高速磁浮车载运行控制仿真子系统研究*

李章杨 虞 翊 陈义军

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海；2.同济大学国家磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海//第一作者，硕士研究生)

高速磁浮运行控制系统是保证高速磁浮列车安全、高效、可靠运行的基础。对高速磁浮运行控制系统装备进行研究和开发，就需要对其各子系统进行功能测试、性能测试和联合调试。而运行控制系统作为一个分布式复杂系统，其测试工作具有危险性、难复原性和难重复性。为了推动高速磁浮运行控制系统装备的产业化，需要建立高速磁浮半实物仿真集成系统测试平台，为运行控制系统进行系统设计、产品选型、方案评估、系统测试、系统优化和故障维护提供支撑服务。本文重点对该平台中的车载运控仿真子系统进行研究。

1 高速磁浮运行控制系统仿真平台结构

高速磁浮运行控制系统仿真平台是一个基于真实运行控制系统接口[1]，由运行控制系统(主体设备)和外围仿真环境组成，是集仿真、测试、评估和研发于一体的半实物仿真测试系统，其结构如图1所示。中央运行控制系统(CCS)和分区运行控制系统(DCS)是真实设备，是该平台主要的测试对象。

(1) 道岔仿真系统，主要实现道岔的动作和锁闭，提供道岔动作过程和锁闭过程中各继电器的状态信息。

(2) 牵引供电系统，提供列车运行的动力，实现列车的常规制动，并监视运行过程中各子系统的相关状态。

(3) 无线电仿真系统，包含车载无线电系统(MRCU)和分区无线电系统(DRCU)，实现车地间数据的可靠、实时传输。

(4) 车载运行控制(VCS)仿真系统，能够改变列车运行模式，对列车运行进行安全控制(比如悬浮控制和车门控制)；根据接收到的定位信息，进行最大速度曲线监控，当超速时，启动涡流制动功能，实现超速防护。

图1 高速磁浮运行控制系统仿真平台

(5) 驾驶员控制台(DC)，模拟真实驾驶台的人机界面，响应操作员的控制命令，并实时显示列车运行过程中的相关状态。

(6) 列车诊断计算机(VDC)，收集车载运行控制系统的故障状态，并发送给中央诊断终端。

(7) 车载控制单元(OBC)，接收车载运行控制系统的车载设施控制信号，并模拟车载设施动作后的车载设施状态信号。

(8) 定位系统(ORT)，模拟列车在线路中的运行，产生运行过程中的定位数据，提供列车运行过程中的参考位置、相对位置、速度、方向和定位延时等信息。

2 车载运行控制仿真子系统设计

2.1 车载安全计算机仿真软件结构

车载运行控制仿真子系统由两个车载安全计算机组成，由仿真软件实现对列车的安全控制和防护。VSC2作为VSC1的备用系统，功能基本一致，当VSC1定位信息不安全，或VSC1出现故障，或VSC1和VSC2通信中断时，VSC2取得控制权并使列车安全停下。本文主要对VSC1进行研究。为了使VSC1仿真软件更加灵活，具有可扩展性，将仿真软件分为接口层、数据管理层和业务功能层三个层次[2]，VSC1的软件结构如图2所示。

2.2 功能模块的设计

2.2.1 接口功能

VSC1和VSC2、DCS、DC、VDC、ORT之间的接口功能主要是建立VSC1和这些模块之间的“故障—安全”的通信机制，即当超过3个通信周期未收到相应模块的信息或心跳报文，则认为VSC1和相应模块之间的通信出现故障，通知强制停车进行相应的处理；对数据进行校验、打包和拆包操作。VSC1和OBC之间的接口功能主要是建立和OBC的数字设备的连接，对OBC的数字信号进行读取和写入。将接口功能独立出来，可以当接口出现改变时，直接进行替换扩展，而不影响核心功能的实现。

2.2.2 数据及命令管理功能

VSC1中的VSC2、DCS、DC、VDC、ORT、OBC的数据及命令管理功能基本一致：对接收到的数据进行分类处理，若是状态信息或参数设置，则通知相应的模块进行保存、设置或显示；若是控制命令，则下发命令或控制信号给相应的模块。

图2 VSC1的软件结构图

ORT数据及命令管理功能还需要对ORT传输的定位数据进行解析。参考位置使通过读出分布在轨道上定位标志板的参考位置代码查表得到；相对位置是列车通过分布在轨道上齿槽的数量乘以齿槽长度得到；速度是将16位二进制代码转换为十进制后乘以0.01 km/h得到；方向由2位二进制代码标志表示，“11”代表正方向，“00”代表负方向；定位延时是将16位二进制代码转换为十进制，单位为ms。

2.2.3 运行模式切换

运行模式主要包含OCS(列车运行控制)运行模式和列车运行模式两种。

OCS运行模式与列车运行模式的区别主要是列车运行相关命令的来源不同，主要包括：①CCS模式，由CCS控制列车运行；②Driver模式，由驾驶员控制列车运行。

列车运行模式主要是当列车需要检修时进行切换，主要有三种：①Automatic模式，即自动驾驶模式；②MwP模式，即有牵引维护模式；③MwoP模式，即无牵引维护模式。

Automatic模式和MwP模式的区别不大，列车都是在按照预定好的进路运行，由DCS和VSC对列车进行驾驶序列控制和安全防护。当列车处于MwP模式时，VSC的强制停车管理将在操作员负责的前提下忽略由OBC引起的强制停车原因。MwoP模式时，列车无法运行；在列车操作员负责和VSC忽略所有强制停车原因的前提下，VSC直接执行对列车的控制。

运行模式切换功能能够执行OCS模式切换和列车运行模式转换。OCS模式切换由CCS发起，DCS判断执行，VSC保存最终的OCS运行模式。列车运行模式转换由操作员在列车处于安全停止状态时发起，DCS回复允许模式转换后，执行转换并记录列车运行模式。若转入到MwoP模式，会产生禁止运行类强制停车来避免列车意外运行。

2.2.4 强制停车管理

强制停车指的是当列车处于异常情况时，让列车停下或放下车辆，让列车处于安全状态。强制停车类型主要包括静止监控、禁止运行、强制停车到当前停车点、紧急停车和停工。静止监控是当车辆处于停止且悬浮状态时开启，当车辆移动超过指定的距离或车辆速度超过指定的速度时，强制停车管理将会向车辆悬浮发送放下车辆命令。禁止运行和强制停车到当前停车点都是通过禁止发起停车点步进执行的，实施禁止运行时列车处于停车状态，实施强制停车到当前停车点时列车处于运行状态。紧急停车是VSC1通过涡流制动让列车在最短的时间内停下并放下车辆；若列车已经停止，该命令将只产生放下车辆命令。停工是当停车并放下的车辆上存在强制停车原因时，将产生该类型的强制停车，强制停车管理会禁止列车悬浮。

强制停车管理接收到其余模块发送的强制停车原因后，首先根据运行模式屏蔽相关的强制停车原因。若仍然存在强制停车原因，则判断当前车辆状态，当车辆处于停止且放下状态时，则产生停工类型强制停车。当车辆处于停止悬浮状态时，则列车禁止运行，通知速度曲线模块禁止发起停车点步进；当列车违背静止监控时，则执行放下车辆操作。当列车处于运行状态时，进行强制停车类型判断，若存在紧急停车类型强制停车，通知速度曲线模块执行紧急停车；若存在强制停车到当前停车点，通知速度曲线模块禁止发起停车点步进，并停在当前停车点。

2.2.5 速度曲线监控

速度曲线监控能够在系统出现故障或其他紧急情况时，要求立即切断磁浮列车的牵引供电，依靠列车上的安全制动系统或者自身动能和势能滑行至列车前方最近的停车点安全停车。这需要系统能够对列车运行速度的上限和下限都同时进行安全防护，即双限速度防护。车载运行控制系统负责最大速度曲线监控，实现超速防护。图3为速度曲线防护原理。

图3 速度曲线防护原理

在计算安全制动曲线时，需要考虑线路坡度、最大允许线路速度、速度限制区，以及列车的加速及制动能力，然后建立从停车区危险点到当前位置的安全制动曲线的数据模型，再通过平移安全制动曲线获得最大速度曲线。

当到达下一停车点的最大速度曲线计算完毕后，判断系统当前是否存在强制停车原因；如果不存在强制停车原因，向DCS发起停车点步进；收到DCS确认消息后，通知最大速度曲线监控开始监控到新停车点的速度曲线。如果存在强制停车原因，则禁止停车点步进；强制停车到当前停车点，切断牵引，并根据当前速度和位置计算制动力发送给涡流制动。

接收到步进到下一停车点的消息后，加载到下一停车点的最大速度曲线数据，周期性地接收来自定位模块的定位数据，获得列车当前速度和位置。若当前速度小于当前位置允许的最大速度，等待下一个列车速度和位置信息进行比较直到终点。若当前速度大于当前位置允许的最大速度，切断牵引，执行紧急制动。当速度小于一定值时，撤销紧急制动，重启牵引；最多重启1次牵引，超过次数后不再允许撤销紧急制动。

2.2.6 安全定位

ORT由4个电子单元组成。VSC仿真软件启动后，发送定位通道测试命令给4个电子单元，根据回复判断和4个电子单元之间的连接状态。列车登陆后，保存列车登陆时的初始位置信息。在列车运行前，发送定位测试命令给4个电子单元，根据回复判断4个电子单元的工作状态。在列车运行过程中，对ORT数据及命令管理功能中解析出来的定位数据进行校验和最终的定位信息处理，得到车辆中心位置、速度和方向，并发送给速度曲线功能和DCS进行相关处理。参考位置通过对比进路中的参考位置集来进行校验；速度通过速度的变化不超过最大加、减速度进行校验；方向通过对比系统提供的运行方向进行校验。车辆的中心位置由参考位置、相对位置以及定位延时造成的位置误差确定。安全定位功能需要保证定位系统安全工作，即和定位电子单元有2个及以上连接正常，2个及以上工作状态正常；同时在列车正式运行前，进行插入运行监视，需要检测到经过两个参考位置，且在第二个参考位置之前检测到一次列车运行方向的改变，表明电子单元能够正确识别出相关定位信息，保证列车的正常运行[3]。

2.2.7 车载设施安全监控

车载设施安全监控功能能够根据相应列车运行模式，响应DSC或DC的列车车载设施控制命令，对列车进行的控制包括悬浮控制、车门控制、涡流制动和供电控制。在进行控制信号下发之前，需要对控制命令进行条件判断，符合条件后，将控制信号发送给OBC。表1为各项控制的判断条件。

车载设施安全监控功能还能够周期性地采集OBC提供的车载设施状态信息，判断采集到的车载设施状态信息是否一致以及是否处于正常状态；若出现异常，产生强制停车原因，则进行相应的处理，实现对车辆的安全控制。

3 车载安全计算机仿真软件实现

车载运控仿真子系统硬件系统由工控机实现，软件部分由面向对象的编程语言C#完成。首先利用串口通信类，进行串口数据的读取和写入，利用数字通信类进行数字信号的读取和写入，实现接口层的功能。然后将串口通信类关联到VSC2数据管理类、DCS数据管理类、DC数据管理类、VDC数据管理类和ORT数据管理类，对串口通信类接收到的数据进行处理，将需要发送的信息利用串口通信类进行发送。OBC数据管理类关联数字通信类，实现对车载设施状态读取和发送车载设施控制信号。以此来实现数据管理层的功能。将核心功能层各个功能抽象成运行模式切换类、强制停车管理类、速度曲线监控类、安全定位类、OBC安全监控类，实现各自的功能[4-5]。最终形成的类图如图4所示。

表1 车载设施操作判断条件

图4 VSC1仿真软件类图

4 仿真流程

车载运控仿真子系统的工作流程如图5所示。

仿真开始后，首先读取各项配置文件，对接口参数进行初始化，然后和各个接口建立“故障-安全”连接，准备接收命令和数据。接着进行车载电网上电并完成列车登陆，保存列车号和车辆数据。然后对列车安全部件进行测试，主要包括定位测试和涡流制动测试来保证定位系统和涡流制动系统正常工作。然后对DCS发送的进路线路数据进行管理，主要是保存线路数据和识别停车点。然后DCS会发送悬浮命令，让列车浮起，准备运行；收到DCS发送的发车命令后，DCS进行发车确认回复，列车可以开始运行。在正式按照时刻表运行前，需要进行插入运行监视，列车经过两组定位标志板，且在经过第二组定位标志板前有一次运行方向的改变，实现安全定位。当速度曲线监控计算好最大速度曲线后，通知停车点步进开始步进，并根据接收到的定位数据进行最大速度曲线防护；中间若出现异常情况，由强制停车管理将列车停在当前停车点或紧急制动，通过列车当前速度计算涡流制动力实现列车安全停车。当列车到达终点后，停车点步进管理将禁止步进，列车停下，并发送放下车辆和释放车门命令。

图5 车载运控仿真子系统工作流程

仿真过程中，车载运控仿真子系统各个功能模块同时运行，仿真子系统与其他设备协调工作，完成列车的安全防护和控制。

5结语

本文在高速磁浮运行控制系统仿真平台的基础上，对高速磁浮车载运行控制仿真子系统进行了研究，设计了车载安全计算机仿真软件的结构，对车载安全计算机的功能进行了设计，根据功能模块，利用C#语言将各功能模块抽象成类。最后对车载运行控制仿真子系统的工作流程进行了描述，表明设计的系统能够满足要求，能够实现列车运行控制，能够配合分区进行测试调试。