摘   要： 本文對磁懸浮列車運行控制系統仿真環境進行了研究，在此基礎上，設計軟硬件實現了磁懸浮列車運行控制系統的仿真測試平臺，為進一步開展磁懸浮列車運行控制系統的研究奠定了基礎。
關鍵詞： 磁懸浮列車  運行控制系統  環境仿真

　　客運交通發展的歷史是一個運行速度不斷提高的歷史[2]，每一種新型交通工具的出現都伴隨著速度的顯著提高。隨著我國國民經濟的持續、快速發展，迫切需要建設和發展與高速客運相適應的、可持續發展的地面高速客運交通體系。高速磁懸浮列車是當今惟一能達到500km/h運營速度的地面交通工具。作為一種安全、快速、舒適、環保的交通工具，磁懸浮列車將得到不斷的發展和普及，我國的磁浮交通事業也將進入一個前所未有的發展階段。
　　磁浮交通系統包括線路、道岔系統，列車控制系統，供電、驅動系統和運行控制系統四個部分。其中運行控制系統是整個磁浮交通系統的“大腦”，它涉及檢測、有線和無線通信、數據處理、自動控制等各種高新技術。運行控制系統通過計算機控制、計算機網絡、通信及信息處理等先進技術與磁浮交通系統的車輛、安全防護、自動運行及調度管理等任務相連，完成對列車運行的控制、安全防護、自動運行及調度管理等任務[3]。運行控制系統在整個磁浮交通系統中對列車運行進行自動控制與安全防護起核心作用。
磁懸浮列車運行控制系統(OCS)是一個安全性要求很高的系統，其安全可靠性直接關系到磁浮列車的安全穩定運行。為了使磁懸浮列車運行控制系統達到相關的安全性標準，對其進行安全性測試是十分必要的。要進行安全性測試，就必須要有一個仿真環境對運行控制系統的實際運行條件進行模擬。仿真環境要求盡可能地反映真實情況，按照真實環境可能出現的各種故障進行模擬。
　　目前，我國在OCS安全性測試方面所做的工作還比較少。筆者根據國內對OCS的研究現狀對運行控制系統的環境仿真展開研究，并構建了OCS的仿真環境，為OCS的安全性測試提供了軟硬平臺。
1  OCS外部環境分析
1.1 OCS外部環境功能描述
　　OCS由中央控制子系統、分區控制子系統和車載控制子系統三層結構組成。運行控制系統的外部環境包括道岔測控系統、分區牽引控制系統、分區牽引供電系統和列車懸浮導向及定位系統。OCS及外部環境結構如圖1所示。

　　道岔測控系統主要用于控制道岔的位置，通過接收分區控制子系統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控制子系統；牽引控制系統按照分區控制子系統發出的控制命令和設定值完全自動運行，主要用于列車牽引的開、閉環控制和狀態的監控；牽引供電系統為磁懸浮列車的運行提供動力，它通過大功率變流系統對輸出的電壓和電流進行調節，從而實現對磁懸浮列車牽引力的有效控制；列車懸浮導向及定位系統主要實現列車的懸浮、定位以及車輛橫向穩定控制并跟蹤導軌。
1.2 OCS外部接口分析
　　由圖1可以看出，運行控制系統與道岔測控系統、牽引控制系統、牽引供電系統、列車懸浮導向及定位系統都有接口上的連接。
　　OCS與道岔測控系統的接口（如圖1中①所示）包括串行接口和數字接口。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；數字接口用于啟動、關閉道岔測控系統的供電。
　　OCS與牽引控制系統的接口（如圖1中②所示）為以太網接口。在上海磁浮示范線中，通過此接口向牽引供電控制系統傳送列車運行的速度曲線數據和參數，從而實現對列車運行的控制。
OCS與牽引供電系統的接口（如圖1中③所示）為數字接口。在上海磁浮示范線中，此數字接口用于對牽引供電系統的切斷和切斷命令執行后電流的回讀。
　　OCS與列車懸浮導向及定位系統的接口（如圖1中④所示）包括串行接口和數字接口。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行顯示信息；數字接口用于對列車的浮起/放下、開啟渦流制動、開關車門等。
2  OCS仿真環境的設計與實現
2.1 OCS仿真環境的建立
　　通過對OCS外部環境及外部接口的分析可知，環境仿真機可以分別實現對牽引供電系統、道岔系統、列車控制系統的模擬，外部接口也不外乎以太網、串行口和數字接口三種情況。另外，從磁浮列車運行的安全性方面考慮，以太網和串行通路采用雙路冗余方式，數字信號采用動態輸入輸出方式。由此，可以建立如圖2所示的OCS的仿真環境，分區控制計算機（DCC）與牽引供電系統環境仿真機之間有二條冗余以太網通路，分區牽引切斷(DPS)與牽引供電系統環境仿真機之間有數字信號輸入輸出通路；分區道岔模塊(DSM)與道岔系統環境仿真機之間有兩條冗余RS232串行通路和數字信號輸入輸出通路；車載安全計算機（VSC）與列車控制系統環境仿真機之間有二條冗余RS232串行通路和數字信號輸入輸出通路。

　　OCS與牽引供電系統環境仿真機之間的以太網通路用于DCC與牽引供電系統環境仿真機之間交換相關的牽引數據，包括運行數據和狀態數據；數字信號通路是DPS發送一個電子切斷信號給牽引供電系統環境仿真機，或讀取牽引供電系統環境仿真機執行切斷命令后的狀態信息。
　　OCS與道岔系統環境仿真機之間的RS232通路用于DSM向道岔系統環境仿真機發送道岔動作控制命令；數字信號通路用于道岔系統環境仿真機向DSM發送道岔的位置及狀態信息。

　　OCS與列車控制系統環境仿真機之間的RS232通路用于VSC向駕駛員控制臺提供其所需的運行顯示信息，并且駕駛員控制臺可以將駕駛員在控制臺上發出的操作命令傳送回去。列車定位系統通過RS232通路傳遞定位數據給VSC；數字信號通路用于VSC給列車控制設備發送控制命令，包括列車的浮起/放下、開啟渦流制動、開關車門等，這些動作的結果又通過數字信號通路發回給VSC。
2.2 OCS仿真環境的實現
2.2.1 OCS仿真環境的硬件實現
　　OCS環境仿真的硬件結構包括牽引供電系統環境仿真機、道岔系統環境仿真機和列車控制系統環境仿真機。這些環境仿真機可采用普通的PC機來實現。一般的PC機都有二個RS232串口，滿足二條冗余RS232串行通信的需要，不必另外擴展串口。雙路冗余的以太網可以通過增加以太網卡的方式實現。數字信號的輸入輸出可以通過DB25的并行口進行通信，位數完全滿足數字信號量通信的需要。
2.2.2 OCS仿真環境的軟件實現
 　　OCS環境仿真中的軟件主要包括牽引供電系統環境仿真機中的軟件、道岔系統環境仿真機中的軟件和列車控制系統環境仿真機中的軟件。
　　(1)牽引供電系統環境仿真機中的軟件結構
　　根據故障-安全的原則，當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進行安全牽引切斷。分區牽引切斷的動作通過電子切斷和電氣切斷來實現。DPS向牽引供電系統環境仿真機發送一個電子切斷信號，環境仿真機執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，則引發電氣切斷。安全牽引切斷事件的軟件結構流程如圖3所示。

　　(2)列車控制系統環境仿真機中的軟件結構
　　列車控制系統環境仿真機主要接收來自VSC的控制命令并執行相應的操作。環境仿真機每執行一個控制命令就對應著一個功能模塊，主要包括列車的啟動及停止、緊急停車管理、改變運行模式、列車懸浮、輔助控制面板、渦流制動、監督車輛控制裝置、車門監督等。本文僅給出了環境仿真機中的列車懸浮功能模塊結構流程圖。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控制子系統工作正常。列車懸浮功能模塊的結構流程如圖4所示。

　　(3)道岔系統環境仿真機中的軟件結構
　　道岔系統環境仿真機收到DSM的道岔移動命令后開始移動道岔并將執行后的結果發送給DSM。道岔移動事件的軟件結構流程如圖5所示。

3  結  論
　　本文分析了OCS的外部環境及外部接口，包括以太網接口、串行接口和數字接口三種模式?；谏鲜龇治?，建立了磁懸浮列車運行控制系統的仿真環境，給出了磁懸浮列車運行控制系統仿真環境的硬件結構和軟件處理流程。系統采用一般的PC機作為環境仿真機，通過通信鏈路的雙路冗余方式以及數字信號的動態輸入輸出方式提高磁懸浮列車運行的安全性，并得出以下結論：
　　(1)以太網和串行通信本身不具備安全性，應用到運行控制系統中必須采取特殊的安全措施以保證數據傳輸的安全。本實現方案采取了增加冗余通道和對報文進行安全處理等方法來保證磁懸浮列車運行控制系統通信鏈路的安全性。
　　(2)采用動態的輸入輸出信號，避免電子器件發生故障時導致的固定的“0”或“1”輸出對系統安全性的影響，保證了信號傳輸和系統控制的安全性。
　　(3)仿真環境中牽引供電系統環境仿真機、道岔系統環境仿真機和列車控制系統環境仿真機的硬件可采用普通的PC機來實現，其接口滿足環境仿真的需要。
　　(4)各環境仿真機的軟件結構設置應盡量反映真實環境的情況。在設計中綜合考慮了系統的安全處理，采取相應的安全措施，使得整個系統滿足高安全性的要求。
參考文獻
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