（控制理论与控制工程专业论文）磁浮列车运行控制系统仿真研究.pdf

摘要 摘要 高速磁浮交通系统是本世纪最具有竞争力的现代大容量高速客运交通系 统。通过磁浮上海示范线建设和运营、以及“十五”8 6 3 高速磁浮重大专项研 究，铺开了我国建设磁浮高速交通系统的良好开端。由于磁浮系统的先进性， 特殊性和前瞻性，磁浮列车运行控制模拟仿真技术的研究基本处于起步和摸索 阶段，不像大铁路交通和城市轨道交通，已具备完善的模拟和仿真全套技术手 段。因此，本课题的研究重点是磁浮列车运行控制系统，研究目的是磁浮运行 控制系统仿真。提供一套模拟仿真技术验证平台。为未来的高速磁浮交通系统 线路规划以及运营方案的验证提供仿真依据，弥补目前我国在磁浮运行控制系 统仿真研究方面存在的空白，为我国磁浮交通的发展做技术积累。具备重要的 现实意义和实用价值。 本文首先对磁浮列车运行控制系统进行全面而细致的分析，详细阐述了运 行控制系统的组成结构及功能模块，重点论述了以面向对象为基础的控制系统 仿真建模理论，并应用面向对象的软件技术、细化设计三大类包及七大功能模 块，以此实现磁浮列车运行控制系统仿真通用平台。其表现与交互形式包含最 终仿真结果图层，仿真数据报表以及运行总体站场图输出等功能，作为运行控 制建模，速度曲线监控以及安全速度防护的仿真基础。 其二，磁浮列车运行控制及安全速度防护系统是运行控制系统的核心，针 对运行仿真，详细分析列车动力学和运动学模型，建立了速度，加速度，里程 与运行时间的关系表达式，分析了其数学表达式以及在各种工况下的表现形式， 并在仿真平台下实现速度罩程与加速度分析曲线的绘制。 其三，针对磁浮列车的“故障一安全”防护问题，分析并给出了上限和下限 速度防护曲线的求解方法。以列车动力学模型为基础，具体讨论了安全制动曲 线、最大速度曲线、安全悬浮曲线以及最小速度曲线的实现，并考虑了各种不 利条件对系统动力学模型的影响。以安全速度防护求解算法为基础在仿真平台 内对其进行仿真。 最后，对全文及阶段性成果进行了工作总结并针对进一步的工作方向进行 了必要的讨论。 摘要 关键词：磁浮交通，运行控制系统，面向对象，系统仿真软件，速度曲线，安 全速度防护 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a g l e vt r a n s p o r t a t i o n s y s t e mh a st h er e p u t a t i o no fh i g hs p e e d ，m o s t c o m f o r t a b l ea n dh u g ev o l u m eo fc a r r i a g ec a p a b i l i t y t h ec o u n t r yh a sa l r e a d ys t a r t t h ec o n s t r u c t i o no ft h em a g l e vs y s t e ma ss h a n g h a ib u i l dt h ef i r s tc o m m e r c i a l d e m o n s t r a t i o nl i n eo fm a g l e va n dt h eg o v e m m e n tm a r k e di ta st h em o s ts i g n i f i c a n t s p e c i a lp r o j e c t h o w e v e r , b e c a u s eo fw h i c ho w n t h ef e a t u r e ss u c ha ss o p h i s t i c a t i o n 、 u n i q u ea n dm o d e r n i z a t i o n , s t i l lt h es i m u l a t i o no fo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，b r i e fi n o c s ，o fm a g l e vi so nt h ew a yo fb e g i n n i n ga n de x p l o r i n g , d i s l i k et h eu r b a nt r a c k t r a n s p o r t a t i o no rt h et r a d i t i o n a lr a i l w a ys y s t e m ，w h i c ht h ec o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e m h a sb e e nd e v e l o p e df o rd e c a d e sa n dr e l e a s e dp r o d u c t si ns e r i e s t h e r e f o r e ，t h ep a p e r i sa l la b o u tt h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h eo c so fm a g l e v , b u i l dt h es i m u l a t i o n s o f t w a r eo fo c s ，w h i c hc o u l du s e da sat o o lo fe m u l a t i o na n dd e s i g no ft h em a g l e v , p r o v i d i n gt h ef o u n d a t i o n o fl i n ep l a n n i n ga n db u s i n e s s t h ew o r kd e s i g na n d i m p l e m e n tt h eo c ss i m u l a t i o ns y s t e mh a si t so w nm e a n i n go fa c t u a l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y t h i sp a p e rm a k e sa n a l y s i so ft h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fo c ss y s t e ma t f i r s t , d e s c r i b e st h eo b j e c t o r i e n t e ds y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l i n gt e c h n o l o g y , d e s i g n s a n di m p l e m e n t st h eg e n e r a lm o d e lo fo c ss i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h e a p p l i c a t i o no fo b je c t o r i e n t ，r e u s eo fs o f t w a r e t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e s i g n e d o nt h et h r e ep a c k a g e so fc l a s sl i b r a r y , a n di nd e t a i l ，d i v i d e di n t os e v e nf u n c t i o n c o m p o n e n t s t h eb e h a v i o r sa n di n t e r a c t i o no fs o f t w a r ec o n t a i n e df i n a ls i m u l a t i o n r e s u l ts c h e m el a y o u t ，s t a t i s t i c sr e p o r ta n ds oo n ，t h e s ea r et h eb a s i so fo p e r a t i o n c o n t r o lm o d e l i n ga n de m u l a t i o no fs a f e t ys p e e dp r o t e c t i o n t h eo p e r a t i o nc o n t r o la n ds a f e t ys p e e dp r o t e c t i o ns y s t e ma r et h ek e r n e l c o m p o n e n t so fo c s a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fe m u l a t i o no fo p e r a t i o n ，t h ep a p e r a n a l y z et h ed y n a m i c sa n dc o n t r o lo fm a g l e vi nm a t h e m a t i cm o d e l i n g ，c o n s t r u c t st h e e x p r e s s i o no fs p e e d ，a c c e l e r a t i o n ，m i l e a g ea n dr u n n i n gt i m eo nv a r i o u sk i n d so f w o r k i n gs t a t u s ，r e a l i z a t i o nt h es p e e dc t l f v ed r a w i n gb a s e do ns i m u l a t i o ns o f t w a r e a b s t r a c t w h i l eo nt h ei s s u eo fs a f e t ys p e e dp r o t e c t i o n ，t h es o l v ea l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e d ， t h ev a r i o u st y p eo fu n f a v o r a b l ec o n d i t i o na l s oi nt h ec o n s i d e r a t i o n ，e q u a l l y , t h e l i m i t e ds p e e dp r o t e c t i o nc u r v e sd r a w i n go fa b o v ea n db e l o wa r er e a l i z a t i o nb a s eo n t h es o f t w a r et o o k e yw o r d s ：m a g l e vt r a n s p o r t a t i o n ，o p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ( o c s ) ，o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，s o f t w a r em o d e l i n g , s p e e dc u r v e ，s a f e t ys p e e d p r o t e c t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：弗卢纫 砷年，月多矿日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论 文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发 表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法 律责任由本人承担。 学位论文作者签名：唧严自 劲汐c 7 年月2 矿日 第1 章概述 第1 章概述 本章主要介绍了目前世界主流及国内磁悬浮交通系统研究和发展的现状， 阐述了课题研究的目的与意义，最后归纳了作者的主要工作及论文内容的安排。 1 1 高速磁悬浮交通系统背景介绍 高速磁浮交通系统是2 l 世纪具有竞争力的现代大容量高速客运交通系统， 有着较高的经济运行速度。其不仅适合于相距几百公里至几千公里的交通枢纽 之间大运量快速客运交通，而且适合于相距几十公里至数百公里的中心城市与 附近重要城市之间的快速交通联系，是2 1 世纪综合运输系统中最有发展前途的 高科技运输手段【i 捌。 与传统的轮轨高速铁路相比，高速磁浮交通系统的技术优势有：首先是无 接触运行，噪声小；其二是速度快，是目前地面交通速度最快的交通工具；第 三是同比运力条件下能耗低，而且不受黏着系数影响，爬坡能力强，是全天候 的快速轨道交通。并且乘坐舒适度极高。 目前，在磁浮交通系统上，世界发达国家均投入了大量的人力物力参与研 制，尤其是德国和日本，各自发展出具有其本国特色和不同技术手段的系统。 德国制式为常导吸力型磁悬浮列车，命名t r a n s r a p i d 系统。其在车辆底部两侧 安装用于悬浮和牵引的电磁铁，而在轨道下方分别安装长定子铁芯和线圈。当 电磁铁通电，其产生的磁力将车辆上的悬浮磁铁从下往上吸引，使其悬浮气缝 达到1 0 毫米。其技术特点是控制精度高，静止时亦可悬浮，对土木施工和控制 要求极高。同本制为超导型磁悬浮列车p j ，在列车车辆内安装低温超导线圈励 磁以产生强磁场，磁场的磁极沿列车运行的方向交替分布。列车运行在u 型的 线路槽内，槽内的两侧壁上安装8 字形导电环和长定子无铁芯同步电机线圈。 当在长定子线圈中通入交变电流时，线圈产生的运动磁场与列车上超导线圈的 磁场相互作用，推动列车运动。当列车运行时，导电环产生感生电流和磁场， 对车体产生浮力和导向力。当列车低速运行时，靠车底的橡胶轮支承。浮力会 随车速的提高而增大，当车速到1 5 0 k m h 以后，列车能够浮起1 0 厘米以至于完 第l 章概述 全脱离了轨道，由此进入悬浮运行状态。其技术特点为技术特点新颖，对超导 技术手段要求高，目前只用采用低温超导方式，限制其商业化的推广，但是其 安全性更高，悬浮间隙大，必要时可以轮轨支撑，对地形条件限制不大。 经过综合论证，中国上海市与德国磁浮国际公司合作进行中国高速磁浮列 车示范运营线可行性研究。最终决定建设上海浦东龙阳路地铁站至浦东国际机 场磁浮交通实验线( 简称上海示范线) ，并于2 0 0 3 年投入商业试运行，速度达 到4 3 0 k m h 。 目前，通过磁浮上海示范线建设和运营、“十五8 6 3 高速磁浮重大专项研 究和磁浮沪杭项目前期工作，使我国在高速磁浮交通领域已走在世界前列。德 国交通部在其最新公布的研究报告中指出，“中国有可能在五年内取代德国在磁 浮技术上的领先地位 。 然而，国内关于磁悬浮交通系统整体技术掌握并不全面，在磁浮系统研究 上一直没有形成规模，上海浦东示范线也主要是采用德国的技术标准和引进德 国的工程设备，以我方建设为主。上海示范线的建设不是目的，而是要以此为 契机，铺开我国建设磁浮高速交通系统的良好开端。而对于规划线路的技术论 证和车辆运行以及安全控制的模拟仿真则是将来实现最优化设计的必要技术手 段。 作为一门综合性的学科，仿真，已有5 0 多年的发展历史，其间经历了物 理模型仿真，模拟计算机仿真和数字计算机仿真三个阶段。由于仿真用模型代 替实体作实验，因此，它具有经济、安全、实验周期短等特点。这些特点使得 仿真技术作为一种分析、设计系统及培训人员的有利工具，已广泛应用于几乎 是所有的工程与非工程领域。随着计算机技术的不断进步，应用计算机进行系 统仿真更是同益受到重视和发展。计算机仿真技术结合了实验和分析这两种方 法，将分析的方法用于模拟实验，充分运用已有的基本物理量及相似性原理， 建立待研究系统的数学模型，采用与对实际的物理系统进行实验相同的基本研 究方法，在计算机上运行仿真实验。随着信息技术、计算机技术、系统理论、 通信技术、图形图像技术的飞速发展，计算机仿真技术正以同新月异的面貌呈 现在世人面前，并只益深入到人们工作和生活的各个领域，显示其突出而奇妙 的作用。因此，对于磁浮交通系统的建设与发展，利用计算机仿真技术无疑是 j 下确的选择。 2 第1 章概述 1 2 本课题研究的目的与意义 随着沪杭磁悬浮项目建议书的批准，及其未来的建设运行，将大大推动长 江三角区内沪杭经济的快速发展，为浙江全面对接上海提供平台，其社会意义 十分重大。( 1 ) 共享上海人力资源，跨国公司或省内著名企业会将研发中心落户 杭州，使杭州更加国际化；( 2 ) 推动浙江制造业发展；( 3 ) 带动旅游业的发展， 尤其可以带动杭州周边旅游业的发展。 结合国家十五磁悬浮重大专项的研究成果和我国磁悬浮交通的研究现状， 通过继承发展，自主创新，重点跨越，优化管理，重点突破高速磁悬浮交通系 统关键技术及装置，以及在沪杭线应用的工程技术实践展开前瞻性研究，推动 磁悬浮交通技术关键设备的技术攻关和国产化，形成一批具有自主知识产权的 核心技术，并为沪杭磁悬浮交通线的建设提供技术支持。 磁悬浮交通系统错综复杂，开发成本高，如果在产品投入前期能够实施技 术仿真，实现全套系统的验证和各种极端条件的模拟运行，那么对于磁悬浮列 车运营控制是十分有益的。对将来国家立项磁悬浮交通综合网有重要的参考价 值。 磁悬浮运行控制系统的发展不但关系到磁浮现代化管理的进程，也关系到 磁悬浮统自动化水平技术的进一步提高，是我国轨道交通系统向数字化、网络 化、信息化方向发展关键一步。 目前，国外相关技术中，因为磁浮系统的先进性，特殊性和前瞻性，磁浮 列车运行控制模拟仿真技术的研究基本处于起步和摸索阶段。缺乏像大铁路交 通和城市轨道交通的模拟和仿真完整全套技术手段。磁悬浮列车作为未来首选 的高速交通系统，从国家战略和国家意志角度来讲，一旦采用磁浮系统，必须 要求有虚拟仿真技术支持完成前期的全局论证和规划工作，实现经济效益和民 生效益的最大化。展开对磁浮列车系统的仿真研究不可或缺。 因此，本课题的研究重点是磁浮列车运行控制系统，研究目的是磁浮运行 控制系统仿真，提供一套模拟仿真技术验证平台，为未来的高速磁浮交通系统 线路规划以及运营方案的验证提供仿真依据。并且为将来实现磁浮高速控制系 统虚拟培训平台提供技术支持，弥补目前我国在磁浮运行控制系统仿真研究方 面存在的空白，为我国磁浮交通的发展做技术积累。不仅具有很强的现实意义， 更具备重要的实用价值。 第l 章概述 1 3 本论文的主要工作及内容安排 本论文论述的主旨是研究和设计基于磁悬浮高速交通系统运行控制( o c s ) 的仿真系统，并对作为其核心的列车运行控制曲线及安全速度防护进行功能仿 真，用于磁悬浮系统规划设计的仿真及论证。 本论文的主要工作是根据面向对象的系统仿真原理，结合磁浮运行控制系 统( o c s ) 的功能特点，运用面向对象的设计与分析，软件工程技术，计算机 仿真技术设计出了一个通用性、实用性并重的o c s 仿真系统模型，以此为基础 实现磁浮运行控制仿真系统。同时，对系统安全防护的速度曲线监控、上下限 安全速度防护进行功能仿真研究。 第一章概述( 即本章) 主要介绍了本课题的研究背景，选题的目的与意义 以及本论文的主要工作与内容安排。 第二章主要介绍了磁浮列车运行控制系统的组成及各子系统的作用，详细 阐述了列车安全防护系统的组成结构及功能原理。 第三章主要阐述了系统仿真建模理论及采用面向对象技术的软件实现，并 依此设计出磁浮列车运行控制( o c s ) 仿真系统的u m l 静态类图模型，在软 件丌发平台v i s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 5 上实现磁浮列车控制系统仿真通用平台软 件。 第四章从磁浮列车动力学模型丌始，详细进行了磁浮列车的受力分析，并 对运行过程进行仿真建模，进行运动学模型分析，舒适度分析以及列车运行能 耗分析，最后提出仿真方略，运用设计的软件针对列车运行曲线以及加速度曲 线进行仿真。 第五章仍是以磁浮运行控制系统动力学模型为基础，对安全防护系统的安 全制动曲线、安全悬浮曲线、安全速度上限曲线以及安全速度下限进行了细致 分析，并以各种曲线运算公式为基础算法，作为仿真平台功能库的一部分，完 成对列车安全防护最大最小速度曲线仿真。 第六章最后对本论文所做的工作及阶段性成果进行总结并作了系统的可扩 展性分析。 4 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 本章重点介绍磁浮交通系统运行控制系统( o c s ) 的背景知识，在磁悬浮 系统的理论和技术研究中，不同的悬浮模式导致了不同的运行控制方式，其对 运行参数的获取和控制过程大相径庭。因此，本章有针对性的分别介绍德国和 日本制式磁浮列车运行控制系统，并重点介绍本课题研究的上海浦东示范线运 行控制系统。 2 1 磁浮列车运行系统构成 运行控制系统作为一个安全控制与防护系统，其根本任务是控制列车的运 行，确保列车运行的安全，提高运输组织的效率，实现列车运行的自动化。所 以，磁浮列车的运行控制系统不仅仅是实现列车运行的安全控制和防护，它还 兼有列车运行的管理和列车运行的调度等功能【和l i 】。 2 1 1 德国常导制磁浮列车运行控制系统 德国制常导高速磁悬浮列车，其驱动采用长定子直线电机【3 ，7 1 ，其特性之一 是车辆在速度为零时也可实现悬浮。从物理上分，其运行控制系统分为两个部 分，分别是车载系统和地面系统。从整体的功能模块划分来看，分别由集总的 控制中心、沿线分布的分段控制子系统和车辆上的车载系统三部分所构成。 其中，集总控制中心负责运输任务的安排和列车的调度，同时完成运行数 据进行记录和统计。而且，集总控制中心还负责向沿线的控制中心下达列车运 行计划。沿线分散的分段控制子系统直接对列车的运行和线路设备进行控制， 通过对供电设备的控制完成列车的浮起、牵引、制动和停车等动作。因为磁悬 浮列车采用分段供电的形式，所以分段控制子系统般参照供电区段的设置进 行安排。此外，分段控制子系统还负责获取列车的运行位置与实时速度，与列 车进行交互通信。 车辆上的车载系统的主要功能是负责监控列车的运行状况。当且仅当在控 制中心或沿线的控制设备等出现故障的紧急情况下，车载系统才能对列车采取 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 车载制动措施，此时控制手段般采用涡流制动。因为列车在正常的运行过程 中，通过推进系统和直线同步电动机电阻来制动，只有在推进系统失效的情况 下采用涡流制动，是一套独立于推进系统的制动系统。 车辆与地面的通信可以通过定向微波无线电系统来完成，而与控制有关的 信号则采用高达3 8 g h z 的载频进行传输。 车辆在运行中的位置的确定是通过线路上的编码板来完成的。编码板每隔 5 0 0 米设置一个。在列车经过编码板时，由列车上的车载设备读入编码，从而 确定出列车的绝对位置。在两个编码板之间，则通过检测同步直线电机定子绕 组的极距来实现列车相对起始编码板位置的计算，进而获得列车的运行速度 7 1 。 车辆速度的理论计算方法为1 ，= 2 f t ，其中厂定义为提供的电流频率，t 定义 为极距间隔，。 德国制常导磁悬浮技术成熟度高，实用化范围也较大，上海浦东磁悬浮列 车示范运行线就是基用德国制磁悬浮列车技术建造的。 2 1 2 日本超导制磁浮列车运行控制系统 同本超导制磁悬浮列车的运行控制系统由走行控制子系统、安全控制子系 设备监控子系统、驱动控制子系统和车载控制子系统等组成，采用地面主控的 方法对列车进行控制，安装在地面上的能源转换器通过控制供给推进线圈的电 流来控制每一列车的运行速度。 走行控制子系统是整个同系磁悬浮列车控制系统【l 卜m 】的核心部分。走行控 制子系统根据列车运行计划对列车编组的运行进行控制和管理，并根据列车在 站问的运行情况，实时产生列车的运行曲线。走行控制子系统通过其地面控制 功能和运行状态监控功能向驱动控制子系统和安全控制子系统发布指令，依此 完成对列车的实际控制。走行控制子系统由中心系统和若干本地系统组成p j 。 其中，中心系统负责管理线路上所有列车的全天计划数据和列车运行数据，向 本地系统发送列车运行计划；本地系统负责计算列车在站1 日j 的运行时l 可，并与 列车运行图进行比较，此外还向列车控制部分发出控制指令和列车实时运行数 据。 安全控制子系统完成对地面线路和能源供应线路的锁定和释放，负责打丌 和关闭供电区段交界处的供电丌关，并监视列车的运行速度和位置。当列车的 6 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 运行速度超出允许的限制时，安全控制子系统可以立即对列车采取制动控制。 驱动控制子系统根据走行控制子系统设置的列车运行模式来对列车进行驱 动控制，是控制系统中直接对能源转换器进行控制的部件。同时，驱动控制子 系统还负责对牵引线圈的转换开关进行控制，根据列车的运行位置来对列车进 行分段供电。 监控子系统负责监视与磁悬浮列车运行控制有关的所有设备的状态，同时 也监视与列车运行控制有关的操作过程的状态，并向运行控制系统的显示部分 提供相应的信息。 车载控制子系统负责控制和监视车载设备的状态，控制车载的制动装置、 列车的车门和升起、落下列车的辅助支承轮等。 日本超导型磁悬浮铁路的列车运行位置检测则是通过安装在导向槽内的交 叉感应线圈实现的，在车辆上安装有车载信号发生器，通过天线向外发射未经 调制的信号，信号被列车经过的交叉感应线接收。交叉感应线的两端均安装有 中继器，负责信号的传递。当列车信号发生器的天线经过交叉感应线的开口部 位的中心时，感应线上的感应电压达到最大值；反之当列车信号发生器的天线 经过交叉感应线两个开口部位之问时，感应电压达到最小值。这样随着列车的 运行，列车发出的信号在交叉感应线圈上产生出j 下弦波形。用于位置检测的交 叉感应线由6 对线组成，每对线的开口位置依次排列。按照设置好的顺序，分 成3 组的线对正好形成相位相差1 2 0 度的三个j 下弦波。设置在变电所的列车位 置检测装置完成对这些正弦波的检测，并通过双环路的光纤通道传送列车的位 置信息。除了6 对用于感应列车位置的交叉线外，还有2 对交叉感应线用于向 列车传递监视和控制数据，通信波特率4 8 0 0 b p s 。远程控制信号通过具有冗余 的漏泄电缆发送给交叉感应线，并用4 0 0 m h z 的频率进行数字调制，形成 2 9 6 k b p s 的通信能力。漏泄电缆还负责传递列车和控制中心之间的语音通信信 息。这种采用交叉感应线的列车运行位置检测方法的特点是精度高、实时性好， 在列车高速实验运行时，检测的偏差可以达到0 5 度，相当于山梨试验线上的 4 m m 。但同时带来的代价是对列车位置检测系统中的各个装置的精度要求很高， 导致设备的复杂，制造、安装和维护的成本高。另外，采用漏泄电缆的通信方 式虽然可以获得较好的通信质量和频段利用率，但由于漏泄电缆的制备对开槽 的尺寸要求严格，收发设备比较复杂，致使通信系统初期建设的投入亦会很大。 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 2 2 国内上海浦东示范线磁浮列车运行系统及各子系统分析 2 2 1 系统基本组成 上海浦东磁悬浮示范线是本课题仿真研究的重点，其运行控制系统是西门 子公司针对该示范线重新设计和开发的。上海磁浮列车示范运营线运行控制系 统的基本功能主要包括：操作与显示、列车自动运行、驾驶顺序控制、列车防 护、进路防护、道俞防护、速度曲线监控、安全定位和牵引切断【l m 。 上海磁浮列车示范运营线的运行控制系统可认为是由三层结构四套系统组 成的【7 吲。这三层结构是指中央控制层、分区控制层和车载运行控制层结构，四 套系统是指中央控制系统、分区控制系统、车载运行控制系统和通信系统，如 图2 1 所示。 由 分 声 无线电传输 车裂行控制系统 车载远行控制层 图2 1 运行控制系统基本组成结构图 上海磁浮交通示范运营线的中央控制系统主要包括列车自动运行系统 ( a t o ) 、操作员终端系统( o t s ) 和诊断终端系统( d t s ) 等。 分区控制系统的设备主要包括分区控制计算机( d c c ) 、分区安全计算机 ( d s c ) 、分区传输计算机( d t c ) 、分区牵引切断模块( d p s ) 、分区道俞模块 ( d s m ) 等。 车载运行控制系统是指设在磁浮列车上的运行控制系统，它包括位于列车 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 两端的车载安全传输计算机( v s c l v t c 、v s c 2 ) 。 在正常情况下列车运行系统的主要功能由车载安全计算机l ( v s c l ) 完成， 而车载安全计算机2 ( v s c 2 ) 处于热备用状态。 运行控制通信系统是一个分布式、透明的信息传输网，它具有安全、可靠、 高速、冗余等特性。运行控制通信系统由三个子通信网组成，即运行控制核心 网( 也称为广域传输网，w a n # 1 ) 、分区防护通信网( 即联锁总线，i l - b u s ) 和车地无线电通信网( 即3 8 g h z 无线电传输系统) 。 运行控制核心网用于地面中央控制系统与分区控制系统之间的信息传输， 采用光纤传输媒介。联锁总线包含在分区控制系统内，亦采用光纤传输媒介。 3 8 g h z 无线电系统包括位于控制中心的中央无线电系统( 亦称中央无线电 控制单元c r c u ) 、位于分区运行控制室的分区无线电系统( 亦称分区无线电控 制单元d r c u ) 、位于磁浮列车上的车载无线电系统( 亦称车载无线电控制单元 m r c u ) 、位于轨旁的无线电基站及连接这些基站的光纤网等设备。 运行控制系统作为一个安全控制和防护系统，在设计、制造、使用和维护 过程中均需遵循有关的安全性原则和有关的国际或国家标准。西门子提供的运 行控制系统所遵循的一个最基本安全性原则是“故障一安全”原则，它要求系 统在j 下常运行寿命内，在j 下确的运行操作规范和维护规范的指导下避免由于系 统故障而引起列车运行的灾害性后果。 上海线运行控制系统采用的是层次式结构、模块化功能和与外部系统的配 置相对应的设备配置原则。这些结构方式、功能设置和设备配置原则已充分考 虑了磁浮交通系统的可扩展性和灵活性。因此，对于不同的线路条件，运行控 制系统在结构、功能和设备配置方式上均能与上海线保持一致。 2 2 2 系统功能分析 运行控制系统基本功能之间的关系可用图2 2 表示。 9 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 驾驶参数驾驶参数 图2 2 运行控制系统的功能关系 图中，用椭圆来表示运行控制系统的功能，用长方形框来表示运行控制系 统的外围部件，用带标识的箭头来表示相互关系和信息交互。 在操作员控制台上，显示该运行控制系统管辖范围内所有列车和轨道的当 前状态。基于状态显示，操作员执行相应的操作以实现列车的人工驾驶。操作 与显示功能负责接收操作员的输入指令并转换为驾驶参数向其它功能模块传 送。 在自动运行中，驾驶参数则由列车自动运行功能根据时刻表来确定。 驾驶顺序控制功能对驾驶参数进行处理，将列车参数和轨道参数分别传递 给列车防护和进路防护。轨道参数主要由对进路设置和进路解锁的请求等组成， l o 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 列车参数包括列车浮起和降落的请求等。此外，它还以驾驶图形式计算出牵引 参数并发送给牵引系统。 进路防护根据轨道参数设置并监视进路。为此，进路防护从道岔防护中读 取道岔的位置，并根据需要向道岔防护发送移位指令。列车移动信息用于轨道 占用追踪和进路解锁。 列车防护监视并控制所有列车的状态，并通过列车控制模块管理列车的悬 浮和降落等。它控制驾驶员控制台上的显示并接收驾驶员控制台的输入。一旦 列车速度超限，则启动相应的安全防护过程。 定位系统利用定位标志板和里程脉冲增量确定列车的当前位置和速度，实 现运行控制系统的安全定位功能，并将该信息提供给速度曲线监控。 速度曲线监控是运行控制系统的核心防护功能，它根据列车数据和轨道数 据计算出所允许的速度限界，并利用列车位置和速度信息来监视列车速度是否 超越该速度限界。一旦速度限界被超越，则将该超限报告给牵引切断和列车防 护，牵引切断将对轨旁的牵引系统进行牵引供电安全切断。当列车速度超越最 大速度限界时，列车防护还将根据实际情况激活列车安全制动。 针对列车运行的控制与安全防护过程，分析上述功能模块间的相互关系， 可得如下结论：操作与显示、列车自动运行及驾驶顺序控制等功能模块与列车 运行的安全是非直接相关的，而进路防护、列车防护、道分防护、速度曲线监 控、安全定位和牵引切断等功能模块与列车运行的安全均是直接相关的。 磁浮列车运行控制系统按照其组成结构主要分为三个系统层次和一个通信 网络系统：中央控制系统、分区控制系统和车载运行控制系统，将运行控制系 统三层结构有机联系在一起的是通信网络系统。 2 2 3 中央控制系统 中央控制系统( c c s ) 位于中央控制室内，主要包括自动列车驾驶系统( a t o ) 、 操作终端系统( o t s ) 、参考计算机( r c ) 、诊断终端系统( d t s ) 等系统，详细 结构如图2 3 所示。 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 图2 3 中央控制系统组成结构图 根据磁浮交通线路系统的分布和运行控制区域的划分，可以设置多个操作 终端系统o t s l ，o t s 2 o t s n ，这些操作终端系统具有相同的操作功能，在任 何一个操作终端系统上都可以输入运行控制操作命令，列车运行控制命令的处 理结果和系统的状态在任何一个操作终端上都有显示。 运行控制中央控制系统为非安全计算机系统，不具有“故障一安全”特性， 为了确保o c s 系统的安全操作和系统状态安全显示，在c c s 中设置了参考计 算机系统。参考计算机系统配合操作终端系统可以实现运行控制过程中的无错 显示。参考计算机系统通常由相互冗余的两台计算机组成。除了不能发布运行 操作控制命令，参考计算机系统具有操作终端系统的其它功能。因此，在进行 运行控制监视时，参考计算机系统也可以发挥作用。同样，列车自动运行系统 也由相互冗余的计算机系统组成。 中央控制系统的主要功能是： 1 ) 作为磁浮列车运行操作的控制中心，通过终端系统发出磁浮列车的运行 指令，控制磁浮列车按照设定的运行计划运行。 2 ) 能够根据预先制定好的运行计划时刻表白动控制磁浮列车的运行。 3 ) 能够显示磁浮列车的信息和运行状态，能够显示列车运行速度和当前位 置等。 4 ) 能够对运行控制系统的部件和设备进行在线诊断，诊断系统根据收集到 的诊断信息能够快速确定故障部件的位置和主要故障原因。 5 ) 具有安全显示功能，与分区控制系统配合工作，能够确保显示的信息是 安全可靠的。 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 2 2 4 分区控制系统 分区控制系统( d c s ) 分布在磁浮列车系统的轨旁，主要包括分区控制计算 机( d c c ) 、分区安全计算机( d s c ) 、分区牵引切断计算机( d p s ) 、分区道岔模 块( d s m ) 、分区传输计算机( d t c ) 等系统。分区控制系统的结构如图2 4 所示。 t t 7 分区运行j 彬_ 1 分区诊l 哔”轰f 7 7 蹿? “。擘? ! 习 ? 控制系统 l 断系统l ，l 一分觥断 1 分区安全i 岔模块卜i 一1 i 计算机i 多耳防拶i j 恿亿嘲j l 1l。 k上 o 由。 k ，。么 ；牵扩j 牵玎 鬻； 供电控制 图2 4 分区控制系统组成结构图 在分区控制系统中，d c c 与运行控制核心网相连，通过运行控制核心网实 现与中央控制系统的通信，接收来自中央控制系统的操作控制指令，操作控制 处理的结果和系统状念等信息也通过运行控制核心网反馈给中央控制系统。在 分区系统中，与列车安全防护有关的安全计算机则全部通过分区防护通信网连 接在一起，共同实现磁浮列车的运行安全防护功能。 分区控制系统的主要功能是： 1 ) 磁浮列车是通过移动电磁场来实现驱动列车前进的，因此磁浮列车的驱 动系统是分布在轨道上的，驱动是通过非安全的牵引控制系统实现的。在分区 控制系统中与牵引控制系统接口的计算机部件是分区控制计算机d c c ，d c c 同时也是分区控制系统中实现控制管理的计算机，在磁浮列车运行过程中，d c c 第2 章磁浮列午运行控制系统分析 接收来自c c s 的各种运行控制命令实现对运行控制系统设备和部件的控制管 理。 2 ) 在磁浮列车的运行过程中，列车运行的安全性要求是非常高的，在分区 控制系统中，负责分区安全管理的计算机是分区安全计算机，分区安全计算机 将分析来自c c s 的与安全有关的命令，然后决定该指令是否符合安全要求，只 有符合安全要求的指令才能得到执行。分区安全计算机还实现本分区内道岔、 进路、列车等的防护。 3 ) 分区道岔模块将实现对道翁的安全控制，分区道龠模块将管理道俞的各 种操作模式、道岔的安全位置等与道俞有关的各种操作等。 4 ) 分区牵引切断计算机能够实现对沿线牵引系统供电的安全切断。在磁浮 列车运行过程中，如果分区控制计算机无法正确控制牵引控制系统切断牵引供 电，则负责安全切断的分区牵引切断计算机将发挥作用，将牵引供电系统的电 力供应切断，确保磁浮列车能够通过必要措施实现安全控制。 5 ) 分区控制系统还是中央控制系统和车载运行控制系统的联系通道。车载 运行控制系统的信息是通过分区控制系统传送给中央控制系统的，在列车运行 过程中，列车上计算机系统首先将有关发送给中央控制系统的信息通过车地无 线电通信系统发送给分区控制系统，然后由分区控制系统通过运行控制核心网 发送给中央控制系统，反之亦然。 2 2 5 车载运行系统 在磁浮列车上，存在车载运行控制系统( v c s ) ，车载无线电系统( m r c u ) 、 车载控制设施( o b c ) 、车载定位系统( l e u ) 、驾驶员控制台( d c ) 、以及其 它车载设备及其控制设备。 运行控制系统( o c s ) 的车载部分是车载运行控制系统( v c s ) ，主要包括 车载安全计算机l ( v s c l ) 、车载安全计算机2 ( v s c 2 ) 和车载传输计算机( v t c ) 三个组成系统，如图2 5 所示。 在列车上，车载传输计算机与车载无线系统之间、车载传输计算机与车载 车载安全计算机1 之间、车载安全计算机1 与车载安全计算机2 之间，都是采 用具有冗余特性的串行接口连接。与车载运行控制系统存在接口关系的车载部 件还有车载定位系统、车载控制设施、车载驾驶员控制台等。在上海线实施过 1 4 第2 章磁浮列：乍运行控制系统分析 程中，西门子将v t c 与v s c l 合并为同一计算机，所以在v t c 与v s c l 之间 的接口是通过软件来完成的。 线路轨道 r 毒豸r jr 驾弱几r 黼 l 供电ii 控制l；道岔l 嘲垂鞭：翻：蔓照。曼摹照。罗一”，”一”趸摹甄蠢粤 图2 5 车载运行控制系统组成结构图 车载运行控制系统的主要功能是： 1 ) 控制列车的悬浮：在收到来自分区控制计算机的悬浮命令后，列车运行 控制计算机将该指令发送给车载控制设备，实现列车的悬浮。 2 ) 接收并管理来自车载定位系统的定位信息：在磁浮列车运行过程中，运 行控制系统必须知道磁浮列车的目前位置，车载运行控制系统将管理和控制定 位系统的有关信息。 3 ) 管理列车的安全运行：在列车运行前，车载运行控制系统将检查所有可 能影响列车安全运行的信息和状念，只有所有的安全要求都得到满足，车载运 行控制系统才能放行列车。 4 ) 监控列车的运行速度：在运行过程中，车载运行控制系统通过接收定位 系统的定位信息，能够计算出当前的列车速度，车载运行控制系统将不断监控 这一速度，确保该数值在安全运行的范围内。 5 ) 控制磁浮列车的刹车：在列车运行速度超出规定的范围后，车载运行控 制系统将启动磁浮列车的紧急刹车过程，首先通知分区安全计算机切断分区的 牵引供电，然后再根据实际情况启动涡流制动，通过控制涡流制动的制动能量， 第2 章磁浮列车运行控制系统分析 可以将列车停止在下一停车点。 2 2 6 通讯网络系统 磁浮交通系统中列车的运行由运行控制系统进行运行控制和安全防护。在 执行运行控制和安全防护任务时，需要多个相互关联的组成系统共同实现【l 引。 这些系统是根据其主要任务进行分组的，主要分布于中央控制系统、分区控制 系统和车载运行控制系统中。为了可靠地实现运行控制系统的控制和防护功能， 这些系统之间需要一个运行控制通信系统相互连接。在运行控制系统中采用的 运行控制通信系统结构如图2 6 所示。 图2 6 运行控制通信系统结构图 运行控制通信系统涉及到三个具有冗余特性的通信网络系统： 1 ) 运行控制核心网：通过运行控制核心网，实现中央控制计算机系统和分 区控制计算机系统的通信连接，实现中央无线电控制单元和分区无线电控制单 元的连接；运行控制核心网采用了o t n 传输网，也称为w a n 1 系统。 2 ) 分区防护通信网：通过分区防护通信网，位于分区控制系统中的所有安 全计算被连接在一起，其随机故障失效率低于l o 1 1 ，安全计算机之间的安全信 息传输得到保证。运行控制系统的分区防护通信网采用专用的联锁总线 1 6 第2 章磁浮列乖运行控制系统分析 ( i l b u s ) 技术实现，该总线连接负责分区防护功能的安全计算机。 3 ) 车地无线电通信网：列车和轨旁地面系统之间的通信采用3 8 g h z 无线电 系统，通过3 8 g h z 无线电系统，传输所有安全的和非安全的数据、运行控制数 据、话音信息等。 上述三个通信网系统中，只有分区防护通信网是安全的，无需采取额外措 施即可实现信息的安全传输，另外两个通信网如运行控制核心网( o t n 传输网) 和车地无线通信网( 3 8 g h z 无线电系统) 则是通用、非安全的通信网。为实现 运行