磁懸浮列車運行控制系統(tǒng)仿真

磁懸浮列車運行控制系統(tǒng)（OCS）是一個安全性要求很高的系統(tǒng)，其安全可靠性直接關系到磁浮列車的安全穩(wěn)定運行。為了使磁懸浮列車運行控制系統(tǒng)達到相關的安全性標準，對其進行安全性測試是十分必要的。要進行安全性測試，就必須要有一個仿真環(huán)境對運行控制系統(tǒng)的實際運行條件進行模擬。仿真環(huán)境要求盡可能地反映真實情況，按照真實環(huán)境可能出現(xiàn)的各種故障進行模擬。

　　1  OCS外部環(huán)境分析

　　1.1 OCS外部環(huán)境功能描述

　　OCS由中央控制子系統(tǒng)、分區(qū)控制子系統(tǒng)和車載控制子系統(tǒng)三層結構組成。運行控制系統(tǒng)的外部環(huán)境包括道岔測控系統(tǒng)、分區(qū)牽引控制系統(tǒng)、分區(qū)牽引供電系統(tǒng)和列車懸浮導向及定位系統(tǒng)。OCS及外部環(huán)境結構如圖1所示。

                                                              
　　道岔測控系統(tǒng)主要用于控制道岔的位置，通過接收分區(qū)控制子系統(tǒng)的控制命令來移動并鎖閉道岔，并把采集到的道岔位置信息傳送給分區(qū)控制子系統(tǒng)；牽引控制系統(tǒng)按照分區(qū)控制子系統(tǒng)發(fā)出的控制命令和設定值完全自動運行，主要用于列車牽引的開、閉環(huán)控制和狀態(tài)的監(jiān)控；牽引供電系統(tǒng)為磁懸浮列車的運行提供動力，它通過大功率變流系統(tǒng)對輸出的電壓和電流進行調節(jié)，從而實現(xiàn)對磁懸浮列車牽引力的有效控制；列車懸浮導向及定位系統(tǒng)主要實現(xiàn)列車的懸浮、定位以及車輛橫向穩(wěn)定控制并跟蹤導軌。

　　1.2 OCS外部接口分析

　　由圖1可以看出，運行控制系統(tǒng)與道岔測控系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、列車懸浮導向及定位系統(tǒng)都有接口上的連接。

　　OCS與道岔測控系統(tǒng)的接口（如圖1中①所示）包括串行接口和數(shù)字接口。在上海磁浮示范線中，串行接口用于傳送道岔控制命令及位置信息；數(shù)字接口用于啟動、關閉道岔測控系統(tǒng)的供電。

　　OCS與牽引控制系統(tǒng)的接口（如圖1中②所示）為以太網接口。在上海磁浮示范線中，通過此接口向牽引供電控制系統(tǒng)傳送列車運行的速度曲線數(shù)據和參數(shù)，從而實現(xiàn)對列車運行的控制。

　　OCS與牽引供電系統(tǒng)的接口（如圖1中③所示）為數(shù)字接口。在上海磁浮示范線中，此數(shù)字接口用于對牽引供電系統(tǒng)的切斷和切斷命令執(zhí)行后電流的回讀。

　　OCS與列車懸浮導向及定位系統(tǒng)的接口（如圖1中④所示）包括串行接口和數(shù)字接口。在上海磁浮示范線中，通過此串行接口傳送列車定位信息及運行顯示信息；數(shù)字接口用于對列車的浮起/放下、開啟渦流制動、開關車門等。

　　2  OCS仿真環(huán)境的設計與實現(xiàn)

　　2.1 OCS仿真環(huán)境的建立

　　通過對OCS外部環(huán)境及外部接口的分析可知，環(huán)境仿真機可以分別實現(xiàn)對牽引供電系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)的模擬，外部接口也不外乎以太網、串行口和數(shù)字接口三種情況。另外，從磁浮列車運行的安全性方面考慮，以太網和串行通路采用雙路冗余方式，數(shù)字信號采用動態(tài)輸入輸出方式。由此，可以建立如圖2所示的OCS的仿真環(huán)境，分區(qū)控制計算機（DCC）與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機之間有二條冗余以太網通路，分區(qū)牽引切斷（DPS）與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機之間有數(shù)字信號輸入輸出通路；分區(qū)道岔模塊（DSM）與道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機之間有兩條冗余RS232串行通路和數(shù)字信號輸入輸出通路；車載安全計算機（VSC）與列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機之間有二條冗余RS232串行通路和數(shù)字信號輸入輸出通路。

　　OCS與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機之間的以太網通路用于DCC與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機之間交換相關的牽引數(shù)據，包括運行數(shù)據和狀態(tài)數(shù)據；數(shù)字信號通路是DPS發(fā)送一個電子切斷信號給牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機，或讀取牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機執(zhí)行切斷命令后的狀態(tài)信息。

　　OCS與道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機之間的RS232通路用于DSM向道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機發(fā)送道岔動作控制命令；數(shù)字信號通路用于道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機向DSM發(fā)送道岔的位置及狀態(tài)信息。

　　OCS與列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機之間的RS232通路用于VSC向駕駛員控制臺提供其所需的運行顯示信息，并且駕駛員控制臺可以將駕駛員在控制臺上發(fā)出的操作命令傳送回去。列車定位系統(tǒng)通過RS232通路傳遞定位數(shù)據給VSC;數(shù)字信號通路用于VSC給列車控制設備發(fā)送控制命令，包括列車的浮起/放下、開啟渦流制動、開關車門等，這些動作的結果又通過數(shù)字信號通路發(fā)回給VSC.

　　2.2 OCS仿真環(huán)境的實現(xiàn)

　　2.2.1 OCS仿真環(huán)境的硬件實現(xiàn)

　　OCS環(huán)境仿真的硬件結構包括牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機和列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機。這些環(huán)境仿真機可采用普通的PC機來實現(xiàn)。一般的PC機都有二個RS232串口，滿足二條冗余RS232串行通信的需要，不必另外擴展串口。雙路冗余的以太網可以通過增加以太網卡的方式實現(xiàn)。數(shù)字信號的輸入輸出可以通過DB25的并行口進行通信，位數(shù)完全滿足數(shù)字信號量通信的需要。

　　2.2.2 OCS仿真環(huán)境的軟件實現(xiàn)

　　OCS環(huán)境仿真中的軟件主要包括牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機中的軟件、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機中的軟件和列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機中的軟件。

　　（1）牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機中的軟件結構

　　根據故障-安全的原則，當車地之間的通信中斷，列車的速度超過最大允許速度或低于最小允許速度時，必須對牽引供電系統(tǒng)進行安全牽引切斷。分區(qū)牽引切斷的動作通過電子切斷和電氣切斷來實現(xiàn)。DPS向牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機發(fā)送一個電子切斷信號，環(huán)境仿真機執(zhí)行切斷命令并回讀電流值給DPS.如果回讀的電流值超過了限定值，則引發(fā)電氣切斷。安全牽引切斷事件的軟件結構流程如圖3所示。

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　　（2）列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機中的軟件結構

　　列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機主要接收來自VSC的控制命令并執(zhí)行相應的操作。環(huán)境仿真機每執(zhí)行一個控制命令就對應著一個功能模塊，主要包括列車的啟動及停止、緊急停車管理、改變運行模式、列車懸浮、輔助控制面板、渦流制動、監(jiān)督車輛控制裝置、車門監(jiān)督等。本文僅給出了環(huán)境仿真機中的列車懸浮功能模塊結構流程圖。列車的懸浮必須滿足三個條件：有足夠的安全定位信息，沒有緊急停車信號和分區(qū)控制子系統(tǒng)工作正常。列車懸浮功能模塊的結構流程如圖4所示。

　?。?）道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機中的軟件結構

　　道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機收到DSM的道岔移動命令后開始移動道岔并將執(zhí)行后的結果發(fā)送給DSM.道岔移動事件的軟件結構流程如圖5所示。

　　3  結  論

　　系統(tǒng)采用一般的PC機作為環(huán)境仿真機，通過通信鏈路的雙路冗余方式以及數(shù)字信號的動態(tài)輸入輸出方式提高磁懸浮列車運行的安全性，并得出以下結論：

　?。?）以太網和串行通信本身不具備安全性，應用到運行控制系統(tǒng)中必須采取特殊的安全措施以保證數(shù)據傳輸?shù)陌踩?。本實現(xiàn)方案采取了增加冗余通道和對報文進行安全處理等方法來保證磁懸浮列車運行控制系統(tǒng)通信鏈路的安全性。

　?。?）采用動態(tài)的輸入輸出信號，避免電子器件發(fā)生故障時導致的固定的"0"或"1"輸出對系統(tǒng)安全性的影響，保證了信號傳輸和系統(tǒng)控制的安全性。

　?。?）仿真環(huán)境中牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機和列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機的硬件可采用普通的PC機來實現(xiàn)，其接口滿足環(huán)境仿真的需要。

　　（4）各環(huán)境仿真機的軟件結構設置應盡量反映真實環(huán)境的情況。在設計中綜合考慮了系統(tǒng)的安全處理，采取相應的安全措施，使得整個系統(tǒng)滿足高安全性的要求。