磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真

磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（OCS）是一個(gè)安全性要求很高的系統(tǒng)，其安全可靠性直接關(guān)系到磁浮列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了使磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)達(dá)到相關(guān)的安全性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行安全性測(cè)試是十分必要的。要進(jìn)行安全性測(cè)試，就必須要有一個(gè)仿真環(huán)境對(duì)運(yùn)行控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件進(jìn)行模擬。仿真環(huán)境要求盡可能地反映真實(shí)情況，按照真實(shí)環(huán)境可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)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(jié)構(gòu)組成。運(yùn)行控制系統(tǒng)的外部環(huán)境包括道岔測(cè)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(dǎo)向及定位系統(tǒng)。OCS及外部環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                                                              
　　道岔測(cè)控系統(tǒng)主要用于控制道岔的位置，通過(guò)接收分區(qū)控制子系統(tǒng)的控制命令來(lái)移動(dòng)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(shè)定值完全自動(dòng)運(yùn)行，主要用于列車牽引的開(kāi)、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(yùn)行提供動(dòng)力，它通過(guò)大功率變流系統(tǒng)對(duì)輸出的電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮列車牽引力的有效控制；列車懸浮導(dǎo)向及定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)列車的懸浮、定位以及車輛橫向穩(wěn)定控制并跟蹤導(dǎo)軌。

　　1.2 OCS外部接口分析

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

　　OCS與道岔測(cè)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(dòng)、關(guān)閉道岔測(cè)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(wǎng)接口。在上海磁浮示范線中，通過(guò)此接口向牽引供電控制系統(tǒng)傳送列車運(yùn)行的速度曲線數(shù)據(jù)和參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)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(duì)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(dǎo)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(guò)此串行接口傳送列車定位信息及運(yùn)行顯示信息；數(shù)字接口用于對(duì)列車的浮起/放下、開(kāi)啟渦流制動(dòng)、開(kāi)關(guān)車門等。

　　2  OCS仿真環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 OCS仿真環(huán)境的建立

　　通過(guò)對(duì)OCS外部環(huán)境及外部接口的分析可知，環(huán)境仿真機(jī)可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wǎng)、串行口和數(shù)字接口三種情況。另外，從磁浮列車運(yùn)行的安全性方面考慮，以太網(wǎng)和串行通路采用雙路冗余方式，數(shù)字信號(hào)采用動(dòng)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(jì)算機(jī)（DCC）與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間有二條冗余以太網(wǎng)通路，分區(qū)牽引切斷（DPS）與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間有數(shù)字信號(hào)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(jī)之間有兩條冗余RS232串行通路和數(shù)字信號(hào)輸入輸出通路；車載安全計(jì)算機(jī)（VSC）與列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間有二條冗余RS232串行通路和數(shù)字信號(hào)輸入輸出通路。

　　OCS與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間的以太網(wǎng)通路用于DCC與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間交換相關(guān)的牽引數(shù)據(jù)，包括運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)字信號(hào)通路是DPS發(fā)送一個(gè)電子切斷信號(hào)給牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)，或讀取牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)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(jī)之間的RS232通路用于DSM向道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)發(fā)送道岔動(dòng)作控制命令；數(shù)字信號(hào)通路用于道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)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(jī)之間的RS232通路用于VSC向駕駛員控制臺(tái)提供其所需的運(yùn)行顯示信息，并且駕駛員控制臺(tái)可以將駕駛員在控制臺(tái)上發(fā)出的操作命令傳送回去。列車定位系統(tǒng)通過(guò)RS232通路傳遞定位數(shù)據(jù)給VSC;數(shù)字信號(hào)通路用于VSC給列車控制設(shè)備發(fā)送控制命令，包括列車的浮起/放下、開(kāi)啟渦流制動(dòng)、開(kāi)關(guān)車門等，這些動(dòng)作的結(jié)果又通過(guò)數(shù)字信號(hào)通路發(fā)回給VSC.

　　2.2 OCS仿真環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

　　2.2.1 OCS仿真環(huán)境的硬件實(shí)現(xiàn)

　　OCS環(huán)境仿真的硬件結(jié)構(gòu)包括牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)和列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)。這些環(huán)境仿真機(jī)可采用普通的PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般的PC機(jī)都有二個(gè)RS232串口，滿足二條冗余RS232串行通信的需要，不必另外擴(kuò)展串口。雙路冗余的以太網(wǎng)可以通過(guò)增加以太網(wǎng)卡的方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)的輸入輸出可以通過(guò)DB25的并行口進(jìn)行通信，位數(shù)完全滿足數(shù)字信號(hào)量通信的需要。

　　2.2.2 OCS仿真環(huán)境的軟件實(shí)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(jī)中的軟件、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件和列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件。

　?。?）牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)故障-安全的原則，當(dāng)車地之間的通信中斷，列車的速度超過(guò)最大允許速度或低于最小允許速度時(shí)，必須對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行安全牽引切斷。分區(qū)牽引切斷的動(dòng)作通過(guò)電子切斷和電氣切斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。DPS向牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)發(fā)送一個(gè)電子切斷信號(hào)，環(huán)境仿真機(jī)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(guò)了限定值，則引發(fā)電氣切斷。安全牽引切斷事件的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

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　?。?）列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件結(jié)構(gòu)

　　列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)主要接收來(lái)自VSC的控制命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。環(huán)境仿真機(jī)每執(zhí)行一個(gè)控制命令就對(duì)應(yīng)著一個(gè)功能模塊，主要包括列車的啟動(dòng)及停止、緊急停車管理、改變運(yùn)行模式、列車懸浮、輔助控制面板、渦流制動(dòng)、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(jī)中的列車懸浮功能模塊結(jié)構(gòu)流程圖。列車的懸浮必須滿足三個(gè)條件：有足夠的安全定位信息，沒(méi)有緊急停車信號(hào)和分區(qū)控制子系統(tǒng)工作正常。列車懸浮功能模塊的結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

　?。?）道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件結(jié)構(gòu)

　　道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)收到DSM的道岔移動(dòng)命令后開(kāi)始移動(dòng)道岔并將執(zhí)行后的結(jié)果發(fā)送給DSM.道岔移動(dòng)事件的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖5所示。

　　3  結(jié)  論

　　系統(tǒng)采用一般的PC機(jī)作為環(huán)境仿真機(jī)，通過(guò)通信鏈路的雙路冗余方式以及數(shù)字信號(hào)的動(dòng)態(tài)輸入輸出方式提高磁懸浮列車運(yùn)行的安全性，并得出以下結(jié)論：

　?。?）以太網(wǎng)和串行通信本身不具備安全性，應(yīng)用到運(yùn)行控制系統(tǒng)中必須采取特殊的安全措施以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。本?shí)現(xiàn)方案采取了增加冗余通道和對(duì)報(bào)文進(jìn)行安全處理等方法來(lái)保證磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)通信鏈路的安全性。

　?。?）采用動(dòng)態(tài)的輸入輸出信號(hào)，避免電子器件發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)致的固定的"0"或"1"輸出對(duì)系統(tǒng)安全性的影響，保證了信號(hào)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(jī)、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)和列車控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)的硬件可采用普通的PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其接口滿足環(huán)境仿真的需要。

　?。?）各環(huán)境仿真機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)置應(yīng)盡量反映真實(shí)環(huán)境的情況。在設(shè)計(jì)中綜合考慮了系統(tǒng)的安全處理，采取相應(yīng)的安全措施，使得整個(gè)系統(tǒng)滿足高安全性的要求。