨道实验车的启动、停止、加速、减速等等。

研究发现，随着我国经济快速发展，人们对出行的安全性也越来越重视，作为轨道车辆安全性的一个重要环节——制动系统的设计也就显得尤为重要。模拟实验车辆在运行的过程中，运行方向以及运行速度都会根据一些特殊情况发生改变，所以这时就必须要求电机具有四象限运行工作的能力，且在各象限之间必须自动转换，平稳过渡，才能保证车辆在运行当中平稳。

四、教学开发研究的创新点和预期效果

基于工程教育的理念，应用型人才培养应从人才培养目标出发，以培养学生应用能力、创新能力与增强职业素质为主线，构建与培养目标要求的知识、能力、素质结构紧密结合的理论教学体系。

我们的实验教学研究就是要开发出适合调动学生学习热情的实验项目，模拟在轨道线上运行的小车，以一辆小车来模拟一列火车。通过控制该轨道信号车辆和开发相关的试验项目，可以使自动化、信号控制专业的学生进一步了解专业知识，把课堂中的知识应用到实际中来，也可以帮助年轻教师实现人才培养计划。

实现功能面向和平台面向：功能面向指学生服务方面满足如下专业课程的实验教学、实训教学需要：（1）认知实习；（2）铁路信号基础设备；（3）车站自动控制技术；（4）区间控制技术；（5）列车运行自动控制技术；（6）铁路信号中的通信技术。社会服务方面可以为高铁员工进行培训，如信号系统故障模拟培训（轨道电路分路不良等）。

平台面向：实现人才培养计划，为专业教师提供了科研平台，为研究生提供了训练摸索的实验平台。

本教学开发研究的创新点是为了进行成果导向课程设计，紧密围绕学生能力培养设计和实施教学环节；积极挖掘和充实专业课程的创新创业教育资源，开发创新创业课程，根据轨道交通各专业的培养目标和毕业要求，构建科学合理的课程体系，重视课程内部的有机联系和系统衔接。

轨道线的实验小车研制与教学开发就是围绕“定义预期学习成果——实现预期学习成果——评估学习成果”进行的，体现一切以学生为本的教育理念

五、结束语

该实验线运行速度低、行车荷载小、使用频率低，使用过程中可以加强检查保养，可以确保使用安全。可以为学生完成专业课提供演示和操作实验，也可以帮助年轻教师实现人才培养计划，为专业教师提供了科研平台，也可以为研究生提供训练摸索的实验平台。

参考文献：

[1]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京：北京科学出版社，2009：23-49.

[2]陈伯时，阮毅.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009：96-98.