[0001] 本申请涉及磁悬浮列车工作状态检测技术领域，尤其涉及一种永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测、预警系统及方法。

[0002] 斥力型Halbach永磁磁悬浮列车系统主要由轨道梁、立柱、轿厢组成。轨道梁通过立柱横挂在空中，永磁轨道内嵌在轨道梁的内壁，轿厢在正常运行的过程中对永磁轨道的
精度要求较高，需要永磁悬浮模块与永磁轨道的磁轨间距相对稳定，Halbach阵列结构工作状态直接影响系统的正常运行。

[0003] 斥力型Halbach永磁磁悬浮列车在运行时，由于线路上存在弯道、坡道，轨道不平顺、轨道梁变形等原因，永磁悬浮模块会偏移旋转。这种旋偏移转运动直接影响Halbach阵列的对中，进而影响悬浮力的大小，如果偏移旋转幅度过大，有可能引起列车振动、横移、点头运动，甚至有可能引发列车脱轨事故。

[0004] 目前，Halbach阵列结构工作状态是否正常主要依赖于司乘人员的主观感知，缺乏可靠的检测手段和数据支持，无法对Halbach阵列结构工作状态进行准确评估，影响了永磁磁悬浮列车的安全性能。

[0005] 因此，如何及时对永磁磁悬浮列车的工作状态进行检查和预警，提高永磁磁悬浮列车的安全性，成为需要解决的问题。

[0006] 在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。

[0059] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

[0060] 在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本申请实施例中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

[0061] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

[0062] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0063] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0064] 须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

[0065] 应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0066] 取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

[0067] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情
况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

[0068] 下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。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中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

[0069] 图6为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统中水平位移检测原理示意图，图7为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及
预警系统中滚动角检测原理示意图，图8为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作
状态检测及预警系统中俯仰角检测原理示意图，如图6‑8所示，本申请提供一种永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统，包括：

[0070] 轨道梁3，所述轨道梁3两侧均设有永磁轨道；

[0071] 图10为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统中斥力式永磁磁悬浮列车的安装示意图，如图10所示，轨道梁3通过地面上固定的立柱1支撑横
挂在空中，轿厢2悬挂于轨道梁3上。

[0072] 设于所述永磁轨道之间的转向架8，所述转向架8的两端均设有永磁悬浮模块，所述永磁悬浮模块悬浮设于所述永磁轨道上方；

[0073] 所述转向架8呈“工”字型设置于两个永磁轨道之间。

[0074] 图9为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统中轨道梁的结构示意图，如图9所示，永磁轨道嵌入铺设与轨道梁3内，斥力式永磁磁悬浮列车的轿厢2与转向架8刚性连接，通过安装在转向架8上的永磁悬浮模块和永磁轨道组成Halbach
阵列产生的斥力悬浮在空中。

[0075] 设于所述永磁悬浮模块上的水平位移检测模块，用于测量所述永磁悬浮模块至轨道梁3之间的水平距离，获取永磁悬浮模块的水平位移值；

[0076] 设于所述永磁悬浮模块上的姿态角检测模块，用于测量所述永磁悬浮模块至永磁轨道之间的垂直距离，获取永磁悬浮模块的悬浮高度值，以计算出所述永磁悬浮模块的滚
动姿态角和俯仰姿态角；

[0077] 设于所述转向架8上的智能预警模块，用于设置所述水平位移值、悬浮高度值、滚动姿态角和俯仰姿态角的阈值范围，并根据获取的所述水平位移值、悬浮高度值、滚动姿态角和俯仰姿态角，判断Halbach阵列结构工作状态是否正常，当所述Halbach阵列结构工作
状态为异常时，发出报警指令。

[0078] 本申请一方面通过在永磁悬浮模块上设置水平位移检测模块，能够精确测量永磁悬浮模块到轨道梁3的水平距离，进而推算出永磁悬浮模块的水平位移值；另一方面，通过在永磁悬浮模块上设置姿态角检测模块，能够准确实时测量永磁悬浮模块的悬浮高度值，
并计算出永磁悬浮模块的滚动姿态角和俯仰姿态角；通过智能预警模块实时对比水平位移
值、悬浮高度值、滚动姿态角和俯仰姿态角是否超出阈值范围，在列车运行时对轨道梁3中的Halbach阵列结构工作状态进行数据采集和处理，可以精确检测Halbach阵列结构工作状
态是否正常，并对工作状态异常情况及时进行报警，能够增强对磁悬浮列车Halbach阵列结构工作状态的监控能力，提高永磁磁悬浮列车的安全性。

[0079] 图4为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统中Halbach阵列结构示意图，如图4所示，永磁体通过特殊的排列方式组合在一起，其特点是使Halbach阵列之间场强得到最大程度的加强，以提高悬浮力。

[0080] 需要说明的是，图1为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统中距离标定的主视图，图2为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态
检测及预警系统中距离标定的左视图，图3为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工
作状态检测及预警系统中距离标定的俯视图，如图1‑3所示，本申请还包括距离标定，标定Halbach阵列结构完全对中时：永磁悬浮模块与轨道梁3之间的距离(即永磁悬浮模块靠近
轨道梁3的侧面至轨道梁3梁壁之间的距离)为d，永磁悬浮模块与永磁轨道之间的悬浮高度
值为z。

[0081] 如图1‑3所示，当列车静止时，在轨道梁3上选取测量的初始位置作为基准点，进行零位标定，此时：z测量值‑z＝0，d测量值‑d＝0。

[0082] 在一些实施例中，所述水平位移检测模块包括：

[0083] 设于所述永磁悬浮模块上的红外测距传感器，所述红外测距传感器位于靠近所述轨道梁3的一侧。

[0084] 图5为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统中红外测距传感器、激光测距传感器的安装位置示意图，如图5所示，每个所述永磁悬浮模块上分别设有两个所述红外测距传感器，且两个所述红外测距传感器均设于所述永磁悬浮模块
上靠近轨道梁3的一侧。红外测距传感器通过发射出的红外线得到永磁悬浮模块至轨道梁3
梁壁之间的距离。

[0085] 红外测距传感器包括：设于左侧永磁悬浮模块5上的第一红外测距传感器101和第三红外测距传感器103，以及设于右侧永磁悬浮模块7上的第二红外测距传感器102和第四
红外测距传感器104。

[0086] 图11为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统中红外测距传感器的工作原理图，如图11所示，红外测距传感器的测距基本原理为红外发射器
发出红外光，红外接收器接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物，根据发射光的强弱可以判断距轨道梁3梁壁的距离。

[0087] 如图6所示，当转向架8产生水平位移时，红外测距传感器会实时测量出永磁悬浮模块至轨道梁3梁壁的水平距离z1、z2、z3、z4，并实时计算出永磁悬浮模块的水平位移值。

[0088] 本申请中设定永磁悬浮模块的水平位移值的阈值范围为：[zmin,zmax]，zmin为最小水平位移值，zmax为最大水平位移值。

[0089] 在一些实施例中，所述姿态角检测模块包括：

[0090] 设于所述永磁悬浮模块上四个顶角处的激光测距传感器，用于测量其至所述永磁轨道的垂直距离。

[0091] 当Halbach阵列结构完全对中时，永磁悬浮模块与永磁轨道平行。

[0092] 在一些实施例中，每个所述永磁悬浮模块上均设有四个所述激光测距传感器，所述激光测距传感器被分成两组，每一组包括两个激光测距传感器；

[0093] 具体地，在本申请实施例中，每个永磁悬浮模块上的四个激光测距传感器分别设置于两对立面上，如图5所示。

[0094] 更为具体地，在本申请实施例中，四个激光测距传感器分别位于永磁悬浮模块的左前方、右前方、左后方和右后方，且与永磁悬浮模块的下端面齐平，正对着永磁轨道设置。

[0095] 激光测距传感器向下发射激光时，能够使激光垂直向下照射在所述永磁轨道的上表面，以便测得激光测距传感器至永磁轨道上表面的垂直距离，进而得到永磁悬浮模块的
悬浮高度变化。

[0096] 其中，一组相邻设置(即位于同一侧面)的所述激光测距传感器用于计算所述永磁悬浮模块的滚动姿态角，一组相对设置(即位于不同侧面)的所述激光测距传感器用于计算
所述永磁悬浮模块的俯仰姿态角。

[0097] 具体地，在本申请实施例中，设于左侧永磁悬浮模块5上的四个激光测距传感器分别为：第一激光测距传感器201、第二激光测距传感器202、第三激光测距传感器203和第四激光测距传感器204；设于右侧永磁悬浮模块7上的四个激光测距传感器分别为：第五激光
测距传感器205、第六激光测距传感器206、第七激光测距传感器207和第八激光测距传感器
208。

[0098] 永磁轨道包括左侧永磁轨道4和右侧永磁轨道6，左侧永磁悬浮模块5悬浮于左侧永磁轨道4上方，右侧永磁悬浮模块7悬浮于右侧永磁轨道6上方。

[0099] 其中，第一激光测距传感器201和第二激光测距传感器202作为一组，组成一个计算单元，用以计算左侧永磁悬浮模块5的前侧滚动姿态角(y轴转动)；第三激光测距传感器
203和第四激光测距传感器204作为一组，组成一个计算单元，用以计算左侧永磁悬浮模块5的后侧滚动姿态角(y轴转动)；第一激光测距传感器201和第三激光测距传感器203作为一
组，组成一个计算单元，用以计算左侧永磁悬浮模块5的左侧俯仰姿态角(x轴转动)；第二激光测距传感器202和第四激光测距传感器204作为一组，组成一个计算单元，用以计算左侧
永磁悬浮模块5的右侧俯仰姿态角(x轴转动)。

[0100] 如图7所示，当转向架8产生垂直位移时，对永磁悬浮模块的悬浮高度变化进行检测，并计算出永磁悬浮模块对应的滚动姿态角(y轴转动)，通过激光测距传感器实时测量到永磁轨道上表面的悬浮高度值d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8，即可得永磁悬浮模块对应的悬浮高度值，此时：d测量值＝d间隙值。

[0101] 本申请中设定永磁悬浮模块的悬浮高度值的阈值范围为：[dmin,dmax]，dmin为最小悬浮高度值，dmax为最大悬浮高度值。

[0102] 图12为本申请提供的永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警系统中激光测距传感器的工作原理图，如图12所示，激光测距传感器的工作原理基于激光干涉现象。
当激光光束射入目标物体表面时，光束会与目标物体表面产生反射、散射和透射等现象。通过测量反射光束与入射光束的干涉条纹的变化，从而来获取永磁轨道上表面相对于激光测
距传感器的距离信息。

[0103] 再根据两点间的测量差值与安装间距，使用三角函数求出永磁悬浮模块滚动姿态角(y轴转动)。

[0104] 设定第一激光测距传感器201与第二激光测距传感器202之间的安装距离为lx，此时，左侧永磁悬浮模块5的前侧滚动姿态角(y轴转动)∠α1的计算公式为：

[0105]

[0106] 其中，d1为第一激光测距传感器201至永磁轨道的悬浮高度值，d2为相邻设置的第二激光测距传感器202至永磁轨道的悬浮高度值，lx为第一激光测距传感器201至第二激光
测距传感器202之间的安装距离。

[0107] 设定第三激光测距传感器203与第四激光测距传感器204之间的安装间距为lx，此时，左侧永磁悬浮模块5的后侧滚动姿态角(y轴转动)∠α2计算公式为：

[0108]

[0109] 其中，d3为第三激光测距传感器203至永磁轨道的悬浮高度值，d4为相邻设置的第四激光测距传感器204至永磁轨道的悬浮高度值，lx为第三激光测距传感器203至第四激光
测距传感器204之间的安装距离。

[0110] 设定第五激光测距传感器205与第六激光测距传感器206之间的安装间距为lx，此时，右侧永磁悬浮模块7的前侧滚动姿态角(y轴转动)∠α3计算公式为：

[0111]

[0112] 其中，d5为第五激光测距传感器205至永磁轨道的悬浮高度值，d6为相邻设置的第六激光测距传感器206至永磁轨道的悬浮高度值，lx为第五激光测距传感器205至第六激光
测距传感器206之间的安装距离。

[0113] 设定第七激光测距传感器207与第八激光测距传感器208之间的安装间距为lx，此时，右侧永磁悬浮模块7的后侧滚动姿态角(y轴转动)∠α4计算公式为：

[0114]

[0115] 其中，d7为第七激光测距传感器207至永磁轨道的悬浮高度值，d8为相邻设置的第八激光测距传感器208至永磁轨道的悬浮高度值，lx为第七激光测距传感器207至第八激光
测距传感器208之间的安装距离。

[0116] 设定永磁悬浮模块滚动姿态角(y轴转动)的阈值范围为：[∠αmin,∠αmax]，∠αmin为最小滚动姿态角，∠αmax为最大滚动姿态角。

[0117] 如图8所示，同永磁悬浮模块滚动姿态角(y轴转动)计算方法，使用三角函数求出俯仰姿态角(x轴转动)。

[0118] 设定第一激光测距传感器201与第三激光测距传感器203之间的安装间距为ly，此时，左侧永磁悬浮模块5的左侧俯仰姿态角(x轴转动)∠β1的计算公式为：

[0119]

[0120] 其中，d1为第一激光测距传感器201至永磁轨道的悬浮高度值，d3为相对设置的第三激光测距传感器203至永磁轨道的悬浮高度值，ly为第一激光测距传感器201至第三激光
测距传感器203之间的安装距离。

[0121] 设定第二激光测距传感器202与第四激光测距传感器204之间的安装间距为ly，此时，左侧永磁悬浮模块5的右侧俯仰姿态角(x轴转动)∠β2计算公式为：

[0122]

[0123] 其中，d2为第二激光测距传感器202至永磁轨道的悬浮高度值，d4为相对设置的第四激光测距传感器204至永磁轨道的悬浮高度值，ly为第二激光测距传感器202至第四激光
测距传感器204之间的安装距离。

[0124] 设定第五激光测距传感器205与第七激光测距传感器207之间的安装间距为ly，此时，右侧永磁悬浮模块7的左侧俯仰姿态角(x轴转动)∠β3计算公式为：

[0125]

[0126] 其中，d5为第五激光测距传感器205至永磁轨道的悬浮高度值，d7为相对设置的第七激光测距传感器207至永磁轨道的悬浮高度值，ly为第五激光测距传感器205至第七激光
测距传感器207之间的安装距离。

[0127] 设定第六激光测距传感器206与第八激光测距传感器208之间的安装间距为ly，此时，右侧永磁悬浮模块7的右侧俯仰姿态角(x轴转动)∠β4计算公式为：

[0128]

[0129] 其中，d6为第六激光测距传感器206至永磁轨道的悬浮高度值，d8为相对设置的第八激光测距传感器208至永磁轨道的悬浮高度值，ly为第六激光测距传感器206至第八激光
测距传感器208之间的安装距离。

[0130] 设定永磁悬浮模块俯仰姿态角(x轴转动)的阈值范围为：[∠βmin,∠βmax]，∠βmin为最小俯仰姿态角，∠βmax为最大俯仰姿态角。

[0131] 在一些实施例中，所述智能预警模块包括：

[0132] 与所述水平位移检测模块、姿态角检测模块连接的中央处理器301，所述中央处理器301用于接收水平位移检测模块、姿态角检测模块的测量数据；

[0133] 与所述中央处理器301连接的无线发送模块302；

[0134] 与所述无线发送模块302通信连接的无线接收模块和数据显示模块。

[0135] 具体地，在本申请实施例中，所述中央处理器301和无线发送模块302设置于转向架8上，所述无线接收模块和数据显示模块设置在远程PC端。

[0136] 所述无线发送模块302将经过所述中央处理器301处理的数据传输至远程PC端的无线接收模块，再通过PC端接收数据进行处理后，通过所述数据显示模块进行显示。

[0137] 需要说明的是，所述智能预警模块设定有各个数据(如水平位移值、悬浮高度值、滚动姿态角和俯仰姿态角)的阈值范围，并确定数据的计算方法，将获取的数据与其对应的阈值范围比较，判断Halbach阵列结构工作状态是否正常，如有异常发出报警指令，并在PC端进行显示对应的报警信息。

[0138] 本申请通过智能预警模块将水平位移值、悬浮高度值以及永磁悬浮模块的运行姿态角(即滚动姿态角和俯仰姿态角)与预先设定的阈值范围进行比较，以判断磁悬浮列车
Halbach阵列结构工作状态是否正常。如有异常则生成报警指令发送到PC端，PC端实时显示磁悬浮列车Halbach阵列结构工作状态的信息，并自动生成检测及预警报告。

[0139] 用户还可以根据需要自动保存磁悬浮列车Halbach阵列结构工作状态检测及预警的数据记录，形成磁悬浮列车Halbach阵列结构工作状态检测及预警记录数据库。

[0140] 本申请还提供一种永磁磁悬浮Halbach阵列结构工作状态检测及预警方法，包括以下步骤：

[0141] S100、测量永磁悬浮模块至轨道梁3之间的水平距离，获取永磁悬浮模块的水平位移值；

[0142] S200、测量所述永磁悬浮模块至永磁轨道之间的垂直距离，获取永磁悬浮模块的悬浮高度值；

[0143] S300、根据所述悬浮高度值，计算出所述永磁悬浮模块的滚动姿态角和俯仰姿态角；

[0144] S400、根据所述水平位移值、悬浮高度值、滚动姿态角和俯仰姿态角，判断Halbach阵列结构工作状态是否正常；

[0145] 若Halbach阵列结构工作状态为异常，则发出报警指令。

[0146] 在一些实施例中，所述S400，包括：

[0147] S401、分别设置所述水平位移值、悬浮高度值、滚动姿态角和俯仰姿态角的阈值范围；

[0148] S402、将获取的所述水平位移值、悬浮高度值、滚动姿态角和俯仰姿态角与其对应的阈值范围进行比较，判断Halbach阵列结构工作状态是否正常。

[0149] 在一些实施例中，判断Halbach阵列结构工作状态是否正常，包括：

[0150] 若所述水平位移值、悬浮高度值、滚动姿态角和俯仰姿态角中任一项的数值超出其对应的阈值范围，则判定Halbach阵列结构工作状态异常。

[0151] 具体地，在本申请实施例中，所述S100中水平位移值和S200中悬浮高度值的测量同时进行。

[0152] 应该理解的是，虽然上述实施例中的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行
完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

[0153] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识
或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要
求书指出。

[0154] 应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限
制。