基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牡罔F列車控制電路仿真研究

盧銀鋒 錢雪軍

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,201804,上海)

在地鐵項(xiàng)目的研發(fā)、生產(chǎn)及后期維護(hù)的全生命周期中,仿真技術(shù)是一種重要的研究方法。目前,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在變電站二次電路仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[1]、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制繼電邏輯電路[2-3]、列車電路圖虛擬仿真運(yùn)行維護(hù)模擬[4]等領(lǐng)域已有較好的應(yīng)用。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)地鐵列車的控制電路進(jìn)行仿真研究,能夠達(dá)到在研發(fā)階段優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、降低設(shè)計(jì)與驗(yàn)證成本的目的。此外,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還能在培訓(xùn)階段采用形象化的方式動(dòng)態(tài)演示控制電路的運(yùn)行邏輯。

為解決地鐵列車控制電路耦合程度高、控制邏輯復(fù)雜的問題,本文基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),使用C++程序設(shè)計(jì)開發(fā)出一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牡罔F列車控制電路仿真系統(tǒng),結(jié)合司機(jī)控制臺(tái)等輸入裝置的輸入信號(hào),實(shí)時(shí)計(jì)算出元件的物理狀態(tài)及電狀態(tài),實(shí)現(xiàn)地鐵列車控制電路的動(dòng)態(tài)仿真。以上海軌道交通15號(hào)線列車的控制電路為例,對(duì)所提地鐵列車控制電路仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文研究可為列車司機(jī)及維保人員的培訓(xùn)提供良好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)。

1 地鐵列車控制電路仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地鐵列車控制電路包括列車喚醒電路、升弓電路、緊急制動(dòng)電路、門回路電路等,不但電路數(shù)量較大,而且采用多圖紙分散繪制。地鐵列車控制電路仿真系統(tǒng)將控制電路原理圖作為仿真對(duì)象。首先,采用所研制的輸入軟件將控制電路原理圖輸入計(jì)算機(jī),根據(jù)連接關(guān)系自動(dòng)將控制電路原理圖轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D;在此基礎(chǔ)上,通過基于深度優(yōu)先的通路搜索算法搜索出從電源到地的全部有效通路,建立地鐵控制電路邏輯控制模型;最后,結(jié)合司機(jī)室控制臺(tái)及各電氣柜等輸入設(shè)備對(duì)邏輯控制模型進(jìn)行仿真,以獲得電路中各元件的狀態(tài),同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示,從而實(shí)現(xiàn)地鐵列車控制電路的動(dòng)態(tài)仿真。地鐵列車控制電路仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵列車控制電路仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 建立地鐵列車控制電路邏輯控制模型

2.1 建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

地鐵列車控制電路為典型的復(fù)雜耦合網(wǎng)絡(luò),將電路圖轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行仿真分析是行之有效的處理方法。將電路圖抽象為支路與節(jié)點(diǎn)的集合,節(jié)點(diǎn)表示連接多條支路的連接點(diǎn),支路表示電流的流通路徑。將控制電路原理圖中3條及3條以上導(dǎo)線的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn),由n個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)集合D記作:

D={d1,d2,…,dn}

(1)

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間由元件與導(dǎo)線串聯(lián)形成的電路稱為支路,由m條支路構(gòu)成的支路集合B記作:

B={b1,b2,…,bm}

(2)

將包含k個(gè)元件的控制電路輸入計(jì)算機(jī)中,記錄構(gòu)成支路的元件集合以生成支路。為了描述支路與元件之間的關(guān)聯(lián)情況,引入支路與元件的關(guān)聯(lián)矩陣R。R的每一行對(duì)應(yīng)一條支路,每一列對(duì)應(yīng)一個(gè)元件。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅碚?可以使用節(jié)點(diǎn)與支路的關(guān)聯(lián)矩陣A來對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和描述。A的每一行代表一個(gè)節(jié)點(diǎn),每一列代表一條支路。將節(jié)點(diǎn)和支路之間的連接關(guān)系映射到矩陣元素上,用以描述節(jié)點(diǎn)與支路之間的關(guān)聯(lián)。需要注意的是,由于部分支路具有方向性,還需要考慮電流是否可以從節(jié)點(diǎn)流向支路。R和A的定義如下:

R=(rij)m×k

(3)

A=(aij)n×m

(4)

式中:

rij——關(guān)聯(lián)矩陣R第i行第j列的元素,rij=1表示第i條支路包含元件j,rij=0表示第i條支路不包含元件j;

aij——第i行第j列關(guān)聯(lián)矩陣A的元素,aij=1表示節(jié)點(diǎn)i與支路j關(guān)聯(lián)且節(jié)點(diǎn)i可流向支路j,aij=-1表示節(jié)點(diǎn)i與支路j關(guān)聯(lián)且節(jié)點(diǎn)i不可流向支路j,aij=0表示節(jié)點(diǎn)i與支路j無關(guān)聯(lián)。

通過建立這些關(guān)聯(lián)矩陣,能夠清晰地描述地鐵列車控制電路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將地鐵列車控制電路圖紙輸入計(jì)算機(jī)并自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠?以便后續(xù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行搜索通路與邏輯計(jì)算的步驟。

2.2 搜索有效通路

在地鐵列車控制電路生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG中,根據(jù)支路的方向性,假如從節(jié)點(diǎn)vi出發(fā)能到達(dá)節(jié)點(diǎn)vj,則稱vi到vj之間存在通路。有效通路是指根據(jù)節(jié)點(diǎn)與支路的關(guān)聯(lián)關(guān)系,使用基于深度優(yōu)先的通路搜索算法,從電源節(jié)點(diǎn)出發(fā)直至到達(dá)地節(jié)點(diǎn)的有序支路集合。考慮到搜索出的通路只有當(dāng)電源節(jié)點(diǎn)為起始節(jié)點(diǎn)和地節(jié)點(diǎn)為終止節(jié)點(diǎn)的條件下才能工作,所以本文重點(diǎn)研究從電源節(jié)點(diǎn)到地節(jié)點(diǎn)之間的有效通路。

鑒于控制電路的復(fù)雜性,本文使用基于深度優(yōu)先的通路搜索算法搜索全部有效通路,將包含l條有效通路的通路集合V記為:

V={v1,v2,…,vl}

(5)

有效通路的支路集合構(gòu)成了電流的流通路徑,因此為描述有效通路中流通路徑與支路之間的關(guān)系,引入通路與支路的關(guān)聯(lián)矩陣Z:

Z=(zij)l×m

(6)

式中:

zij——第i行第j列關(guān)聯(lián)矩陣Z的元素,zij=1表示第i條通路包含支路j,zij=0表示第i條通路不包含支路j。

2.3 計(jì)算元件狀態(tài)

元件的物理狀態(tài)是指元件的通斷狀態(tài),元件導(dǎo)通為1,元件斷開為0,定義元件的物理狀態(tài)矩陣SP為:

(7)

支路的物理狀態(tài)表示該支路的導(dǎo)通情況,當(dāng)支路中全部元件的物理狀態(tài)為1時(shí),支路導(dǎo)通,可獲得支路的物理狀態(tài)矩陣CP=[cP1cP2…cPm]T。cPi可以表示為:

(8)

式中:

通路的物理狀態(tài)表示組成通路的所有支路的導(dǎo)通情況,當(dāng)所有支路中的物理狀態(tài)為1,則通路的物理狀態(tài)也為1,可得到通路的物理狀態(tài)矩陣YP=[yP1yP2…yPl]T。yPi可以表示為:

(9)

式中:

通路的電狀態(tài)表示組成通路的物理狀態(tài)為1,且在電源節(jié)點(diǎn)與地節(jié)點(diǎn)之間施加了有效電壓,因此在電源正常工作情況下,通路的電狀態(tài)矩陣YE等于通路物理狀態(tài)YP。當(dāng)某一通路的電狀態(tài)為1時(shí),則構(gòu)成通路的所有支路的電狀態(tài)為1。考慮到一條支路可能存在于多條通路中,所以只要其中一條通路的電狀態(tài)為1,則該支路得電。由此可以計(jì)算出所有支路的電狀態(tài)CE=[cE1cE2…cEm]T。cEj可以表示為:

(10)

元件的電狀態(tài)指是否有電流流過該元件,當(dāng)有電流流過時(shí)為1,反之為0。當(dāng)支路電狀態(tài)為1,則構(gòu)成該支路的全部元件得電,由此可以計(jì)算出元件的電狀態(tài)矩陣SE=[sE1sE2…sEk]T。sEj可以表示為:

(11)

3 仿真計(jì)算

3.1 搜索有效通路

采用基于深度優(yōu)先的通路搜索算法搜索網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲腥坑行?設(shè)計(jì)遞歸函數(shù)程序以實(shí)現(xiàn)該算法?；谏疃葍?yōu)先的通路搜索算法流程圖如圖2所示。

3.2 繼電器聯(lián)動(dòng)控制

繼電器與觸點(diǎn)通過機(jī)械或電磁等物理關(guān)系耦合,但這兩者往往分散在不同圖紙上,這也是造成繼電器與觸點(diǎn)耦合程度高的原因之一。在繪制圖紙階段,由特定命名規(guī)則建立起繼電器與觸點(diǎn)的物理連接關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)繼電器聯(lián)動(dòng)控制設(shè)計(jì)事件管理單元。繼電器聯(lián)動(dòng)控制示意圖如圖3所示。

注:tα為仿真時(shí)刻;Qα為時(shí)刻tα對(duì)應(yīng)的事件隊(duì)列;Eαx為事件隊(duì)列Qα中的事件。

繼電器的得電過程和失電過程分別定義為繼電器得電事件和繼電器失電事件。當(dāng)繼電器的電狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的繼電器事件,并將其添加到對(duì)應(yīng)時(shí)刻的事件隊(duì)列中。當(dāng)普通繼電器電狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),將觸發(fā)的繼電器事件添加至下一時(shí)刻事件隊(duì)列中;當(dāng)延時(shí)繼電器電狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),將觸發(fā)的繼電器事件添加到相應(yīng)時(shí)刻的事件隊(duì)列里。仿真按照固定時(shí)間步長推進(jìn),依次取當(dāng)前時(shí)刻事件隊(duì)列中的事件。響應(yīng)繼電器事件時(shí),根據(jù)繼電器與觸點(diǎn)元件間建立的物理連接關(guān)系,更新相應(yīng)觸點(diǎn)元件的物理狀態(tài)。

結(jié)合上述地鐵列車控制電路邏輯控制模型,通過仿真計(jì)算可以實(shí)時(shí)更新元件的電狀態(tài)。

4 仿真驗(yàn)證

以上海軌道交通15號(hào)線列車控制電路為例,對(duì)所提地鐵列車控制電路仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)選取控制電路的主要電路(包括列車喚醒電路、升弓電路、緊急制動(dòng)電路、門回路電路及輔助電路)進(jìn)行輸入與仿真,根據(jù)連接關(guān)系自動(dòng)生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,同時(shí)通過深度優(yōu)先算法搜索出全部有效通路,建立邏輯控制模型,配合繼電器聯(lián)動(dòng)控制方法,由元件狀態(tài)計(jì)算式(7)—式(11)實(shí)時(shí)計(jì)算得出元件的電狀態(tài),并進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示,實(shí)現(xiàn)地鐵列車控制電路的多圖紙聯(lián)合仿真計(jì)算。本文以緊急制動(dòng)回路為例進(jìn)行驗(yàn)證說明。

緊急制動(dòng)回路主要采用得電緩解、失電制動(dòng)的控制方式。在地鐵列車控制電路仿真軟件中將元件得電與失電的兩種狀態(tài)賦予不同顏色,根據(jù)元件的顏色變化可以形象地觀測(cè)出元件的得失電情況。

計(jì)算機(jī)開始仿真時(shí),列車110 V直流電源裝置得電,列車鑰匙打開,A1車廂司機(jī)室占有繼電器COR1—COR8得電。司機(jī)控制臺(tái)上的駕駛控制手柄放置非制動(dòng)位,制動(dòng)指令繼電器NBDR1失電。由仿真計(jì)算結(jié)果可知,緊急制動(dòng)電路中形成了導(dǎo)通回路,緊急制動(dòng)接觸器EK1、EK2得電,并形成自鎖,列車處于非緊急制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)按下緊急制動(dòng)按鈕EMPB1時(shí),緊急制動(dòng)回路斷開,緊急制動(dòng)接觸器EK1、EK2失電,列車處于緊急制動(dòng)狀態(tài),全部元件失電。

5 結(jié)語

本文將地鐵列車控制電路作為仿真對(duì)象,介紹了地鐵列車控制電路仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與建模過程,基于深度優(yōu)先搜索算法搜索有效通路,根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)關(guān)系實(shí)時(shí)更新元件狀態(tài),并配合繼電器聯(lián)動(dòng)控制方法實(shí)現(xiàn)地鐵控制電路的多圖紙聯(lián)合仿真。以上海軌道交通15號(hào)線列車控制電路為例,驗(yàn)證了所提控制電路仿真系統(tǒng)的正確性。該仿真系統(tǒng)能夠滿足地鐵司機(jī)和維保人員對(duì)于地鐵控制電路原理的學(xué)習(xí)培訓(xùn)需求,具有一定的實(shí)用價(jià)值。