??? 摘? 要： 本文對磁懸浮列車控制系統(tǒng)" title="運(yùn)行控制系統(tǒng)">運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)軟硬件實(shí)現(xiàn)了磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的仿真測試平臺，為進(jìn)一步開展磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ),。
??? 關(guān)鍵詞： 磁懸浮列車? 運(yùn)行控制系統(tǒng)? 環(huán)境仿真
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??? 客運(yùn)交通發(fā)展的歷史是一個(gè)運(yùn)行速度不斷提高的歷史[2]，每一種新型交通工具的出現(xiàn)都伴隨著速度的顯著提高,。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù),、快速發(fā)展,，迫切需要建設(shè)和發(fā)展與高速客運(yùn)相適應(yīng)的、可持續(xù)發(fā)展的地面高速客運(yùn)交通體系,。高速磁懸浮列車是當(dāng)今惟一能達(dá)到500km/h運(yùn)營速度的地面交通工具,。作為一種安全,、快速,、舒適、環(huán)保的交通工具,，磁懸浮列車將得到不斷的發(fā)展和普及,，我國的磁浮交通事業(yè)也將進(jìn)入一個(gè)前所未有的發(fā)展階段。
??? 磁浮交通系統(tǒng)包括線路,、道岔系統(tǒng),，列車控制系統(tǒng)，供電,、驅(qū)動系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)四個(gè)部分,。其中運(yùn)行控制系統(tǒng)是整個(gè)磁浮交通系統(tǒng)的“大腦”，它涉及檢測,、有線和無線通信,、數(shù)據(jù)處理、自動控制等各種高新技術(shù),。運(yùn)行控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制,、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信及信息處理等先進(jìn)技術(shù)與磁浮交通系統(tǒng)的車輛,、安全防護(hù),、自動運(yùn)行及調(diào)度管理等任務(wù)相連，完成對列車運(yùn)行的控制,、安全防護(hù),、自動運(yùn)行及調(diào)度管理等任務(wù)[3]。運(yùn)行控制系統(tǒng)在整個(gè)磁浮交通系統(tǒng)中對列車運(yùn)行進(jìn)行自動控制與安全防護(hù)起核心作用,。
??? 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),，對其進(jìn)行安全性測試是十分必要的,。要進(jìn)行安全性測試，就必須要有一個(gè)仿真環(huán)境對運(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。
??? 目前,，我國在OCS安全性測試方面所做的工作還比較少,。筆者根據(jù)國內(nèi)對OCS的研究現(xiàn)狀對運(yùn)行控制系統(tǒng)的環(huán)境仿真展開研究,，并構(gòu)建了OCS的仿真環(huán)境，為OCS的安全性測試提供了軟硬平臺,。
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,。
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??? 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(shè)定值完全自動運(yùn)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(yùn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對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(guān)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(wǎng)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(yùn)行的速度曲線數(shù)據(jù)和參數(shù),，從而實(shí)現(xiàn)對列車運(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)字接口用于對列車的浮起/放下,、開啟渦流制動、開關(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
??? 通過對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(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)字信號輸入輸出通路。
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??? 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)字信號通路是DPS發(fā)送一個(gè)電子切斷信號給牽引供電系統(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(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向駕駛員控制臺提供其所需的運(yùn)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(jù)給VSC；數(shù)字信號通路用于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,、開啟渦流制動、開關(guān)車門等,，這些動作的結(jié)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(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)可以通過增加以太網(wǎng)卡的方式實(shí)現(xiàn),。數(shù)字信號的輸入輸出可以通過DB25的并行口進(jìn)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(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。
??? (1)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,，列車的速度超過最大允許速度或低于最小允許速度時(shí)，必須對牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行安全牽引切斷,。分區(qū)牽引切斷的動作通過電子切斷和電氣切斷來實(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，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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??? (2)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)控制命令就對應(yīng)著一個(gè)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(yùn)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(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(jié)構(gòu)流程如圖4所示。
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??? (3)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的道岔移動命令后開始移動道岔并將執(zhí)行后的結(jié)果發(fā)送給DSM,。道岔移動事件的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖5所示,。
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3? 結(jié)? 論
??? 本文分析了OCS的外部環(huán)境及外部接口，包括以太網(wǎng)接口,、串行接口和數(shù)字接口三種模式,。基于上述分析,，建立了磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境,，給出了磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境的硬件結(jié)構(gòu)和軟件處理流程。系統(tǒng)采用一般的PC機(jī)作為環(huán)境仿真機(jī)，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(yùn)行的安全性,，并得出以下結(jié)論：
??? (1)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１緦?shí)現(xiàn)方案采取了增加冗余通道和對報(bào)文進(jìn)行安全處理等方法來保證磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)通信鏈路的安全性,。
??? (2)采用動態(tài)的輸入輸出信號,，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,。
??? (3)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)來實(shí)現(xiàn)，其接口滿足環(huán)境仿真的需要,。
??? (4)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,。
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