磁浮列车运行速度计算系统、方法、悬浮控制系统及列车与流程

1.本发明属于磁浮列车信号处理技术领域，尤其涉及一种基于悬浮间隙的磁浮列车运行速度计算系统、方法、悬浮控制系统及磁浮列车。


背景技术：

2.不同于传统的轮轨轨道交通制式，磁浮列车由于没有车轮，运行时车辆悬浮于轨道上方，因此，其定位测速方式也有所不同。国内外关于磁浮列车的定位测速技术随着近年来中低速磁浮列车的发展也得到了快速发展和应用，主要包括微波定位测速、基于轨间电缆的定位测速、基于交叉感应回线的定位测速、“极距检测 信标”定位测速、基于多普勒雷达的测速方式和基于钢轨枕的组合测速等方法。
3.目前，中低速磁浮列车的定位测速一般运用上述方法的一种或几种方法结合，其功能和可靠性都得到了有效验证。但上述方法都需要在磁浮列车外置一整套定位测速设备或系统，增大了施工成本要求和运营维护难度等，且悬浮控制系统对定位测速系统存在一定依赖，外置定位测速系统的信号用于悬浮控制系统，需要单独设置接口协议和传输通道，无疑增加了悬浮控制系统的应用风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种磁浮列车运行速度计算系统、方法、悬浮控制系统及列车，以克服现有定位测速需要额外增加设备，导致施工成本要求高、运营维护难度大的问题，以及额外增加的设备与悬浮控制系统之间的通信需要单独设置接口协议和传输通道，增加了悬浮控制系统的应用风险的问题。
5.本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种基于悬浮间隙的磁浮列车运行速度计算系统，包括：
6.悬浮间隙处理模块，用于获取悬浮传感器各路间隙探头采集的间隙数据，对每路所述间隙数据进行解码和滤波，得到各路间隙探头对应的间隙数据和等效间隙数据；
7.间隙微分处理模块，用于对各路所述间隙数据和等效间隙数据进行微分运算，得到对应的间隙微分信号；
8.间隙故障处理模块，用于对各路所述间隙数据进行故障判断和标记，输出悬浮传感器各路间隙探头是否故障以及对应的故障标记；
9.过轨缝时间计算模块，用于根据各路所述间隙微分信号和等效间隙数据，判断各路间隙探头是否过轨缝，并确定过轨缝时刻；根据各路间隙探头过轨缝时刻和故障标记计算出悬浮传感器各路间隙探头过轨缝时间；
10.运行速度计算模块，用于根据所述过轨缝时间和悬浮传感器各路间隙探头的间距数据计算出列车过轨缝时的运行速度。
11.进一步地，所述间隙故障处理模块，具体用于：
12.判断各路间隙探头输出的间隙数据是否在持续时间内持续为零，如果是，则该路
＝0时，记录第1路间隙探头s1过轨缝时刻为t1，其中，ds1为第1路间隙探头间隙数据s1对应的间隙微分信号，ds2为第2路间隙探头间隙数据s2对应的间隙微分信号，ds3为第3路间隙探头间隙数据s3对应的间隙微分信号，ds0为等效间隙数据s0对应的间隙微分信号，k1为过轨缝判断系数，t1≥0；
32.当|ds2－ds0|>k1×
(|ds1－ds0| |ds3－ds0|)时，表明第2路间隙探头过轨缝，当ds2＝0时，记录第2路间隙探头过轨缝时刻为t2，t2＞t1；
33.当|ds3－ds0|>k1×
(|ds2－ds0| |ds1－ds0|)时，表明第3路间隙探头过轨缝，当ds3＝0时，记录第3路间隙探头过轨缝时刻为t3，t3＞t2。
34.进一步地，所述过轨缝时间的具体计算过程为：
35.当各路间隙探头的故障标记为均无故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t1)；
36.当第1路间隙探头的故障标记为有故障时，以第2路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t2)；
37.当第2路间隙探头的故障标记为有故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t1)；
38.当第3路间隙探头的故障标记为有故障时，以第1路间隙探头与第2路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t2－t1)。
39.本发明还提供一种悬浮控制系统，包括如上所述的基于悬浮间隙的磁浮列车运行速度计算系统。
40.本发明还提供一种磁浮列车，包括如上所述的基于悬浮间隙的磁浮列车运行速度计算系统。
41.有益效果
42.与现有技术相比，本发明的优点在于：
43.本发明所述运行速度计算系统及方法作为悬浮控制程序，内置于悬浮控制系统中，通过悬浮传感器各路间隙探头采集的间隙数据实现列车运行速度的计算，无需增加额外的设备，降低了施工成本和要求，降低了运营维护难度，摆脱了悬浮控制系统对测速定位装置的依赖，无需单独设置传输通道和接口协议，提高了悬浮控制的可靠性。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1是本发明实施例中基于悬浮间隙的磁浮列车运行速度计算系统的结构框图；
46.图2是本发明实施例中间隙数据、间隙微分信号以及过轨缝时刻的关系图；
47.图3是本发明实施例中第2路间隙探头过轨缝示意图；
48.图4是本发明实施例中列车运行速度与列车运行时间的关系图。
具体实施方式
49.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.目前，中低速磁浮列车的定位测速均需要在磁浮列车外置一整套定位测速设备或系统，增大了施工成本要求和运营维护难度等，且悬浮控制系统对定位测速系统存在一定依赖，外置定位测速系统的信号用于悬浮控制系统，需要单独设置接口协议和传输通道，无疑增加了悬浮控制系统的应用风险。
51.基于上述技术问题，本发明提供一种磁浮列车运行速度计算系统、方法、悬浮控制系统及列车，该系统与方法作为悬浮控制程序，内置于悬浮控制系统中，通过悬浮传感器各路间隙探头采集的间隙数据实现列车运行速度的计算，无需增加额外的设备，降低了施工成本和要求，降低了运营维护难度，摆脱了悬浮控制系统对测速定位装置的依赖，无需单独设置传输通道和接口协议，提高了悬浮控制的可靠性。
52.下面以具体地实施例对本技术的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
53.如图1所示，本实施例所提供的一种基于悬浮间隙的磁浮列车运行速度计算系统，包括悬浮间隙处理模块、间隙微分处理模块、间隙故障处理模块、过轨缝时间计算模块以及运行速度计算模块。悬浮间隙处理模块的输入端与悬浮传感器各路间隙探头连接，悬浮间隙处理模块的输出端分别与间隙微分处理模块、间隙故障处理模块的输入端连接；间隙微分处理模块、间隙故障处理模块的输出端分别与过轨缝时间计算模块的输入端连接；过轨缝时间计算模块的输出端与运行速度计算模块的输入端连接。
54.悬浮间隙处理模块，用于获取悬浮传感器各路间隙探头采集的间隙数据，对每路间隙数据进行解码和滤波，得到各路间隙探头对应的间隙数据和等效间隙数据。
55.悬浮传感器一般配置3路相互独立的间隙探头，目前部分悬浮传感器采用4路相互独立的间隙探头。本实施例中，以悬浮传感器的3路间隙探头为例来说明间隙数据与间隙探头的对应关系，3路间隙探头采集的间隙数据通过485接口传输给悬浮间隙处理模块，悬浮间隙处理模块内的可编程逻辑单元将3路间隙数据分别转换为12比特位的间隙数据s1、s2、s3和1路等效间隙数据s0，并滤除传输过程中的干扰信号，其中s1为第1路间隙探头的间隙数据，s2为第2路间隙探头的间隙数据，s3为第3路间隙探头的间隙数据。等效间隙s0是对3路间隙探头的间隙数据s1、s2、s3进行运算得到的，运算方法是对3路间隙数据中的2路偏小的间隙数据进行平均运算，示例性的，三路间隙数据s1、s2、s3中间隙数据s1和s2偏小，则s0＝(s1 s2)/2。
56.间隙微分处理模块，用于对各路间隙数据和等效间隙数据进行微分运算，得到对应的间隙微分信号。
57.以悬浮传感器的3路间隙探头为例，对3路间隙数据s1、s2、s3和1路等效间隙数据s0进行微分运算，得到4路间隙微分信号ds1、ds2、ds3、ds0，其中ds1为第1路间隙探头间隙数据s1对应的间隙微分信号，ds2为第2路间隙探头间隙数据s2对应的间隙微分信号，ds3为第3路间隙探头间隙数据s3对应的间隙微分信号，ds0为等效间隙数据s0对应的间隙微分信号。
58.间隙故障处理模块，用于对各路间隙数据进行故障判断和标记，输出悬浮传感器各路间隙探头是否故障以及对应的故障标记。
59.间隙故障处理模块，具体用于：
60.判断各路间隙探头输出的间隙数据是否在持续时间内持续为零，如果是，则该路间隙探头有故障，并对该路间隙探头进行故障标记；否则该路间隙探头无故障，并对该路间隙探头进行无故障标记。本实施例中，持续时间设为10ms，持续时间是根据悬浮传感器协议确定的。
61.以悬浮传感器的3路间隙探头为例，当3路间隙数据均不是在持续时间内持续为零时，则3路间隙探头均无故障，每路间隙探头的故障标记均为flag＝00；
62.当第1路间隙探头的间隙数据在持续时间内持续为零时，则第1路间隙探头有故障，并对第1路间隙探头进行故障标记，故障标记为flag＝01；
63.当第2路间隙探头的间隙数据在持续时间内持续为零时，则第2路间隙探头有故障，并对第2路间隙探头进行故障标记，故障标记为flag＝10；
64.当第3路间隙探头的间隙数据在持续时间内持续为零时，则第3路间隙探头有故障，并对第3路间隙探头进行故障标记，故障标记为flag＝11；
65.当出现2路及2路以上间隙探头有故障时，退出运行速度计算程序，并向悬浮控制系统发出故障报警。将3路间隙探头进行故障标记编码，可以根据故障标记编码确定几路间隙探头有故障，以及哪几路间隙探头有故障。
66.例如，从第1路间隙探头到第3路间隙探头进行故障标记编码，具体编码为001011，则表明第1路间隙探头无故障，第2路间隙探头有故障，第3路间隙探头有故障；具体编码为000011，则表明第1路间隙探头无故障，第2路间隙探头无故障，第3路间隙探头有故障；具体编码为011000，则表明第1路间隙探头有故障，第2路间隙探头有故障，第3路间隙探头无故障。
67.也可以从第3路间隙探头到第1路间隙探头进行故障标记编码，具体编码为001001，则表明第3路间隙探头无故障，第2路间隙探头有故障，第1路间隙探头有故障；具体编码为110000，则表明第3路间隙探头有故障，第2路间隙探头无故障，第1路间隙探头无故障；具体编码为001000，则表明第3路间隙探头无故障，第2路间隙探头有故障，第1路间隙探头无故障。
68.过轨缝时间计算模块，用于根据各路间隙微分信号和等效间隙数据，判断各路间隙探头是否过轨缝，并确定过轨缝时刻；根据各路间隙探头过轨缝时刻和故障标记计算出悬浮传感器各路间隙探头过轨缝时间。
69.以悬浮传感器的3路间隙探头为例来说明过轨缝判断和过轨缝时刻的确定，过轨缝时间计算模块具体用于：
70.当|ds1－ds0|>k1×
(|ds3－ds0| |ds2－ds0|)时，表明第1路间隙探头过轨缝，当ds1＝0时，记录第1路间隙探头过轨缝时刻为t1，t1≥0，如图2所示；
71.当|ds2－ds0|>k1×
(|ds1－ds0| |ds3－ds0|)时，表明第2路间隙探头过轨缝，当ds2＝0时，记录第2路间隙探头过轨缝时刻为t2，t2＞t1；
72.当|ds3－ds0|>k1×
(|ds2－ds0| |ds1－ds0|)时，表明第3路间隙探头过轨缝，当ds3＝0时，记录第3路间隙探头过轨缝时刻为t3，t3＞t2。
73.其中，k1为过轨缝判断系数，过轨缝判断系数用来消除理论与实际的偏差，提高过轨缝判断的准确率，其具体取值根据试验确定，默认取值为1。
74.过轨缝时间计算模块，还具体用于：
75.当各路间隙探头的故障标记为均无故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t1)；
76.当第1路间隙探头的故障标记为有故障时，以第2路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t2)；
77.当第2路间隙探头的故障标记为有故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t1)；
78.当第3路间隙探头的故障标记为有故障时，以第1路间隙探头与第2路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t2－t1)。
79.运行速度计算模块，用于计算列车过轨缝时的运行速度，计算依据是速度等于目标距离除以经过该目标距离所需的时间，其中，目标距离是指悬浮传感器各间隙探头之间的间隔，示例性的，当第1路间隙探头的故障标记为有故障时，目标距离指第2路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔；所需的时间是指过轨缝时间计算模块的输出时间，示例性的，目标距离为第2路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔，所需的时间为第3路间隙探头与第2路间隙探头的过轨缝时间之差。
80.以悬浮传感器的3路间隙探头为例来说明运行速度的计算。
81.如图3所示，悬浮传感器的3路间隙探头中相邻两路间隙探头之间的间距相等，且设为l。
82.当各路间隙探头的故障标记为均无故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，即目标距离取2l，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t1)，运行速度值v＝2l/(t3－t1)；
83.当第1路间隙探头的故障标记为有故障时，以第2路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，即目标距离取l，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t2)，运行速度值v＝l/(t3－t2)；
84.当第2路间隙探头的故障标记为有故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，即目标距离取2l，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t1)，运行速度值v＝2l/(t3－t1)；
85.当第3路间隙探头的故障标记为有故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，即目标距离取l，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t2－t1)，运行速度值v＝l/(t2－t1)。
86.假设列车先加速，再匀速后减速通过一系列相同的轨缝，如图4所示，左侧向上阶梯对应列车加速阶段，中间水平阶梯对应列车匀速阶段，右侧向下阶梯对应列车减速阶段，实际计算出的列车运行速度值是随着列车运行时间不断变化的阶梯状图形，每一个阶梯代表一个运行速度计算模块的速度更新值，可见列车实际运行速度越快，运行速度计算模块的速度更新越快，列车实际运行速度越慢，运行速度计算模块的速度更新越慢。
87.本实施例还提供一种基于悬浮间隙的磁浮列车运行速度计算方法，包括以下步骤：
88.步骤1：获取悬浮传感器各路间隙探头采集的间隙数据，对每路间隙数据进行解码和滤波，得到各路间隙探头对应的间隙数据和等效间隙数据。
89.以悬浮传感器的3路间隙探头为例来说明间隙数据与间隙探头的对应关系，3路间隙探头采集的间隙数据通过485接口传输给悬浮间隙处理模块，悬浮间隙处理模块内的可编程逻辑单元将3路间隙数据分别转换为12比特位的间隙数据s1、s2、s3和1路等效间隙数据s0，并滤除传输过程中的干扰信号，其中s1为第1路间隙探头的间隙数据，s2为第2路间隙探头的间隙数据，s3为第3路间隙探头的间隙数据。等效间隙s0是对3路间隙探头的间隙数据s1、s2、s3进行运算得到的，运算方法是对3路间隙数据中的2路偏小的间隙数据进行平均运算，示例性的，三路间隙数据s1、s2、s3中间隙数据s1和s2偏小，则s0＝(s1 s2)/2。
90.步骤2：对各路间隙数据和等效间隙数据进行微分运算，得到对应的间隙微分信号。
91.以悬浮传感器的3路间隙探头为例，对3路间隙数据s1、s2、s3和1路等效间隙数据s0进行微分运算，得到4路间隙微分信号ds1、ds2、ds3、ds0，其中ds1为第1路间隙探头间隙数据s1对应的间隙微分信号，ds2为第2路间隙探头间隙数据s2对应的间隙微分信号，ds3为第3路间隙探头间隙数据s3对应的间隙微分信号，ds0为等效间隙数据s0对应的间隙微分信号。
92.步骤3：对各路间隙数据进行故障判断和标记，输出悬浮传感器各路间隙探头是否故障以及对应的故障标记。
93.故障判断和标记的具体实现过程为：
94.判断各路间隙探头输出的间隙数据是否在持续时间内持续为零，如果是，则该路间隙探头有故障，并对该路间隙探头进行故障标记；否则该路间隙探头无故障，并对该路间隙探头进行无故障标记。本实施例中，持续时间设为10ms。
95.以悬浮传感器的3路间隙探头为例，当3路间隙数据均不是在持续时间内持续为零时，则3路间隙探头均无故障，每路间隙探头的故障标记均为flag＝00；
96.当第1路间隙探头的间隙数据在持续时间内持续为零时，则第1路间隙探头有故障，并对第1路间隙探头进行故障标记，故障标记为flag＝01；
97.当第2路间隙探头的间隙数据在持续时间内持续为零时，则第2路间隙探头有故障，并对第2路间隙探头进行故障标记，故障标记为flag＝10；
98.当第3路间隙探头的间隙数据在持续时间内持续为零时，则第3路间隙探头有故障，并对第3路间隙探头进行故障标记，故障标记为flag＝11；
99.当出现2路及2路以上间隙探头有故障时，退出运行速度计算程序，并向悬浮控制系统发出故障报警。将3路间隙探头进行故障标记编码，可以根据故障标记编码确定几路间隙探头有故障，以及哪几路间隙探头有故障。
100.例如，从第1路间隙探头到第3路间隙探头进行故障标记编码，具体编码为001011，则表明第1路间隙探头无故障，第2路间隙探头有故障，第3路间隙探头有故障；具体编码为000011，则表明第1路间隙探头无故障，第2路间隙探头无故障，第3路间隙探头有故障；具体编码为011000，则表明第1路间隙探头有故障，第2路间隙探头有故障，第3路间隙探头无故障。
101.也可以从第3路间隙探头到第1路间隙探头进行故障标记编码，具体编码为001001，则表明第3路间隙探头无故障，第2路间隙探头有故障，第1路间隙探头有故障；具体编码为110000，则表明第3路间隙探头有故障，第2路间隙探头无故障，第1路间隙探头无故障；具体编码为001000，则表明第3路间隙探头无故障，第2路间隙探头有故障，第1路间隙探
头无故障。
102.步骤2和3可以并行进行，无先后顺序。
103.步骤4：根据各路间隙微分信号和等效间隙数据，判断各路间隙探头是否过轨缝，并确定过轨缝时刻；根据各路间隙探头过轨缝时刻和故障标记计算出悬浮传感器各路间隙探头过轨缝时间。
104.是否过轨缝并确定过轨缝时刻的具体实现过程为：
105.当|ds1－ds0|>k1×
(|ds3－ds0| |ds2－ds0|)时，表明第1路间隙探头过轨缝，当ds1＝0时，记录第1路间隙探头过轨缝时刻为t1，t1≥0，如图2所示；
106.当|ds2－ds0|>k1×
(|ds1－ds0| |ds3－ds0|)时，表明第2路间隙探头过轨缝，当ds2＝0时，记录第2路间隙探头过轨缝时刻为t2，t2＞t1；
107.当|ds3－ds0|>k1×
(|ds2－ds0| |ds1－ds0|)时，表明第3路间隙探头过轨缝，当ds3＝0时，记录第3路间隙探头过轨缝时刻为t3，t3＞t2。
108.其中，k1为过轨缝判断系数，过轨缝判断系数用来消除理论与实际的偏差，提高过轨缝判断的准确率，其具体取值根据试验确定，默认取值为1。
109.过轨缝时间的具体计算过程为：
110.当各路间隙探头的故障标记为均无故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t1)；
111.当第1路间隙探头的故障标记为有故障时，以第2路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t2)；
112.当第2路间隙探头的故障标记为有故障时，以第1路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t3－t1)；
113.当第3路间隙探头的故障标记为有故障时，以第1路间隙探头与第2路间隙探头之间的间隔作为目标距离，该目标距离对应的过轨缝时间t＝(t2－t1)。
114.步骤5：计算列车过轨缝时的运行速度。
115.运行速度的计算依据是速度等于目标距离除以经过该目标距离所需的时间，其中，目标距离是指悬浮传感器各间隙探头之间的间隔，示例性的，当第1路间隙探头的故障标记为有故障时，目标距离指第2路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔；所需的时间是指过轨缝时间计算模块的输出时间，示例性的，目标距离为第2路间隙探头与第3路间隙探头之间的间隔，所需的时间为第3路间隙探头与第2路间隙探头的过轨缝时间之差。
116.以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。