一种磁悬浮列车运行控制系统仿真环境实现

 

　　近几年，随着铁路高速化成为世界的热点和重点，铁路在各国交通运输格局中占有举足轻重的地位。法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由200千米向300千米飞速发展。20世纪末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速达到360千米。要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统已经无能为力了。所以，欧洲、日本现在正运行的高速列车，在速度上已没有多大潜力。要进一步提高速度，必须转向新的技术，这就是超常规的列车--磁悬浮列车。

　　磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互排斥产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁排斥力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。推进系统：磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。

　　磁悬浮列车运行控制系统（OCS）是一个安全性要求很高的系统，其安全可靠性直接关系到磁浮列车的安全稳定运行。为了使磁悬浮列车运行控制系统达到相关的安全性标准，对其进行安全性测试是十分必要的。要进行安全性测试，就必须要有一个仿真环境对运行控制系统的实际运行条件进行模拟。仿真环境要求尽可能地反映真实情况，按照真实环境可能出现的各种故障进行模拟。

　　1  OCS外部环境分析

　　1.1 OCS外部环境功能描述

　　OCS由中央控制子系统、分区控制子系统和车载控制子系统三层结构组成。运行控制系统的外部环境包括道岔测控系统、分区牵引控制系统、分区牵引供电系统和列车悬浮导向及定位系统。OCS及外部环境结构如图1所示。

　　道岔测控系统主要用于控制道岔的位置，通过接收分区控制子系统的控制命令来移动并锁闭道岔，并把采集到的道岔位置信息传送给分区控制子系统；牵引控制系统按照分区控制子系统发出的控制命令和设定值完全自动运行，主要用于列车牵引的开、闭环控制和状态的监控；牵引供电系统为磁悬浮列车的运行提供动力，它通过大功率变流系统对输出的电压和电流进行调节，从而实现对磁悬浮列车牵引力的有效控制；列车悬浮导向及定位系统主要实现列车的悬浮、定位以及车辆横向稳定控制并跟踪导轨。

　　1.2 OCS外部接口分析

　　由图1可以看出，运行控制系统与道岔测控系统、牵引控制系统、牵引供电系统、列车悬浮导向及定位系统都有接口上的连接。

　　OCS与道岔测控系统的接口（如图1中①所示）包括串行接口和数字接口。在上海磁浮示范线中，串行接口用于传送道岔控制命令及位置信息；数字接口用于启动、关闭道岔测控系统的供电。

　　OCS与牵引控制系统的接口（如图1中②所示）为以太网接口。在上海磁浮示范线中，通过此接口向牵引供电控制系统传送列车运行的速度曲线数据和参数，从而实现对列车运行的控制。

　　OCS与牵引供电系统的接口（如图1中③所示）为数字接口。在上海磁浮示范线中，此数字接口用于对牵引供电系统的切断和切断命令执行后电流的回读。

　　OCS与列车悬浮导向及定位系统的接口（如图1中④所示）包括串行接口和数字接口。在上海磁浮示范线中，通过此串行接口传送列车定位信息及运行显示信息；数字接口用于对列车的浮起/放下、开启涡流制动、开关车门等。

　　2  OCS仿真环境的设计与实现

　　2.1 OCS仿真环境的建立

　　通过对OCS外部环境及外部接口的分析可知，环境仿真机可以分别实现对牵引供电系统、道岔系统、列车控制系统的模拟，外部接口也不外乎以太网、串行口和数字接口三种情况。另外，从磁浮列车运行的安全性方面考虑，以太网和串行通路采用双路冗余方式，数字信号采用动态输入输出方式。由此，可以建立如图2所示的OCS的仿真环境，分区控制计算机（DCC）与牵引供电系统环境仿真机之间有二条冗余以太网通路，分区牵引切断（DPS）与牵引供电系统环境仿真机之间有数字信号输入输出通路；分区道岔模块（DSM）与道岔系统环境仿真机之间有两条冗余RS232串行通路和数字信号输入输出通路；车载安全计算机（VSC）与列车控制系统环境仿真机之间有二条冗余RS232串行通路和数字信号输入输出通路。

　　OCS与牵引供电系统环境仿真机之间的以太网通路用于DCC与牵引供电系统环境仿真机之间交换相关的牵引数据，包括运行数据和状态数据；数字信号通路是DPS发送一个电子切断信号给牵引供电系统环境仿真机，或读取牵引供电系统环境仿真机执行切断命令后的状态信息。

　　OCS与道岔系统环境仿真机之间的RS232通路用于DSM向道岔系统环境仿真机发送道岔动作控制命令；数字信号通路用于道岔系统环境仿真机向DSM发送道岔的位置及状态信息。

　　OCS与列车控制系统环境仿真机之间的RS232通路用于VSC向驾驶员控制台提供其所需的运行显示信息，并且驾驶员控制台可以将驾驶员在控制台上发出的操作命令传送回去。列车定位系统通过RS232通路传递定位数据给VSC;数字信号通路用于VSC给列车控制设备发送控制命令，包括列车的浮起/放下、开启涡流制动、开关车门等，这些动作的结果又通过数字信号通路发回给VSC.

　　2.2 OCS仿真环境的实现

　　2.2.1 OCS仿真环境的硬件实现

　　OCS环境仿真的硬件结构包括牵引供电系统环境仿真机、道岔系统环境仿真机和列车控制系统环境仿真机。这些环境仿真机可采用普通的PC机来实现。一般的PC机都有二个RS232串口，满足二条冗余RS232串行通信的需要，不必另外扩展串口。双路冗余的以太网可以通过增加以太网卡的方式实现。数字信号的输入输出可以通过DB25的并行口进行通信，位数完全满足数字信号量通信的需要。

　　2.2.2 OCS仿真环境的软件实现

　　OCS环境仿真中的软件主要包括牵引供电系统环境仿真机中的软件、道岔系统环境仿真机中的软件和列车控制系统环境仿真机中的软件。

　　（1）牵引供电系统环境仿真机中的软件结构

　　根据故障-安全的原则，当车地之间的通信中断，列车的速度超过允许速度或低于允许速度时，必须对牵引供电系统进行安全牵引切断。分区牵引切断的动作通过电子切断和电气切断来实现。DPS向牵引供电系统环境仿真机发送一个电子切断信号，环境仿真机执行切断命令并回读电流值给DPS.如果回读的电流值超过了限定值，则引发电气切断。安全牵引切断事件的软件结构流程如图3所示。

　　（2）列车控制系统环境仿真机中的软件结构

　　列车控制系统环境仿真机主要接收来自VSC的控制命令并执行相应的操作。环境仿真机每执行一个控制命令就对应着一个功能模块，主要包括列车的启动及停止、紧急停车管理、改变运行模式、列车悬浮、辅助控制面板、涡流制动、监督车辆控制装置、车门监督等。本文仅给出了环境仿真机中的列车悬浮功能模块结构流程图。列车的悬浮必须满足三个条件：有足够的安全定位信息，没有紧急停车信号和分区控制子系统工作正常。列车悬浮功能模块的结构流程如图4所示。

　　（3）道岔系统环境仿真机中的软件结构

　　道岔系统环境仿真机收到DSM的道岔移动命令后开始移动道岔并将执行后的结果发送给DSM.道岔移动事件的软件结构流程如图5所示。

　　3  结  论

　　本文分析了OCS的外部环境及外部接口，包括以太网接口、串行接口和数字接口三种模式。基于上述分析，建立了磁悬浮列车运行控制系统的仿真环境，给出了磁悬浮列车运行控制系统仿真环境的硬件结构和软件处理流程。系统采用一般的PC机作为环境仿真机，通过通信链路的双路冗余方式以及数字信号的动态输入输出方式提高磁悬浮列车运行的安全性，并得出以下结论：

　　（1）以太网和串行通信本身不具备安全性，应用到运行控制系统中必须采取特殊的安全措施以保证数据传输的安全。本实现方案采取了增加冗余通道和对报文进行安全处理等方法来保证磁悬浮列车运行控制系统通信链路的安全性。

　　（2）采用动态的输入输出信号，避免电子器件发生故障时导致的固定的"0"或"1"输出对系统安全性的影响，保证了信号传输和系统控制的安全性。

　　（3）仿真环境中牵引供电系统环境仿真机、道岔系统环境仿真机和列车控制系统环境仿真机的硬件可采用普通的PC机来实现，其接口满足环境仿真的需要。

　　（4）各环境仿真机的软件结构设置应尽量反映真实环境的情况。在设计中综合考虑了系统的安全处理，采取相应的安全措施，使得整个系统满足高安全性的要求。