李章楊 虞 翊 陳義軍

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海；2.同濟(jì)大學(xué)國(guó)家磁浮交通工程技術(shù)研究中心，201804，上海//第一作者，碩士研究生)

高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)是保證高速磁浮列車安全、高效、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。對(duì)高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)裝備進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，就需要對(duì)其各子系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試、性能測(cè)試和聯(lián)合調(diào)試。而運(yùn)行控制系統(tǒng)作為一個(gè)分布式復(fù)雜系統(tǒng)，其測(cè)試工作具有危險(xiǎn)性、難復(fù)原性和難重復(fù)性。為了推動(dòng)高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)裝備的產(chǎn)業(yè)化，需要建立高速磁浮半實(shí)物仿真集成系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，為運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品選型、方案評(píng)估、系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)優(yōu)化和故障維護(hù)提供支撐服務(wù)。本文重點(diǎn)對(duì)該平臺(tái)中的車載運(yùn)控仿真子系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)是一個(gè)基于真實(shí)運(yùn)行控制系統(tǒng)接口[1]，由運(yùn)行控制系統(tǒng)(主體設(shè)備)和外圍仿真環(huán)境組成，是集仿真、測(cè)試、評(píng)估和研發(fā)于一體的半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。中央運(yùn)行控制系統(tǒng)(CCS)和分區(qū)運(yùn)行控制系統(tǒng)(DCS)是真實(shí)設(shè)備，是該平臺(tái)主要的測(cè)試對(duì)象。

(1) 道岔仿真系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)道岔的動(dòng)作和鎖閉，提供道岔動(dòng)作過(guò)程和鎖閉過(guò)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(yùn)行的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)列車的常規(guī)制動(dòng)，并監(jiān)視運(yùn)行過(guò)程中各子系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)。

(3) 無(wú)線電仿真系統(tǒng)，包含車載無(wú)線電系統(tǒng)(MRCU)和分區(qū)無(wú)線電系統(tǒng)(DRCU)，實(shí)現(xiàn)車地間數(shù)據(jù)的可靠、實(shí)時(shí)傳輸。

(4) 車載運(yùn)行控制(VCS)仿真系統(tǒng)，能夠改變列車運(yùn)行模式，對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)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(jìn)行最大速度曲線監(jiān)控，當(dāng)超速時(shí)，啟動(dòng)渦流制動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)。

圖1 高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)

(5) 駕駛員控制臺(tái)(DC)，模擬真實(shí)駕駛臺(tái)的人機(jī)界面，響應(yīng)操作員的控制命令，并實(shí)時(shí)顯示列車運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)狀態(tài)。

(6) 列車診斷計(jì)算機(jī)(VDC)，收集車載運(yùn)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(yùn)行控制系統(tǒng)的車載設(shè)施控制信號(hào)，并模擬車載設(shè)施動(dòng)作后的車載設(shè)施狀態(tài)信號(hào)。

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

2 車載運(yùn)行控制仿真子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 車載安全計(jì)算機(jī)仿真軟件結(jié)構(gòu)

車載運(yùn)行控制仿真子系統(tǒng)由兩個(gè)車載安全計(jì)算機(jī)組成，由仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的安全控制和防護(hù)。VSC2作為VSC1的備用系統(tǒng)，功能基本一致，當(dāng)VSC1定位信息不安全，或VSC1出現(xiàn)故障，或VSC1和VSC2通信中斷時(shí)，VSC2取得控制權(quán)并使列車安全停下。本文主要對(duì)VSC1進(jìn)行研究。為了使VSC1仿真軟件更加靈活，具有可擴(kuò)展性，將仿真軟件分為接口層、數(shù)據(jù)管理層和業(yè)務(wù)功能層三個(gè)層次[2]，VSC1的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 功能模塊的設(shè)計(jì)

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(jī)制，即當(dāng)超過(guò)3個(gè)通信周期未收到相應(yīng)模塊的信息或心跳報(bào)文，則認(rèn)為VSC1和相應(yīng)模塊之間的通信出現(xiàn)故障，通知強(qiáng)制停車進(jìn)行相應(yīng)的處理；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、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(shè)備的連接，對(duì)OBC的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行讀取和寫(xiě)入。將接口功能獨(dú)立出來(lái)，可以當(dāng)接口出現(xiàn)改變時(shí)，直接進(jìn)行替換擴(kuò)展，而不影響核心功能的實(shí)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(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，若是狀態(tài)信息或參數(shù)設(shè)置，則通知相應(yīng)的模塊進(jìn)行保存、設(shè)置或顯示；若是控制命令，則下發(fā)命令或控制信號(hào)給相應(yīng)的模塊。

圖2 VSC1的軟件結(jié)構(gòu)圖

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

2.2.3 運(yùn)行模式切換

運(yùn)行模式主要包含OCS(列車運(yùn)行控制)運(yùn)行模式和列車運(yùn)行模式兩種。

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

列車運(yùn)行模式主要是當(dāng)列車需要檢修時(shí)進(jìn)行切換，主要有三種：①Automatic模式，即自動(dòng)駕駛模式；②MwP模式，即有牽引維護(hù)模式；③MwoP模式，即無(wú)牽引維護(hù)模式。

Automatic模式和MwP模式的區(qū)別不大，列車都是在按照預(yù)定好的進(jìn)路運(yùn)行，由DCS和VSC對(duì)列車進(jìn)行駕駛序列控制和安全防護(hù)。當(dāng)列車處于MwP模式時(shí)，VSC的強(qiáng)制停車管理將在操作員負(fù)責(zé)的前提下忽略由OBC引起的強(qiáng)制停車原因。MwoP模式時(shí)，列車無(wú)法運(yùn)行；在列車操作員負(fù)責(zé)和VSC忽略所有強(qiáng)制停車原因的前提下，VSC直接執(zhí)行對(duì)列車的控制。

運(yùn)行模式切換功能能夠執(zhí)行OCS模式切換和列車運(yùn)行模式轉(zhuǎn)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(yùn)行模式。列車運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換由操作員在列車處于安全停止?fàn)顟B(tài)時(shí)發(fā)起，DCS回復(fù)允許模式轉(zhuǎn)換后，執(zhí)行轉(zhuǎn)換并記錄列車運(yùn)行模式。若轉(zhuǎn)入到MwoP模式，會(huì)產(chǎn)生禁止運(yùn)行類強(qiáng)制停車來(lái)避免列車意外運(yùn)行。

2.2.4 強(qiáng)制停車管理

強(qiáng)制停車指的是當(dāng)列車處于異常情況時(shí)，讓列車停下或放下車輛，讓列車處于安全狀態(tài)。強(qiáng)制停車類型主要包括靜止監(jiān)控、禁止運(yùn)行、強(qiáng)制停車到當(dāng)前停車點(diǎn)、緊急停車和停工。靜止監(jiān)控是當(dāng)車輛處于停止且懸浮狀態(tài)時(shí)開(kāi)啟，當(dāng)車輛移動(dòng)超過(guò)指定的距離或車輛速度超過(guò)指定的速度時(shí)，強(qiáng)制停車管理將會(huì)向車輛懸浮發(fā)送放下車輛命令。禁止運(yùn)行和強(qiáng)制停車到當(dāng)前停車點(diǎn)都是通過(guò)禁止發(fā)起停車點(diǎn)步進(jìn)執(zhí)行的，實(shí)施禁止運(yùn)行時(shí)列車處于停車狀態(tài)，實(shí)施強(qiáng)制停車到當(dāng)前停車點(diǎn)時(shí)列車處于運(yùn)行狀態(tài)。緊急停車是VSC1通過(guò)渦流制動(dòng)讓列車在最短的時(shí)間內(nèi)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(dāng)停車并放下的車輛上存在強(qiáng)制停車原因時(shí)，將產(chǎn)生該類型的強(qiáng)制停車，強(qiáng)制停車管理會(huì)禁止列車懸浮。

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

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(shí)，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(dòng)系統(tǒng)或者自身動(dòng)能和勢(shì)能滑行至列車前方最近的停車點(diǎn)安全停車。這需要系統(tǒng)能夠?qū)α熊囘\(yùn)行速度的上限和下限都同時(shí)進(jìn)行安全防護(hù)，即雙限速度防護(hù)。車載運(yùn)行控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)最大速度曲線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)。圖3為速度曲線防護(hù)原理。

圖3 速度曲線防護(hù)原理

在計(jì)算安全制動(dòng)曲線時(shí)，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(dòng)能力，然后建立從停車區(qū)危險(xiǎn)點(diǎn)到當(dāng)前位置的安全制動(dòng)曲線的數(shù)據(jù)模型，再通過(guò)平移安全制動(dòng)曲線獲得最大速度曲線。

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

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

2.2.6 安全定位

ORT由4個(gè)電子單元組成。VSC仿真軟件啟動(dòng)后，發(fā)送定位通道測(cè)試命令給4個(gè)電子單元，根據(jù)回復(fù)判斷和4個(gè)電子單元之間的連接狀態(tài)。列車登陸后，保存列車登陸時(shí)的初始位置信息。在列車運(yùn)行前，發(fā)送定位測(cè)試命令給4個(gè)電子單元，根據(jù)回復(fù)判斷4個(gè)電子單元的工作狀態(tài)。在列車運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)ORT數(shù)據(jù)及命令管理功能中解析出來(lái)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)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(jìn)行相關(guān)處理。參考位置通過(guò)對(duì)比進(jìn)路中的參考位置集來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)；速度通過(guò)速度的變化不超過(guò)最大加、減速度進(jìn)行校驗(yàn)；方向通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)提供的運(yùn)行方向進(jìn)行校驗(yàn)。車輛的中心位置由參考位置、相對(duì)位置以及定位延時(shí)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(gè)及以上連接正常，2個(gè)及以上工作狀態(tài)正常；同時(shí)在列車正式運(yùn)行前，進(jìn)行插入運(yùn)行監(jiān)視，需要檢測(cè)到經(jīng)過(guò)兩個(gè)參考位置，且在第二個(gè)參考位置之前檢測(cè)到一次列車運(yùn)行方向的改變，表明電子單元能夠正確識(shí)別出相關(guān)定位信息，保證列車的正常運(yùn)行[3]。

2.2.7 車載設(shè)施安全監(jiān)控

車載設(shè)施安全監(jiān)控功能能夠根據(jù)相應(yīng)列車運(yùn)行模式，響應(yīng)DSC或DC的列車車載設(shè)施控制命令，對(duì)列車進(jìn)行的控制包括懸浮控制、車門控制、渦流制動(dòng)和供電控制。在進(jìn)行控制信號(hào)下發(fā)之前，需要對(duì)控制命令進(jìn)行條件判斷，符合條件后，將控制信號(hào)發(fā)送給OBC。表1為各項(xiàng)控制的判斷條件。

車載設(shè)施安全監(jiān)控功能還能夠周期性地采集OBC提供的車載設(shè)施狀態(tài)信息，判斷采集到的車載設(shè)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(qiáng)制停車原因，則進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的安全控制。

3 車載安全計(jì)算機(jī)仿真軟件實(shí)現(xiàn)

車載運(yùn)控仿真子系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，軟件部分由面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言C#完成。首先利用串口通信類，進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入，利用數(shù)字通信類進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的讀取和寫(xiě)入，實(shí)現(xiàn)接口層的功能。然后將串口通信類關(guān)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(duì)串口通信類接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將需要發(fā)送的信息利用串口通信類進(jìn)行發(fā)送。OBC數(shù)據(jù)管理類關(guān)聯(lián)數(shù)字通信類，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載設(shè)施狀態(tài)讀取和發(fā)送車載設(shè)施控制信號(hào)。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理層的功能。將核心功能層各個(gè)功能抽象成運(yùn)行模式切換類、強(qiáng)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(shí)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(shè)施操作判斷條件

圖4 VSC1仿真軟件類圖

4 仿真流程

車載運(yùn)控仿真子系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

仿真開(kāi)始后，首先讀取各項(xiàng)配置文件，對(duì)接口參數(shù)進(jìn)行初始化，然后和各個(gè)接口建立“故障-安全”連接，準(zhǔn)備接收命令和數(shù)據(jù)。接著進(jìn)行車載電網(wǎng)上電并完成列車登陸，保存列車號(hào)和車輛數(shù)據(jù)。然后對(duì)列車安全部件進(jìn)行測(cè)試，主要包括定位測(cè)試和渦流制動(dòng)測(cè)試來(lái)保證定位系統(tǒng)和渦流制動(dòng)系統(tǒng)正常工作。然后對(duì)DCS發(fā)送的進(jìn)路線路數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，主要是保存線路數(shù)據(jù)和識(shí)別停車點(diǎn)。然后DCS會(huì)發(fā)送懸浮命令，讓列車浮起，準(zhǔn)備運(yùn)行；收到DCS發(fā)送的發(fā)車命令后，DCS進(jìn)行發(fā)車確認(rèn)回復(fù)，列車可以開(kāi)始運(yùn)行。在正式按照時(shí)刻表運(yùn)行前，需要進(jìn)行插入運(yùn)行監(jiān)視，列車經(jīng)過(guò)兩組定位標(biāo)志板，且在經(jīng)過(guò)第二組定位標(biāo)志板前有一次運(yùn)行方向的改變，實(shí)現(xiàn)安全定位。當(dāng)速度曲線監(jiān)控計(jì)算好最大速度曲線后，通知停車點(diǎn)步進(jìn)開(kāi)始步進(jìn)，并根據(jù)接收到的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行最大速度曲線防護(hù)；中間若出現(xiàn)異常情況，由強(qiáng)制停車管理將列車停在當(dāng)前停車點(diǎn)或緊急制動(dòng)，通過(guò)列車當(dāng)前速度計(jì)算渦流制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)列車安全停車。當(dāng)列車到達(dá)終點(diǎn)后，停車點(diǎn)步進(jìn)管理將禁止步進(jìn)，列車停下，并發(fā)送放下車輛和釋放車門命令。

圖5 車載運(yùn)控仿真子系統(tǒng)工作流程

仿真過(guò)程中，車載運(yùn)控仿真子系統(tǒng)各個(gè)功能模塊同時(shí)運(yùn)行，仿真子系統(tǒng)與其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作，完成列車的安全防護(hù)和控制。

5結(jié)語(yǔ)

本文在高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)高速磁浮車載運(yùn)行控制仿真子系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了車載安全計(jì)算機(jī)仿真軟件的結(jié)構(gòu)，對(duì)車載安全計(jì)算機(jī)的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)功能模塊，利用C#語(yǔ)言將各功能模塊抽象成類。最后對(duì)車載運(yùn)行控制仿真子系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了描述，表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)列車運(yùn)行控制，能夠配合分區(qū)進(jìn)行測(cè)試調(diào)試。