摘   要： 本文對(duì)磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境進(jìn)行了研究,，在此基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)軟硬件實(shí)現(xiàn)了磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的仿真測(cè)試平臺(tái),，為進(jìn)一步開(kāi)展磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ),。
關(guān)鍵詞： 磁懸浮列車(chē)  運(yùn)行控制系統(tǒng)  環(huán)境仿真

　　客運(yùn)交通發(fā)展的歷史是一個(gè)運(yùn)行速度不斷提高的歷史[2]，每一種新型交通工具的出現(xiàn)都伴隨著速度的顯著提高,。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù),、快速發(fā)展，迫切需要建設(shè)和發(fā)展與高速客運(yùn)相適應(yīng)的,、可持續(xù)發(fā)展的地面高速客運(yùn)交通體系,。高速磁懸浮列車(chē)是當(dāng)今惟一能達(dá)到500km/h運(yùn)營(yíng)速度的地面交通工具。作為一種安全,、快速,、舒適,、環(huán)保的交通工具，磁懸浮列車(chē)將得到不斷的發(fā)展和普及,，我國(guó)的磁浮交通事業(yè)也將進(jìn)入一個(gè)前所未有的發(fā)展階段,。
　　磁浮交通系統(tǒng)包括線(xiàn)路、道岔系統(tǒng),，列車(chē)控制系統(tǒng),，供電、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)四個(gè)部分,。其中運(yùn)行控制系統(tǒng)是整個(gè)磁浮交通系統(tǒng)的“大腦”,，它涉及檢測(cè)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信,、數(shù)據(jù)處理,、自動(dòng)控制等各種高新技術(shù)。運(yùn)行控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制,、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),、通信及信息處理等先進(jìn)技術(shù)與磁浮交通系統(tǒng)的車(chē)輛、安全防護(hù),、自動(dòng)運(yùn)行及調(diào)度管理等任務(wù)相連,，完成對(duì)列車(chē)運(yùn)行的控制、安全防護(hù),、自動(dòng)運(yùn)行及調(diào)度管理等任務(wù)[3],。運(yùn)行控制系統(tǒng)在整個(gè)磁浮交通系統(tǒng)中對(duì)列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)控制與安全防護(hù)起核心作用。
磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(OCS)是一個(gè)安全性要求很高的系統(tǒng),，其安全可靠性直接關(guān)系到磁浮列車(chē)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,。為了使磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)達(dá)到相關(guān)的安全性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行安全性測(cè)試是十分必要的,。要進(jìn)行安全性測(cè)試,，就必須要有一個(gè)仿真環(huán)境對(duì)運(yùn)行控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件進(jìn)行模擬。仿真環(huán)境要求盡可能地反映真實(shí)情況,，按照真實(shí)環(huán)境可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行模擬,。
　　目前，我國(guó)在OCS安全性測(cè)試方面所做的工作還比較少,。筆者根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)OCS的研究現(xiàn)狀對(duì)運(yùn)行控制系統(tǒng)的環(huán)境仿真展開(kāi)研究,，并構(gòu)建了OCS的仿真環(huán)境,，為OCS的安全性測(cè)試提供了軟硬平臺(tái),。
1  OCS外部環(huán)境分析
1.1 OCS外部環(huán)境功能描述
　　OCS由中央控制子系統(tǒng)、分區(qū)控制子系統(tǒng)和車(chē)載控制子系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)組成,。運(yùn)行控制系統(tǒng)的外部環(huán)境包括道岔測(cè)控系統(tǒng),、分區(qū)牽引控制系統(tǒng),、分區(qū)牽引供電系統(tǒng)和列車(chē)懸浮導(dǎo)向及定位系統(tǒng)。OCS及外部環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　道岔測(cè)控系統(tǒng)主要用于控制道岔的位置,，通過(guò)接收分區(qū)控制子系統(tǒng)的控制命令來(lái)移動(dòng)并鎖閉道岔，并把采集到的道岔位置信息傳送給分區(qū)控制子系統(tǒng),；牽引控制系統(tǒng)按照分區(qū)控制子系統(tǒng)發(fā)出的控制命令和設(shè)定值完全自動(dòng)運(yùn)行,，主要用于列車(chē)牽引的開(kāi)、閉環(huán)控制和狀態(tài)的監(jiān)控,；牽引供電系統(tǒng)為磁懸浮列車(chē)的運(yùn)行提供動(dòng)力,，它通過(guò)大功率變流系統(tǒng)對(duì)輸出的電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮列車(chē)牽引力的有效控制,；列車(chē)懸浮導(dǎo)向及定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)列車(chē)的懸浮,、定位以及車(chē)輛橫向穩(wěn)定控制并跟蹤導(dǎo)軌。
1.2 OCS外部接口分析
　　由圖1可以看出,，運(yùn)行控制系統(tǒng)與道岔測(cè)控系統(tǒng),、牽引控制系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng),、列車(chē)懸浮導(dǎo)向及定位系統(tǒng)都有接口上的連接,。
　　OCS與道岔測(cè)控系統(tǒng)的接口（如圖1中①所示）包括串行接口和數(shù)字接口。在上海磁浮示范線(xiàn)中,，串行接口用于傳送道岔控制命令及位置信息,；數(shù)字接口用于啟動(dòng)、關(guān)閉道岔測(cè)控系統(tǒng)的供電,。
　　OCS與牽引控制系統(tǒng)的接口（如圖1中②所示）為以太網(wǎng)接口,。在上海磁浮示范線(xiàn)中，通過(guò)此接口向牽引供電控制系統(tǒng)傳送列車(chē)運(yùn)行的速度曲線(xiàn)數(shù)據(jù)和參數(shù),，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)運(yùn)行的控制,。
OCS與牽引供電系統(tǒng)的接口（如圖1中③所示）為數(shù)字接口。在上海磁浮示范線(xiàn)中,，此數(shù)字接口用于對(duì)牽引供電系統(tǒng)的切斷和切斷命令執(zhí)行后電流的回讀,。
　　OCS與列車(chē)懸浮導(dǎo)向及定位系統(tǒng)的接口（如圖1中④所示）包括串行接口和數(shù)字接口。在上海磁浮示范線(xiàn)中,，通過(guò)此串行接口傳送列車(chē)定位信息及運(yùn)行顯示信息,；數(shù)字接口用于對(duì)列車(chē)的浮起/放下、開(kāi)啟渦流制動(dòng),、開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)等,。
2  OCS仿真環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 OCS仿真環(huán)境的建立
　　通過(guò)對(duì)OCS外部環(huán)境及外部接口的分析可知，環(huán)境仿真機(jī)可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引供電系統(tǒng)、道岔系統(tǒng),、列車(chē)控制系統(tǒng)的模擬,，外部接口也不外乎以太網(wǎng)、串行口和數(shù)字接口三種情況,。另外,，從磁浮列車(chē)運(yùn)行的安全性方面考慮，以太網(wǎng)和串行通路采用雙路冗余方式,，數(shù)字信號(hào)采用動(dòng)態(tài)輸入輸出方式,。由此，可以建立如圖2所示的OCS的仿真環(huán)境,，分區(qū)控制計(jì)算機(jī)（DCC）與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間有二條冗余以太網(wǎng)通路,，分區(qū)牽引切斷(DPS)與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間有數(shù)字信號(hào)輸入輸出通路；分區(qū)道岔模塊(DSM)與道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間有兩條冗余RS232串行通路和數(shù)字信號(hào)輸入輸出通路,；車(chē)載安全計(jì)算機(jī)（VSC）與列車(chē)控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間有二條冗余RS232串行通路和數(shù)字信號(hào)輸入輸出通路,。

　　OCS與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間的以太網(wǎng)通路用于DCC與牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間交換相關(guān)的牽引數(shù)據(jù)，包括運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù),；數(shù)字信號(hào)通路是DPS發(fā)送一個(gè)電子切斷信號(hào)給牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī),，或讀取牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)執(zhí)行切斷命令后的狀態(tài)信息。
　　OCS與道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間的RS232通路用于DSM向道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)發(fā)送道岔動(dòng)作控制命令,；數(shù)字信號(hào)通路用于道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)向DSM發(fā)送道岔的位置及狀態(tài)信息,。

　　OCS與列車(chē)控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)之間的RS232通路用于VSC向駕駛員控制臺(tái)提供其所需的運(yùn)行顯示信息，并且駕駛員控制臺(tái)可以將駕駛員在控制臺(tái)上發(fā)出的操作命令傳送回去,。列車(chē)定位系統(tǒng)通過(guò)RS232通路傳遞定位數(shù)據(jù)給VSC,；數(shù)字信號(hào)通路用于VSC給列車(chē)控制設(shè)備發(fā)送控制命令，包括列車(chē)的浮起/放下,、開(kāi)啟渦流制動(dòng),、開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)等，這些動(dòng)作的結(jié)果又通過(guò)數(shù)字信號(hào)通路發(fā)回給VSC,。
2.2 OCS仿真環(huán)境的實(shí)現(xiàn)
2.2.1 OCS仿真環(huán)境的硬件實(shí)現(xiàn)
　　OCS環(huán)境仿真的硬件結(jié)構(gòu)包括牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī),、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)和列車(chē)控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)。這些環(huán)境仿真機(jī)可采用普通的PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),。一般的PC機(jī)都有二個(gè)RS232串口,，滿(mǎn)足二條冗余RS232串行通信的需要，不必另外擴(kuò)展串口,。雙路冗余的以太網(wǎng)可以通過(guò)增加以太網(wǎng)卡的方式實(shí)現(xiàn),。數(shù)字信號(hào)的輸入輸出可以通過(guò)DB25的并行口進(jìn)行通信，位數(shù)完全滿(mǎn)足數(shù)字信號(hào)量通信的需要,。
2.2.2 OCS仿真環(huán)境的軟件實(shí)現(xiàn)
 　　OCS環(huán)境仿真中的軟件主要包括牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件,、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件和列車(chē)控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件。
　　(1)牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件結(jié)構(gòu)
　　根據(jù)故障-安全的原則，當(dāng)車(chē)地之間的通信中斷,，列車(chē)的速度超過(guò)最大允許速度或低于最小允許速度時(shí),，必須對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行安全牽引切斷,。分區(qū)牽引切斷的動(dòng)作通過(guò)電子切斷和電氣切斷來(lái)實(shí)現(xiàn),。DPS向牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)發(fā)送一個(gè)電子切斷信號(hào)，環(huán)境仿真機(jī)執(zhí)行切斷命令并回讀電流值給DPS,。如果回讀的電流值超過(guò)了限定值,，則引發(fā)電氣切斷。安全牽引切斷事件的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖3所示,。

　　(2)列車(chē)控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件結(jié)構(gòu)
　　列車(chē)控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)主要接收來(lái)自VSC的控制命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作,。環(huán)境仿真機(jī)每執(zhí)行一個(gè)控制命令就對(duì)應(yīng)著一個(gè)功能模塊，主要包括列車(chē)的啟動(dòng)及停止,、緊急停車(chē)管理,、改變運(yùn)行模式、列車(chē)懸浮,、輔助控制面板,、渦流制動(dòng)、監(jiān)督車(chē)輛控制裝置,、車(chē)門(mén)監(jiān)督等,。本文僅給出了環(huán)境仿真機(jī)中的列車(chē)懸浮功能模塊結(jié)構(gòu)流程圖。列車(chē)的懸浮必須滿(mǎn)足三個(gè)條件：有足夠的安全定位信息,，沒(méi)有緊急停車(chē)信號(hào)和分區(qū)控制子系統(tǒng)工作正常,。列車(chē)懸浮功能模塊的結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

　　(3)道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)中的軟件結(jié)構(gòu)
　　道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)收到DSM的道岔移動(dòng)命令后開(kāi)始移動(dòng)道岔并將執(zhí)行后的結(jié)果發(fā)送給DSM,。道岔移動(dòng)事件的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖5所示,。

3  結(jié)  論
　　本文分析了OCS的外部環(huán)境及外部接口，包括以太網(wǎng)接口,、串行接口和數(shù)字接口三種模式,。基于上述分析,，建立了磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境,，給出了磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境的硬件結(jié)構(gòu)和軟件處理流程。系統(tǒng)采用一般的PC機(jī)作為環(huán)境仿真機(jī),，通過(guò)通信鏈路的雙路冗余方式以及數(shù)字信號(hào)的動(dòng)態(tài)輸入輸出方式提高磁懸浮列車(chē)運(yùn)行的安全性,，并得出以下結(jié)論：
　　(1)以太網(wǎng)和串行通信本身不具備安全性，應(yīng)用到運(yùn)行控制系統(tǒng)中必須采取特殊的安全措施以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。本?shí)現(xiàn)方案采取了增加冗余通道和對(duì)報(bào)文進(jìn)行安全處理等方法來(lái)保證磁懸浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)通信鏈路的安全性,。
　　(2)采用動(dòng)態(tài)的輸入輸出信號(hào)，避免電子器件發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)致的固定的“0”或“1”輸出對(duì)系統(tǒng)安全性的影響，保證了信號(hào)傳輸和系統(tǒng)控制的安全性,。
　　(3)仿真環(huán)境中牽引供電系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī),、道岔系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)和列車(chē)控制系統(tǒng)環(huán)境仿真機(jī)的硬件可采用普通的PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其接口滿(mǎn)足環(huán)境仿真的需要,。
　　(4)各環(huán)境仿真機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)置應(yīng)盡量反映真實(shí)環(huán)境的情況,。在設(shè)計(jì)中綜合考慮了系統(tǒng)的安全處理，采取相應(yīng)的安全措施,，使得整個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)足高安全性的要求,。
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