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。

　　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。

                                                              
　　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。

　　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。

　?。?）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，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)行一個控制命令就對應(yīng)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(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。

　?。?）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。

　　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：

　?。?）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，使得整個系統(tǒng)滿足高安全性的要求。