高速磁浮車載運行控制仿真子系統(tǒng)研究*

李章楊 虞 翊 陳義軍

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；2.同濟大學國家磁浮交通工程技術研究中心，201804，上海//第一作者，碩士研究生)

高速磁浮運行控制系統(tǒng)是保證高速磁浮列車安全、高效、可靠運行的基礎。對高速磁浮運行控制系統(tǒng)裝備進行研究和開發(fā)，就需要對其各子系統(tǒng)進行功能測試、性能測試和聯(lián)合調試。而運行控制系統(tǒng)作為一個分布式復雜系統(tǒng)，其測試工作具有危險性、難復原性和難重復性。為了推動高速磁浮運行控制系統(tǒng)裝備的產(chǎn)業(yè)化，需要建立高速磁浮半實物仿真集成系統(tǒng)測試平臺，為運行控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)設計、產(chǎn)品選型、方案評估、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)優(yōu)化和故障維護提供支撐服務。本文重點對該平臺中的車載運控仿真子系統(tǒng)進行研究。

1 高速磁浮運行控制系統(tǒng)仿真平臺結構

高速磁浮運行控制系統(tǒng)仿真平臺是一個基于真實運行控制系統(tǒng)接口[1]，由運行控制系統(tǒng)(主體設備)和外圍仿真環(huán)境組成，是集仿真、測試、評估和研發(fā)于一體的半實物仿真測試系統(tǒng)，其結構如圖1所示。中央運行控制系統(tǒng)(CCS)和分區(qū)運行控制系統(tǒng)(DCS)是真實設備，是該平臺主要的測試對象。

(1) 道岔仿真系統(tǒng)，主要實現(xiàn)道岔的動作和鎖閉，提供道岔動作過程和鎖閉過程中各繼電器的狀態(tài)信息。

(2) 牽引供電系統(tǒng)，提供列車運行的動力，實現(xiàn)列車的常規(guī)制動，并監(jiān)視運行過程中各子系統(tǒng)的相關狀態(tài)。

(3) 無線電仿真系統(tǒng)，包含車載無線電系統(tǒng)(MRCU)和分區(qū)無線電系統(tǒng)(DRCU)，實現(xiàn)車地間數(shù)據(jù)的可靠、實時傳輸。

(4) 車載運行控制(VCS)仿真系統(tǒng)，能夠改變列車運行模式，對列車運行進行安全控制(比如懸浮控制和車門控制)；根據(jù)接收到的定位信息，進行最大速度曲線監(jiān)控，當超速時，啟動渦流制動功能，實現(xiàn)超速防護。

圖1 高速磁浮運行控制系統(tǒng)仿真平臺

(5) 駕駛員控制臺(DC)，模擬真實駕駛臺的人機界面，響應操作員的控制命令，并實時顯示列車運行過程中的相關狀態(tài)。

(6) 列車診斷計算機(VDC)，收集車載運行控制系統(tǒng)的故障狀態(tài)，并發(fā)送給中央診斷終端。

(7) 車載控制單元(OBC)，接收車載運行控制系統(tǒng)的車載設施控制信號，并模擬車載設施動作后的車載設施狀態(tài)信號。

(8) 定位系統(tǒng)(ORT)，模擬列車在線路中的運行，產(chǎn)生運行過程中的定位數(shù)據(jù)，提供列車運行過程中的參考位置、相對位置、速度、方向和定位延時等信息。

2 車載運行控制仿真子系統(tǒng)設計

2.1 車載安全計算機仿真軟件結構

車載運行控制仿真子系統(tǒng)由兩個車載安全計算機組成，由仿真軟件實現(xiàn)對列車的安全控制和防護。VSC2作為VSC1的備用系統(tǒng)，功能基本一致，當VSC1定位信息不安全，或VSC1出現(xiàn)故障，或VSC1和VSC2通信中斷時，VSC2取得控制權并使列車安全停下。本文主要對VSC1進行研究。為了使VSC1仿真軟件更加靈活，具有可擴展性，將仿真軟件分為接口層、數(shù)據(jù)管理層和業(yè)務功能層三個層次[2]，VSC1的軟件結構如圖2所示。

2.2 功能模塊的設計

2.2.1 接口功能

VSC1和VSC2、DCS、DC、VDC、ORT之間的接口功能主要是建立VSC1和這些模塊之間的“故障—安全”的通信機制，即當超過3個通信周期未收到相應模塊的信息或心跳報文，則認為VSC1和相應模塊之間的通信出現(xiàn)故障，通知強制停車進行相應的處理；對數(shù)據(jù)進行校驗、打包和拆包操作。VSC1和OBC之間的接口功能主要是建立和OBC的數(shù)字設備的連接，對OBC的數(shù)字信號進行讀取和寫入。將接口功能獨立出來，可以當接口出現(xiàn)改變時，直接進行替換擴展，而不影響核心功能的實現(xiàn)。

2.2.2 數(shù)據(jù)及命令管理功能

VSC1中的VSC2、DCS、DC、VDC、ORT、OBC的數(shù)據(jù)及命令管理功能基本一致：對接收到的數(shù)據(jù)進行分類處理，若是狀態(tài)信息或參數(shù)設置，則通知相應的模塊進行保存、設置或顯示；若是控制命令，則下發(fā)命令或控制信號給相應的模塊。

圖2 VSC1的軟件結構圖

ORT數(shù)據(jù)及命令管理功能還需要對ORT傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據(jù)進行解析。參考位置使通過讀出分布在軌道上定位標志板的參考位置代碼查表得到；相對位置是列車通過分布在軌道上齒槽的數(shù)量乘以齒槽長度得到；速度是將16位二進制代碼轉換為十進制后乘以0.01 km/h得到；方向由2位二進制代碼標志表示，“11”代表正方向，“00”代表負方向；定位延時是將16位二進制代碼轉換為十進制，單位為ms。

2.2.3 運行模式切換

運行模式主要包含OCS(列車運行控制)運行模式和列車運行模式兩種。

OCS運行模式與列車運行模式的區(qū)別主要是列車運行相關命令的來源不同，主要包括：①CCS模式，由CCS控制列車運行；②Driver模式，由駕駛員控制列車運行。

列車運行模式主要是當列車需要檢修時進行切換，主要有三種：①Automatic模式，即自動駕駛模式；②MwP模式，即有牽引維護模式；③MwoP模式，即無牽引維護模式。

Automatic模式和MwP模式的區(qū)別不大，列車都是在按照預定好的進路運行，由DCS和VSC對列車進行駕駛序列控制和安全防護。當列車處于MwP模式時，VSC的強制停車管理將在操作員負責的前提下忽略由OBC引起的強制停車原因。MwoP模式時，列車無法運行；在列車操作員負責和VSC忽略所有強制停車原因的前提下，VSC直接執(zhí)行對列車的控制。

運行模式切換功能能夠執(zhí)行OCS模式切換和列車運行模式轉換。OCS模式切換由CCS發(fā)起，DCS判斷執(zhí)行，VSC保存最終的OCS運行模式。列車運行模式轉換由操作員在列車處于安全停止狀態(tài)時發(fā)起，DCS回復允許模式轉換后，執(zhí)行轉換并記錄列車運行模式。若轉入到MwoP模式，會產(chǎn)生禁止運行類強制停車來避免列車意外運行。

2.2.4 強制停車管理

強制停車指的是當列車處于異常情況時，讓列車停下或放下車輛，讓列車處于安全狀態(tài)。強制停車類型主要包括靜止監(jiān)控、禁止運行、強制停車到當前停車點、緊急停車和停工。靜止監(jiān)控是當車輛處于停止且懸浮狀態(tài)時開啟，當車輛移動超過指定的距離或車輛速度超過指定的速度時，強制停車管理將會向車輛懸浮發(fā)送放下車輛命令。禁止運行和強制停車到當前停車點都是通過禁止發(fā)起停車點步進執(zhí)行的，實施禁止運行時列車處于停車狀態(tài)，實施強制停車到當前停車點時列車處于運行狀態(tài)。緊急停車是VSC1通過渦流制動讓列車在最短的時間內停下并放下車輛；若列車已經(jīng)停止，該命令將只產(chǎn)生放下車輛命令。停工是當停車并放下的車輛上存在強制停車原因時，將產(chǎn)生該類型的強制停車，強制停車管理會禁止列車懸浮。

強制停車管理接收到其余模塊發(fā)送的強制停車原因后，首先根據(jù)運行模式屏蔽相關的強制停車原因。若仍然存在強制停車原因，則判斷當前車輛狀態(tài)，當車輛處于停止且放下狀態(tài)時，則產(chǎn)生停工類型強制停車。當車輛處于停止懸浮狀態(tài)時，則列車禁止運行，通知速度曲線模塊禁止發(fā)起停車點步進；當列車違背靜止監(jiān)控時，則執(zhí)行放下車輛操作。當列車處于運行狀態(tài)時，進行強制停車類型判斷，若存在緊急停車類型強制停車，通知速度曲線模塊執(zhí)行緊急停車；若存在強制停車到當前停車點，通知速度曲線模塊禁止發(fā)起停車點步進，并停在當前停車點。

2.2.5 速度曲線監(jiān)控

速度曲線監(jiān)控能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或其他緊急情況時，要求立即切斷磁浮列車的牽引供電，依靠列車上的安全制動系統(tǒng)或者自身動能和勢能滑行至列車前方最近的停車點安全停車。這需要系統(tǒng)能夠對列車運行速度的上限和下限都同時進行安全防護，即雙限速度防護。車載運行控制系統(tǒng)負責最大速度曲線監(jiān)控，實現(xiàn)超速防護。圖3為速度曲線防護原理。

圖3 速度曲線防護原理

在計算安全制動曲線時，需要考慮線路坡度、最大允許線路速度、速度限制區(qū)，以及列車的加速及制動能力，然后建立從停車區(qū)危險點到當前位置的安全制動曲線的數(shù)據(jù)模型，再通過平移安全制動曲線獲得最大速度曲線。

當?shù)竭_下一停車點的最大速度曲線計算完畢后，判斷系統(tǒng)當前是否存在強制停車原因；如果不存在強制停車原因，向DCS發(fā)起停車點步進；收到DCS確認消息后，通知最大速度曲線監(jiān)控開始監(jiān)控到新停車點的速度曲線。如果存在強制停車原因，則禁止停車點步進；強制停車到當前停車點，切斷牽引，并根據(jù)當前速度和位置計算制動力發(fā)送給渦流制動。

接收到步進到下一停車點的消息后，加載到下一停車點的最大速度曲線數(shù)據(jù)，周期性地接收來自定位模塊的定位數(shù)據(jù)，獲得列車當前速度和位置。若當前速度小于當前位置允許的最大速度，等待下一個列車速度和位置信息進行比較直到終點。若當前速度大于當前位置允許的最大速度，切斷牽引，執(zhí)行緊急制動。當速度小于一定值時，撤銷緊急制動，重啟牽引；最多重啟1次牽引，超過次數(shù)后不再允許撤銷緊急制動。

2.2.6 安全定位

ORT由4個電子單元組成。VSC仿真軟件啟動后，發(fā)送定位通道測試命令給4個電子單元，根據(jù)回復判斷和4個電子單元之間的連接狀態(tài)。列車登陸后，保存列車登陸時的初始位置信息。在列車運行前，發(fā)送定位測試命令給4個電子單元，根據(jù)回復判斷4個電子單元的工作狀態(tài)。在列車運行過程中，對ORT數(shù)據(jù)及命令管理功能中解析出來的定位數(shù)據(jù)進行校驗和最終的定位信息處理，得到車輛中心位置、速度和方向，并發(fā)送給速度曲線功能和DCS進行相關處理。參考位置通過對比進路中的參考位置集來進行校驗；速度通過速度的變化不超過最大加、減速度進行校驗；方向通過對比系統(tǒng)提供的運行方向進行校驗。車輛的中心位置由參考位置、相對位置以及定位延時造成的位置誤差確定。安全定位功能需要保證定位系統(tǒng)安全工作，即和定位電子單元有2個及以上連接正常，2個及以上工作狀態(tài)正常；同時在列車正式運行前，進行插入運行監(jiān)視，需要檢測到經(jīng)過兩個參考位置，且在第二個參考位置之前檢測到一次列車運行方向的改變，表明電子單元能夠正確識別出相關定位信息，保證列車的正常運行[3]。

2.2.7 車載設施安全監(jiān)控

車載設施安全監(jiān)控功能能夠根據(jù)相應列車運行模式，響應DSC或DC的列車車載設施控制命令，對列車進行的控制包括懸浮控制、車門控制、渦流制動和供電控制。在進行控制信號下發(fā)之前，需要對控制命令進行條件判斷，符合條件后，將控制信號發(fā)送給OBC。表1為各項控制的判斷條件。

車載設施安全監(jiān)控功能還能夠周期性地采集OBC提供的車載設施狀態(tài)信息，判斷采集到的車載設施狀態(tài)信息是否一致以及是否處于正常狀態(tài)；若出現(xiàn)異常，產(chǎn)生強制停車原因，則進行相應的處理，實現(xiàn)對車輛的安全控制。

3 車載安全計算機仿真軟件實現(xiàn)

車載運控仿真子系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由工控機實現(xiàn)，軟件部分由面向對象的編程語言C#完成。首先利用串口通信類，進行串口數(shù)據(jù)的讀取和寫入，利用數(shù)字通信類進行數(shù)字信號的讀取和寫入，實現(xiàn)接口層的功能。然后將串口通信類關聯(lián)到VSC2數(shù)據(jù)管理類、DCS數(shù)據(jù)管理類、DC數(shù)據(jù)管理類、VDC數(shù)據(jù)管理類和ORT數(shù)據(jù)管理類，對串口通信類接收到的數(shù)據(jù)進行處理，將需要發(fā)送的信息利用串口通信類進行發(fā)送。OBC數(shù)據(jù)管理類關聯(lián)數(shù)字通信類，實現(xiàn)對車載設施狀態(tài)讀取和發(fā)送車載設施控制信號。以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理層的功能。將核心功能層各個功能抽象成運行模式切換類、強制停車管理類、速度曲線監(jiān)控類、安全定位類、OBC安全監(jiān)控類，實現(xiàn)各自的功能[4-5]。最終形成的類圖如圖4所示。

表1 車載設施操作判斷條件

圖4 VSC1仿真軟件類圖

4 仿真流程

車載運控仿真子系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

仿真開始后，首先讀取各項配置文件，對接口參數(shù)進行初始化，然后和各個接口建立“故障-安全”連接，準備接收命令和數(shù)據(jù)。接著進行車載電網(wǎng)上電并完成列車登陸，保存列車號和車輛數(shù)據(jù)。然后對列車安全部件進行測試，主要包括定位測試和渦流制動測試來保證定位系統(tǒng)和渦流制動系統(tǒng)正常工作。然后對DCS發(fā)送的進路線路數(shù)據(jù)進行管理，主要是保存線路數(shù)據(jù)和識別停車點。然后DCS會發(fā)送懸浮命令，讓列車浮起，準備運行；收到DCS發(fā)送的發(fā)車命令后，DCS進行發(fā)車確認回復，列車可以開始運行。在正式按照時刻表運行前，需要進行插入運行監(jiān)視，列車經(jīng)過兩組定位標志板，且在經(jīng)過第二組定位標志板前有一次運行方向的改變，實現(xiàn)安全定位。當速度曲線監(jiān)控計算好最大速度曲線后，通知停車點步進開始步進，并根據(jù)接收到的定位數(shù)據(jù)進行最大速度曲線防護；中間若出現(xiàn)異常情況，由強制停車管理將列車停在當前停車點或緊急制動，通過列車當前速度計算渦流制動力實現(xiàn)列車安全停車。當列車到達終點后，停車點步進管理將禁止步進，列車停下，并發(fā)送放下車輛和釋放車門命令。

圖5 車載運控仿真子系統(tǒng)工作流程

仿真過程中，車載運控仿真子系統(tǒng)各個功能模塊同時運行，仿真子系統(tǒng)與其他設備協(xié)調工作，完成列車的安全防護和控制。

5結語

本文在高速磁浮運行控制系統(tǒng)仿真平臺的基礎上，對高速磁浮車載運行控制仿真子系統(tǒng)進行了研究，設計了車載安全計算機仿真軟件的結構，對車載安全計算機的功能進行了設計，根據(jù)功能模塊，利用C#語言將各功能模塊抽象成類。最后對車載運行控制仿真子系統(tǒng)的工作流程進行了描述，表明設計的系統(tǒng)能夠滿足要求，能夠實現(xiàn)列車運行控制，能夠配合分區(qū)進行測試調試。