中低速磁悬浮TWC环线动态建模与仿真研究

吴 进，孟天旭，党海笑，白英杰

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

中低速磁悬浮是我国具有自主知识产权的一项新技术，是目前城市轨道交通[1]中的先进技术，是中国城市轨道交通多元化其中的一个重要角色[2]。磁悬浮列车工作时主要利用了电磁铁同性排斥异性吸引的基本原理，利用电磁力抵消重力。而TWC环线系统是常见于中低速磁悬浮线路中用于车地通信的系统，但在实际应用中，若通信空间内存在空间场骚扰，可能导致通信异常从而引起故障。因此对中低速磁悬浮列车的TWC环线系统的场分布情况和电磁场耦合机理的研究具有重要意义。

1 TWC环线工作原理

中低速磁悬浮列车的TWC接收和发射天线通过电磁感应来实现双向通信。当外部的电磁波叠加到双向通信的系统，且达到一定强度时，会导致通信故障，列车导向安全侧。

中低速磁悬浮列车的TWC环线的结构及原理如图1所示，其工作原理为：区域控制器（Zone Controller，ZC）把列控命令和列车自动监督（Automatic Train Supervision，ATS）的信息通过CAN总线发送给轨旁发送设备，发送设备调制后经过功放进行放大，经环线检测滤波设备、传输电缆送到室外始端匹配单元、环线和终端匹配单元上，车载接收天线感应到的信号送给接收设备进行解调，通过CAN总线发送给车载列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）主机，列车自动运行（Automatic Train Operation，ATO）信息内容由车载ATP转发给车载ATO主机，车载ATP和ATO主机收到命令数据后通过CAN总线把应答命令数据发送给车载发送设备，发送设备调制后经过功放进行放大，经发送天线发射到轨旁环线，轨旁环线把感应到的信号经过传输电缆送给室内环线检测滤波设备，经处理后送给地面接收设备进行解调，接收设备解调后通过CAN总线发送给ZC。车载ATP发送的应答命令数据包含当前列车的位置信息，ZC根据该信息确认环线占用情况，生成后续列车的控车命令[3]。

图1 TWC环线结构及原理示意Fig.1 TWC loop structure and principle

2 TWC环线通信原理

中低速磁悬浮列车的TWC环线的形状呈数字8型排列在平面上，环线内以正弦形式电信号信息传输。上行链路信号传输使用35.8±0.4 kHz的FSK信号，下行链路信号传输使用54±0.4 kHz的FSK信号和9 kHz的监测信号。

上行链路信号传输技术指标为：载波中心频率35.8＋0.4 kHz，数据传输速率1 200波特率，报文码长83 bit;下行链路信号传输技术指标为：载波中心频率54＋0.4 kHz，数据传输速率600波特率，报文码长43 bit。车辆控制中心（VCC）至车载控制中心（VOBC）的上行链路信号传输，通过中心馈电设备和馈电设备送入TWC环线[4]，然后，车载接收天线与TWC环线产生的时变电磁场进行感应耦合，进而将命令报文传输给VOBC。每个TWC环线通道每隔70 ms的工作周期，输出一个83比特位的串行命令报文[4]，数据传输速率为1 200 bit/s。同样，VOBC的信息报文以600 bit/s的传输速率发送43比特位的报文，经过TWC环线与发射天线的电磁感应，信号的提取与放大，最后将数据传输给VCC。

3 仿真建模及验证

中低速磁悬浮列车的TWC环线所处状态可分为两类：一类为TWC环线上方无列车，另一类为TWC环线上方有列车。因此，电磁仿真时采取对TWC环线线缆本身施加激励源，模拟无车状态；在TWC环线以外的位置，添加激励源，模拟有车状态。TWC环线与车载接收天线之间通过电磁感应，完成上行链路信号传输。其中，TWC环线作为发射天线，车载接收天线接收信号。

由于测试设备安装在测试环境需要协调多方进行配合安装，其过程用时较长；每次需进行测试方案的改进，测试设备位置变动困难；车辆需要维持正常运营，车辆快速经过测试点时，由于测试设备测试范围有限且不能干扰车辆运行，信号的可视化难度较大。基于以上几点，采取仿真分析模拟[5-7]的办法，利用经过验证的模型，将实际测试投射到仿真模型的设置中，优化问题的解决过程。

3.1 无车状态环线场分布仿真

根据文献[8-9]和调研得到的数据，车体长度为15 m，宽度为3 m，使中低速磁悬浮列车悬浮所用的轨道由铝板、F型导轨和钢轨等金属材料构成。为进行电磁仿真，首先建立参数化的模型，模型初步建立如图2所示。在模型中，中低速磁悬浮列车的TWC环线的每个环长度为5 m，宽度为70 cm，线的直径为1 cm。材料设置为完全导电（Perfectly Electric Conducting，PEC）。激励源的设置中，port1为35.8 kHz的正弦信号，且大小为1 A的电流源，其位置在图2的左端；为了形成闭合回路，在图2的右端放置50 Ω的负载。

图2 TWC环线无车模型Fig.2 TWC loop model (without vehicle)

加入钢轨、F导轨和铝板后开展仿真，得到无车状态TWC环线的空间电场辐射情况，如图3所示。

图3 无车状态TWC环线空间电场辐射分布Fig.3 Space electric field radiation distribution of TWC loop (without vehicle)

根据仿真结果，得出空间电磁场分布规律，在无车时，即仅对TWC环线进行激励，空间电磁场在TWC环线的每个环中是相同的，在动态过程中，每个环中的电磁场均处于同步变化，大小相同，方向相同，符合TWC环线磁感应强度的变化规律。

3.2 有车状态环线场分布仿真

模型如图4所示，TWC环线的每个环的长度为5 m，宽度为70 cm，线直径为1 cm。环线、矩形板和钢轨的材料分别设置为铜、铝和铁。激励源的设置中，port2为54.5 kHz的正弦信号，且大小为2 A的电流源，其位置在左端且距离环线所在平面上方70 cm处。为了使环线形成闭合回路，对环线的两端均设置为50 Ω的负载。

图4 TWC环线有车模型Fig.4 TWC loop model (with vehicle)

得到有车状态TWC环线的空间电场辐射情况，如图5所示。

图5 有车状态TWC环线空间电场辐射分布Fig.5 Space electric field radiation distribution of TWC loop (with vehicle)

根据仿真结果，得出空间电磁场分布规律，在有车时，即在TWC环线的上方设置激励源，激励源位于第一个环的上方时，空间电磁场分布在第一个环中是不均匀的，在第二、三和四环中，分布是相同的。

3.3 仿真验证

以有车状态为例，将现场测试数据与模拟仿真结果进行对比分析，以此对仿真模型的正确性加以验证。当实际有车辆经过时，在轨旁的环线上布置电流探头，测得激励源在某一节环线起始位置的频谱如图6所示，电流值随激励源沿钢轨移动距离变化的数据如表1和图7所示。

图6 现场车辆正常运行且经过测试点频谱Fig.6 Spectrum diagram of field vehicle operating normally and passing through test point

表1 激励源不同位置对应的测试点电流值Tab. 1 Current values of test points corresponding to different positions of activation source

图7 激励源不同位置对应的测试点电流值Fig.7 Current values of test points corresponding to different positions of activation source

将现场采集数据的频谱与仿真数据的频谱在同一状态下进行对比，不同位置仿真与试验差值保持一致，两者只是在幅度上有差异，也是因为激励源的大小不同所致。验证了中低速磁悬浮列车的TWC环线模型的正确性和适用性，符合实际的应用情况。

4 结论

本文对基于交叉感应电缆环线通信的 TWC 系统进行三维电磁场仿真，对下行链路通信系统进行建模与计算，得到无车和有车状态下TWC环线的空间电磁场分布以及环线的电磁耦合机理，结合实际测试数据验证了计算结果，为TWC系统通信问题的后续研究与电磁防护提供了支撑。