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一种新型的磁浮列车测速定位系统模型设计

2020-02-07戴熙昌喻文冲

物联网技术 2020年1期

戴熙昌 喻文冲

摘 要:现有磁浮列车测速定位系统所采用的技术比较单一,测速定位系统的可靠性不足,不能更好地满足各种运行环境的要求。通过分析现有磁浮列车测速定位技术的优缺点,提出了一种新型测速定位系统模型,系统模型以传感器定位技术、多普勒雷达定位技术、查询应答器定位技术为基础,通过组合逻辑对系统数据进行优化。系统模型较现有技术具有高精度、高可靠性、易工程化等优点,同时采用安全性软件开发工具SCADE对系统模型进行建模及形式化验证,验证结果表明系统模型满足设计要求。

关键词:磁浮列车;测速定位系统;传感器定位技术;多普勒雷达定位技术;查询应答器定位技术;SCADE;形式化验证

中图分类号:TP391.4文献标识码:A文章编号:2095-1302(2020)01-00-04

0 引 言

相对于传统列车,磁浮列车具有显著优势,是未来轨道装备的发展方向。测速定位系统是列车的核心子系统之一,对于列车安全高效的运行具有举足轻重的作用[1]。

SCADE是一种面向实时嵌入式系统的高安全性应用开发环境,具有开发周期短、成本低、风险小、效率高的优势,被广泛应用在诸多领域[2]。现有的测速定位系统多采用传统技术,不能有效满足磁浮列车的应用工况,为此设计一种新型磁浮列车测速定位系统模型非常必要。

1 既有测速定位技术

磁浮列车的运行原理与传统列车不同,既有的测速定位方法具有诸多不足[3]。既有磁浮测速定位方法见表1所列。

现有的磁浮列车测速定位系统绝大多数采用表1中的一到两种技术,并且技术间相互独立未进行优化组合,导致系统的可靠性无法达到理想标准。为了更好地满足磁浮列车的运行环境要求,系统模型以传感器计数定位技术、多普勒雷达定位技术、查询应答器定位为基础,通过优化组合使系统提供更精确的列车位置信息。

1.1 传感器计数测速定位

传感器计数法测速定位技术具有方法简单、成本低、易实现等优点,是当前的一种主流技术,工作原理:将一组传感器(一般4个传感器为一组)呈直线状安装在车体底部,传感器间的距离为一定值L(一般为300 mm)。通过同一轨枕时传感器组会产生一组具有一定相位差的脉冲,根据相位差可以计算出列车的位置信息[4]。

脉冲波形如图1所示,列车位置计算见式(1)、式(2)。

1.2 查询应答器定位

查询应答器定位技术精度较高,无法进行连续测量,常用于列车的位置校正[5]。系统模型以应答器作为辅助设施,修正系统模型产生的误差。

1.3 多普勒雷达测速定位

多普勒雷达的测量结果不受列车运行状态的影响,其值近似于列车的实际速度[6]。在系统模型中,多普勒雷达与传感器相互冗余,可以大大增强系统模型的健壮性。

2 基于SCADE的测速定位系统模型设计

系统模型的工作原理:在列车运行过程中,系统通过传感器计数方法、多普勒雷达获得列车运行的速度、加速度及位置信息,通过组合逻辑对两者的信息进行综合优化进而获得列车位置信息,同时通过应答器进行绝对校正。优化组合逻辑见表2所列。

系统模型的工作流程如图2所示,传感器计数模块与雷达模块先将采集信息进行处理,之后将处理结果进行优化组合获得列车的位置信息。

相较于现有测速定位技术,系统模型具有以下优点。

(1)高精度:根据磁浮列车的实际运行工况,通过调整优化组合参数规避不利工况对系统精度的影响,例如当振动对系统精度影响较大时,可以提高雷达模块的加权系数,反之提高传感器计数模块的加权系数。同时采用应答器查询技术对系统的误差进行绝对校正,极大地提升了系统精度。

(2)高可靠性:雷达模块与传感器计数模块可以互为冗余,可大大提高系统的可靠性。

(3)易工程化:传感器计数定位技术、查询应答器定位技术均易工程化。

2.1 传感器计数测速模型

根据传感器组经过同一轨枕时相邻方波的时间间隔来计算列车的速度、走行距离和加速度[7]。速度计算模型如图3所示。

图3中in_PluseTime1,in_PluseTime2,in_PluseTime3,in_PluseTime4为传感器1~4经过同一轨枕时产生的脉冲的时间;c_SensorInterval为传感器间距;c_SensorCoff为常数;c_MaxSpeed为列车最大加速度;out_TrainSpeed与out_TrainFlag分别为列车速度与列车速度标志。

2.2 多普勒雷达测速模型

多普勒雷达测速定位模型以多普勒雷达为基础,以采集到的列车速度作为输入参数计算列车的运行状态信息,如加速度、走行距离等[8]。由于多普勒雷达可以直接给出速度信息,故模型中无需设计速度计算模块,只需将多普勒雷达的测速数据进行相应转换即可。

2.3 距离校正模型

列车在运行过程中会在固定距离进行一次列车走行距离校正,可以将走行距离累计误差清零[9]。距离校正模型如图4所示。

當检测到距离校正信号in_BaliseAction有效时,out_TrainDistance输出校正距离,距离误差out_Train DistanceError清零,从而保证系统的定位精度。

2.4 列车速度组合优化模型

模型设计如图5~图7所示。其中in_SensorSpeed,in_RadarSpeed分别为传感器测量速度、雷达测量速度;in_SensorFlag,in_RadarFlag,in_Coff分别为传感器速度有效标志、雷达速度有效标志、加权系数;out_TrainSpeed,out_SpeedFlag分别为列车速度、速度有效标志。

2.5 列车加速度计算模型

加速度计算模型如图8所示。其中m_LastTrainSpeed,m_ThisTrainSpeed,m_CycleTime,out_TrainAcc分别为列车上周期速度、列车本周期速度、运行周期、本周期列车加速度。

2.6 列车运行距离计算模块

列车本周期走行距离计算模型如图9所示。其中in_CycleTime,in_ThisTrainSpeed,in_ModeErrRate,in_LastTrainDisErr分别为周期运行时间、本周期列车运行速度、系统误差系数、上周期累计走行距离误差;out_TrainDis,out_TrainDisErr分别为列车本周期走行距离、累计距离误差。

3 模型驗证

形式化验证通过严格的数学逻辑验证软件的安全性,可以在设计初期及时发现软件的设计缺陷,有效提高软件的开发效率[9]。IEEE1474标准中规定,城市轨道交通定位误差不能超过10 m。据此设计了图10所示的安全验证模型,如果在距离校正范围(包括校正点)内,列车的误差距离大于10 m,则输出列车丢失信号。

图10中,in_TrianDistanceError为列车累计走行误差;c_TrainLoseDistance为列车定位最大误差(10 m);out_TrainLoseSig为列车丢失标志。

形式化验证结果如图11所示,模型完全满足安全性要求。

4 结 语

系统模型通过组合逻辑对采集到的列车速度及位置信息进行优化,极大地增强了系统的环境适应能力,通过SCADE形式化认证表明模型具有较高的安全性和可靠性。

参 考 文 献

[1]刘欢,李耀.基于SCADE的测速定位系统模型设计[J].铁路计算机运用,2016,25(7):8-12.

[2]张合军,陈欣.基于SCADE的无人机自主导航飞行软件设计[J].计算机测量与控制,2007,15(10):1400-1402.

[3]高博文.基于SCADE的列车调度软件设计[J].铁道通信信号,2010(8):37-39.

[4]李耀,陈荣武,谢刚.基于SCADE与QNX平台的列车测速定位安全软件[J].计算机应用研究,2013,30(10):3044-3047.

[5]李文婷.SCADE开发既有系统中单个模块方法的研究[J].铁路通信信号工程技术,2017(3):87-90.

[6]王禹,潘明军,严俊.基于SCADE模型驱动的软件集成设计[J].航空电子技术,2013,44(3):26-30.

[7]高玉娜.基于SCADE的嵌入式软件开发方法研究[J].电子设计工程,2015,23(21):103-105.

[8]白锐,康随武.SCADE在城市轨道交通ATP软件建模中的应用[J].铁路计算机应用,2014,23(1):37-39.

[9]刘晶晶,刘增明.基于SCADE的嵌入式软件开发[J].微机处理,2013(1):34-37.

[10]沈晟,卫钢,莲蓉.新型动车组牵引集成单元[J].物联网技术,2016,6(9):48-30.