（交通信息工程及控制专业论文）高速磁浮列车中央控制仿真系统的设计与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：目前，大城市在交通上已经显示出了严峻的问题，而高可靠、高效率、高 密度的磁悬浮交通系统是解决交通问题的重要手段之一。而磁悬浮列车运行控制 系统( m o s c ：m a g l e vo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 是支持列车运行的“大脑和神经”。 它在磁悬浮列车运行过程中起着相当重要的作用，因此对运行控制系统的研究是 很有必要的。但在实际运营系统上作研究和测试有很大困难，所以用计算机仿真 的手段，通过仿真手段对磁悬浮运行控制系统进行研究是具有现实意义的。 本文重点研究德国磁浮交通运行控制系统中的中央控制子系统的功能及核心 技术，通过对该系统的功能分析和研究，实现一套能够应用在现实技术中的仿真 中央控制子系统。 论文所做的主要工作如下： 第一，阐述了高速磁浮列车运行机理，分析了高速磁浮列车运行控制系统整 体结构及功能。 第二，分析了中央控制系统功能需求，设计了中央控制系统的软硬件总体结 构，划分了其功能模块，即通信功能模块、操作与显示功能模块、列车自动运行 功能模块，构建了软件的静态及动态数据结构。 第三，详细分析了各个模块的软件设计思想及流程，并介绍了所应用的相关 软件技术。 第四，根据实验系统的总体设计方案，编制了操作员控制终端软件、列车自 动运行和分区控制系统模拟软件，在此基础上搭建了高速磁浮中央控制系统软件 实验测试的外围仿真环境，提出了测试方案，基于仿真平台完成了中央控制系统 软件的功能测试与验证。 关键词：高速磁浮列车，中央控制系统，仿真，软件实现 分类号：u 2 3 7 a bs t r a c t a b s t r a c t ：n o w , t r a f f i cp r o b l e mi sv e r ys e r i o u si nb i gc i t y , h i g he f f i c i e n c ya n dh i g h d e n s i t yc i t yr a i l w a y t r a f f i cs y s t e mi sn e e d e dt os o l v et h i sp r o b l e m ，m a g l e vo p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e m ( m o c s ) i si t s b r a i na n dn e r v e ”m o c sp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n t h eo p e r a t i o no fm a g l e v b u t ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt h a tw ed o0 1 1 1 r e s e a r c ha n dt e s ti nt h e r e a la n dw o r k i n gr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ow ed ot h es a m et h i n gb ya u n i v e r s a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，i tw i l lb es i g n i f i c a n t t h ec e n t r a lc o n t r o ls u b s y s t e m sf u n c t i o n sa n dc o r et e c h n o l o g yo ft h eo p e r a t i o no f t h eg e r m a nm a g l e vt r a f f i cc o n t r o ls y s t e ma r ef o c u s e d b ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h e f u n c t i o n so ft h es y s t e m ，a c h i e v eas e to ft e c h n o l o g i e sw h i c hc a nb eu s e di nt h er e a l c e n t r a lc o n t r o ls u b s y s t e m r e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si sf o c u s e do nt h ef o l l o w i n g s ： f i r s t l y , e l e m e n t so ft h eh i g h - s p e e dm a g l e vt r a i ns y s t e ma n dt h eo v e r a l ls t r u c t u r e a n df u n c t i o n so ft h eh i g h s p e e dm a g l e vt r a i no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mw e l ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n tw a sa n a l y z e da n dt h ew h o l es t r u c t u r ew a s d e s i g n e db a s e do nt h ee n t i r et r a i no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h eh i g h s p e e dm a g l e v t r a i n c e n t r a lc o n t r o ls y s t e m st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r ea n ds o t t w a r ei s d e s i g n e d t h es o f t w a r ew a sd i v i d e di n t om o d u l e ，i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o nm o d u l e 、 o p e r a t i o na n dd i s p l a ym o d u l ea n da u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o nm o d u l e t h e nt h es t a t i ca n d t h ed y n a m i cd a t as t r u c t u r ew e r ec o n s t r u c t e d t h i r d l y , t h ev a r i o u sm o d u l e so ft h es o f t w a r ed e s i g ni d e a sa n dp r o c e s s e sw e r e a n a l y z e d i n d e t a i l ，a n dd e s c r i b i n gt h er e l e v a n c eo ft h ea p p l i c a t i o no fs o f t w a r e t e c h n o l o g y f i n a l l y , t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to ft h ec c ss o f t w a r ew a sd e s i g n e d t e r m i n a l o p e r a t o rc o n t r o ls o f t w a r e ，a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o na n dd e c e n t r a l i z e ds y s t e ms i m u l a t i o n s o f t w a r ea n de q u i p m e n ts i m u l a t i o ns o f t - w a r ew e r ei m p l e m e n t e d t h et e s tp l a nw a s d e v i s e d ，a n dt h er e l e v a n ts y s t e mf u n c t i o nw a sv 喇f i e d k e y w o r d s ：h i g h s p e e dm a g l e vt r a i n , c c s ，s i m u l a t i o n , s o f t w a r e _ i m p l e m e n t c l a s s n o ：u 2 3 7 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 5 8 年多月“日 留口 、 9 1 期字签 。 砂责 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 耵、 懂也 签字日期：。刁年乞月f 易日 剔程氆劾寻 签字日期：a 夕7 年月f 日 致谢 本论文的工作是在我的导师郑伟副教授的悉心指导下完成的，郑伟副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 郑伟老师对我的关心和指导。 徐洪泽、岳强、仲维锋老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，高春霞、赵斌、宿秀元、宋岩等同学对我论 文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父亲、母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 _ k 。 北京交通大学硕士学位论文引言 1 引言 1 1 本文研究的背景和目的 在磁浮列车交通领域，目前进入工程试验或商业运行试验的国家主要是日本 和德国。 日本山梨试验线的运行控制系统包括交通控制、安全控制、驾驶控制、设备 监控、车载控制、测速定位及通信等子系统。交通控制系统负责生成、管理和修 改列车运行图，并安排列车运行。交通控制系统由中心交通控制、区域交通控制 和运行交通控制三层子系统结构组成；安全控制系统负责列车进路和供电分区的 建立、联锁和解锁，根据供电分区的建立情况控制供电分区电源开关动作，并监 控列车的位置和速度。当列车超出预先设定的速度限制时，安全控制系统立即实 施安全制动【i 】。安全控制系统由分区控制、安全速度空、列车监控和车站安全控制 子系统组成；驾驶控制系统根据从交通控制系统得到的运行模式指令控制列车牵 引，即依据列车位置控制变电站转换开关的切换，并按序控制供电区的切换。驾 驶控制系统由驾驶控制管理、速度控制和供电分区控制三个模块组成；设备监控 系统不但监控整个列车运行控制系统中所有设备的工作情况，还监控有关列车运 行的控制指令和运行环境；车载控制系统负责控制列车的制动、门控、辅助支持 轮的提升与下降等动作，它由列车运行控制、列车工况监控和车载数据传输等子 系统组成；测速定位系统负责提供安全、可靠、精确的列车位置和速度信息，它 通过无线感应环线技术实现；列车与地面之间的双向通信采用漏泄同轴电缆方式， 地面轨旁设备间的信息传输采用光纤通信网实现。 德国的磁浮运行控制系统由位于控制中心的中央控制系统，位于牵引变电站 和轨旁的分区控制系统和位于列车上的车载控制系统组成【2 1 。中央控制系统包括自 动驾驶、操作员终端、在线诊断和中央无线电等子系统；分区控制系统包括分区 控制计算机、分区安全计算机、分区牵引切断计算机、分区道岔模块、分区传输 计算机和分区无线电等子系统；车载运行控制系统包括车载安全计算机、列车传 输计算机和列车无线电等子系统。系统之间的连接和数据传输在地面利用轨旁光 纤网，在地面和列车之间利用无线传输系统。德国磁浮运行控制系统的基本功能 可归结为操作和显示、列车自动驾驶、驾驶顺序控制、列车防护、进路防护、道 岔防护、定位系统、速度限界监视、牵引切断等九大功能。我国的高速磁浮列车 北京交通大学硕士学位论文引言 技术目前尚处在起步阶段，有关高速磁浮列车的运行控制系统技术目前主要在上 海示范线工程中有所涉及和研究。 本文重点研究德国磁浮交通运行控制系统中的中央控制子系统的功能及核心 技术，通过对该系统的功能分析和研究，实现一套能够应用在现实技术中的中央 控制子系统。 1 2本文研究内容 本文研究内容是适用于高速磁浮列车系统的中央控制控制系统。目前国内外 中高速磁浮中央控制控制系统均还处于起步阶段。本论文以中高速磁浮列车系统 为应用背景，分析研究了中高速磁浮列车系统的中央控制控制系统，在此基础上 完成了系统的设计和软件编制并进行了仿真试验。 各章内容安排如下： 第一章阐述高速磁浮列车和中央控制系统的研究与应用现状，分析高速磁浮 列车中央控制的研究意义。 第二章分析高速磁浮列车运行控制系统整体结构及功能，与分区控制系统和 车载控制系统的联系。 第三章分析高速磁浮列车中央控制系统的功能需求，设计中央控制系统的硬 件总体结构。 第四章对高速磁浮列车中央控制系统仿真软件进行了设计与分析，并介绍了 所应用的相关软件技术。 第五章设计高速磁浮列车中央控制系统的软件仿真环境及其测试方案，并对 系统进行了仿真测试与功能验证。 第六章总结论文所完成的工作，并提出下一步的研究内容。 2 北京交通大学硕士学位论文中高速磁浮的列车控制系统 2 高速磁浮的列车控制系统 2 1概述 运行控制系统通过计算机控制、计算机网络、通信及信息处理等先进技术与 磁浮交通系统的车辆、牵引、线路及道岔等设备或系统相连，完成对列车运行的 控制、安全防护、自动运行及调度管理等任务。所以，运行控制系统在整个磁浮 交通系统中起一个对列车运行进行自动控制与安全防护的核心地位，运行控制系 统在磁浮交通系统中的地位与作用如图2 - 1 所示： 图2 1 运行控制系统在磁浮交通系统中的地位与作用 f i g u r e 2 - 1t h es t a t u sa n dr o l eo f o p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mi nt h em a g l e vt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 运行控制系统具有很高的自动控制和防护特性，一般无需人工干预列车的运 行，只是在需要清除故障时才需运行控制人员按操作顺序进行人工干预。运行控 制系统由三层结构组成1 3 】： 1 ) 位于控制中心的中央控制系统； 2 ) 位于牵引变电站或道岔房的，与牵引区段对应的分区控制系统； 3 1 位于列车上的车载运行控制系统。 中央控制系统主要包括列车自动运行系统、操作员终端系统、诊断终端系统 和中央无线电系统等子系统；分区控制系统主要包括分区控制计算机、分区安全 3 i ! 塞至望盔芏亟主堂垡丝塞鲢堂翌堕型主墼型墨堡 计算机、分区牵引切断计算机、分区道岔模块、分区传输计算机和分区无线电系 统等子系统；车载运行控制系统主要包括车载安全计算机、车载传输计算机和车 载无线电系统等子系统。三层结构之间的连接和数据传输在地面利用轨旁光纤网 实现，在地面和列车之间的通信利用无线电传输系统实现。 2 2系统的结构组成 f j 霉 l h * “h “i 醉一- i 至i 至至 ”x * “* * j ! 星至堕盔堂堡主堂堡鲨塞童重堂竖堕型主墼型墨堑 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冈组成，即运行控制核心网 ( 也称为广域传输同，w a n # 1 ) 、分区防护通信网( 即联锁总线，1 l - b u s ) 和车 地无线电通信网( 3 8 g h z 无线电传输网) 。 运行控甜核心网用于地面中央控制系统与分区控制系统之问的信息传输，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。 2 3系统组成结构及功能 2 3 1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 ) 、 终端操作系统( o t s ) 、参考计算机( r c ) 、诊断终端计算机( d t s ) 等系统，详 细结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 中央控制系统组成结构图 f i g u r e 2 - 3 t h ec o m p o n e n t ss t r u c t u m o f c e n t r a lc o n o ls y s t e m 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 北京交通大学硕士学位论文中高速磁浮的列车控制系统 端系统o t s1 ，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 机系统通过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他功能。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有由相互冗余的计算 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自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。 2 3 2 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【5 1 。分区控制系统的结构如图2 4 所 示。 6 j ! 夏至亟丕兰堡圭丝喳壅! 蔓垩壁壁盟型垩墼型墨丝 酬24 分区控制系统组成结午句阿 p i g , v x e 2 4 t h ec d a p o n e a t s8 u u g l l n e o f d e c e a h a l i z e d o a n m a l 目日t 鼬 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 的结果和系统状态等信息也通过运行控制核心同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： 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 系统是分区在轨道上的，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 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岔的安全控制，分区道岔模块将管理道岔的各种 操作模式、道岔的安全位置等与道岔有关的各种操作等。 4 ) 分区牵引切断计算机能移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的措施实现安全控制。 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给分区控制系统，然后有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 3 3 车载运行控制系统 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 o ) 、 车载控制设旆( o b c ) 、车载定位系统( l e o ) 、驾驶员控制台( d c ) 、以及其他车 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1 ( v s c i ) 、车载安全计算机2 ( v s c 2 ) 和车载传输计算机( v t c ) 三个组成系统嗍，如图2 - 5 所示。 图2 - 5 车载运行控制系统组成结构图 f i g u r e 2 - 5 t h e c o m n a l bs t t a c i l l l 2 0 f v e h i c l ec o n t r o ls y s t e m 在列车上，车载传输计算机与车载无线系统之问、车载传输计算机与车载安 全计算机1 之问、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 北京交通大学硕士学位论文 中高速磁浮的列车控制系统 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。 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态，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到定位 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 监控这亦速度，确保该值在安全运行范围内。 5 ) 控制磁浮列车的刹车：在列车运行速度超过规定的范围后，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，可以将列车停止在下个停车点。 2 3 4 通信网系统 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。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互相连接【7 j 。 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。 9 ! ! 室奎望盔堂堡主堂焦墼壹蕉壁翌塑型主辇型墨堡 圈2 - 6 运行控制通信系统结拘图 f i g u r e 2 - 6 t h e s t r i c t u r e o f o p e r a t i o n a lc o n h o l a x m 1 l n j c a t i o ns y s t e m 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 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 单元豹连接：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 计算机被连接在一起，其随即故障失效率低于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( 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 ) 车地无线电通信厨：列车和轨旁地方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。 上述三个系统的通信网系统中，只有分区防护通信同是安全的，无需采取额 外的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) 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 现运行控制的安全通信的需求，对通用、非安全的通信网，采用冗余的通信信道 和附加的数据安全传输通信协议，达到安全通信的目的。 北京交通大学硕士学位论文 中高速磁浮的列车控制系统 2 4本章小结 本章主要研究了以下内容： ( 一) 阐述了磁浮列车控制系统的整体结构，并分析了其主要功能模块。 ( 二) 研究了组成磁浮列车控制系统的四个主要控制系统的组成结构，并详细分析了 他们的功能和之间的联系。 ( 三) 深入分析了本文研究的重点一中央控制系统的各个功能模块，其软硬件组成及 工作原理，为下一步设计系统打下基础。 北京交通大学硕士学位论文中央控制系统的功能需求分析及硬件设计 3中央控制系统的功能需求分析及硬件设计 3 1中央控制系统功能需求分析 3 1 1操作员终端系统功能分析 操作员终端系统的功能可分解为操作和显示。 1 ) 操作功能 操作员终端提供了包括主视图、文档视图、过程视图、列车数据及表内的多 个工作视图，并分配到多个显示器上显示。操作员基于显示器上的各个视图完成 对列车运行的监视和控制操作。 从操作的安全性能来讲，在操作员终端系统上可以进行的操作员操作可分解 为以下三类： 需要“命令释放 的操作； 无需“命令释放操作、可通过o t s 或a t o 进行的一般性操作； 无需“命令释放”但只能通过o t s 执行的操作。 需要“命令释放”的操作大部分是与安全相关的关键性操作，且只能在操作 员终端上执行，由操作员承担责任。 无需“命令释放”操作、可通过o t s 或a t o 进行的一般性操作，其安全性的 要求比上一类低。当系统处于自动运行模式下时，列车自动运行也可发出此类操 作命令。 无需“命令释放”但只能通过o t s 执行的操作也属于一般性操作，但它只能 有操作员终端执行，如设置系统中的列车总数、选择运行模式等。 从操作的对象来讲，在操作员终端上可执行的操作员操作员操作可分为对列 车的操作、对轨道的操作、对列车编号的操作和其他操作。 对列车的操作包括设置车载设备状态、开关内部照明、设置和取消运行要求、 指定最大速度、设置和删除发车命令、车门锁闭和解锁、为某分区控制系统或某 列车设置或取消紧急停车、选择运行模式、测试制动、列车登录等。 对轨道的操作包括设置和对取消进路预锁闭、检查进路、操作道岔、切换牵 引模式、设置和取消停车指令、对标记信息的操作等。 1 2 北京交通大学硕士学位论文中央控制系统的功能需求分析及硬件设计 对列车编号的操作包括输入、删除、替换列车编号和结束列车等待状态等。 其他操作包括解锁和测试分区牵引切断、设置系统中的列车总数、评估安全 显示等。 2 ) 显示功能 操作员的操作是基于操作员终端上显示的磁浮系统的当前状态。在过程视图 中，操作员终端系统以线路模拟图的图形形式显示轨道元素和运行设备。由于需 要“命令释放的操作必须是故障一安全的，所以要求过程状态的显示必须是无 错或是安全的。 操作员终端系统的显示基于分区控制系统和列车自动运行系统所提供的信 息，在视图中以图形方式显示。内容包括轨道区段、道岔区段、分区控制系统区 域、牵引分区区域、停车点、列车状态、标注信息及整个系统的运行状态等。 轨道区段的信息显示包括轨道区段的静态信息、当前状态( 占用或闭塞等) 、 预锁闭请求和停车点指示等。 道岔区段的信息显示包括道岔区段的静态信息、当前状态( 占用或闭塞等) 、 预锁闭请求和道岔位置等。 分区控制系统区域的信息显示包括分区控制系统的区域边界、标识和初始状 态等。 牵引分区区域的信息显示包括牵引系统的状态、分区牵引切断状态等。 停车电的信息显示主要是列车停车点和运行停车点。 列车状态显示是指对列车编号、运行状态以及相对时间表的运行变差等信息 的显示。 3 1 2列车自动运行系统功能分析 列车自动运行的主要功能可分为自动进路设置、列车管理和图形用户界面 ( g u i ) 三种【1 7 1 。 1 ) 自动进路设置 自动进路设置是列车自动列车自动运行的核心功能，主要任务是根据预先设 置好的数据以及系统的当前状态检查自动进路设置请求，并决定要发出哪些命令。 自动进路设置功能又可分解为： 处理列车自动运行工作状态的改变 处理时间表请求 1 3 北京交通大学硕士学位论文 中央控制系统的功能需求分析及硬件设计 处理列车号改变 处理系统状态的改变 处理命令 提交分区控制系统命令 执行命令的检查 2 ) 列车管理 列车管理由列车追踪，列车位置和状态显示，以及列车号的操作等几部分子 功能模块组成。列车管理通过这几个模块，实时地更新磁浮列车的相关数据，并 把他们发送给操作终端系统显示。 3 ) 图形用户界面( g u i 图形用户界面包括时间表的执行和列车运行显示。时间表定义了在某一段时 间内，列车自动运行系统控制列车运行的行驶情况。时间表包括一般操作( 即无 需“命令释放”的操作) 、宏( 操作的序列) 以及特殊的列车自动运行系统命令。 时间表数据可以显示在显示器上并根据具体要求作相应的改变。 列车运行显示是对一个计划内的运行的详细描述。如当前日期、时间、列车 号、时间表数据、当前列车正在执行哪条命令等。 3 1 3 诊断终端系统功能分析 诊断终端系统的主要软件部件有两个，分别是“服务部件 和“诊断部件， 这两个部件运行在同一个终端系统。 服务和诊断是两个完全不同的部件，服务部件负责数据的查询和处理，诊断 部件负责数据的显示。 诊断部件分析诊断源发来的信息，并以此为依据确定基本的逻辑故障视图( 即 故障信息) 。这些信息连同其他的附加信息一起存储在数据库里。附加信息包括故 障位置、处理状态、具体操作员或负责人、以及发生故障的时间和日期。 所有故障不论排除与否，都会被系统记录归档。这些记录都可以作为以后分 歧的依据。诊断部件没有用户显示界面，它在后台运行。它可以识别多个诊断源 的消息。 服务部件是基本的人机界面，它显示诊断部件提供的故障。操作人员通过在 服务部件上的相关操作处理故障。所有故障以列表的形式显示，对于每个所选的 故障，发生的时间、位置、受影响的部件都会显示出来。在诊断软件内的浏览窗 1 4 j e 塞至望盔堂堡圭堂垒堡塞塞蕉型墨丝鲍堡鳇煎墨坌堑星墼壁墨生 口可以选择每个单独的计算机或计算机的某个部件，在这种情况下，列表智慧显 示所选部分的故障。当故障被排除后，相关信息会在故障列表中被删除。 诊断信息报文的发送是定时的，即每隔3 0 秒诊断源会发送一次诊断报文。即 使诊断源没有故障信息，同样也需要发送一次。这个报文称作周期性报文。如果 在一段时间内都没有收到周期性报文，则系统认为连接到诊断源的路径终端，然 后把它的状态设为未知。 3 2 各功能模块硬件分析 3 2 1 操作员终端系统硬件分析 操作员终端系统的主要作用是实现运行控制系统的操作与显示功能。操作员 终端系统的用户界面在操作员终端上提供。参考计算机被用来配合实现过程保护 显示。处于可用性考虑，由两台相互冗余的参考计算机共同工作。所有用于中央 控制的计算机都连接在运行控制核心网( 广域传输网w a n # 1 ) 上，如图3 - 1 操作 员终端系统硬件结构图所示。 图3 - 1 操作员终端系统硬件结构图 f i g u r e 3 - i t h e h 舡d w a v e s u m c t u r e o f o p e r a t o r t e r m i n a ls y a e m a 3 2 2 列车自动运行系统硬件分析 列车自动运行的主要作用是尽量减少操作员在终端上的操作，并确保能够及 时、正确地预定到列车运行时需要占用的列车进路。另外，列车自动运行系统发 ! 塞至垩盔堂塑圭堂垫丝塞生壅墼型墨錾鲍垡鳇曼鲞坌堑垦壁竖墨盐 送实时数据给操作系统，以进行及时更新操作显示。 列车自动运行系统的状态被显示在操作员终端上。列车自动运动系统基于时 间表及列车位置完成进路预设。时间表包括了如开始运行时间及指定列车运行细 节的一些数据。时问表数据可以在任何时间调用并根据相关要求作调整。 列车自动运行系统采用冗余集群结构涉及，有两台连接在运行控制核心网 ( w a n # 1 ) 上的计算机和内存通道( m e m o r yc h a 蚰e 1 ) 组成。为保证冗余数据的 存储，a t o 采用磁盘镜像，如图3 - 2 所示。如果一台计算机发生故障，存储信道 会自动切换所有进程到另一台计算机上去。 图3 - 2 磁盘镜像结构图 r l g e 3 - 2 s t z u c l m e o f d i s k m i “q a t o 采用带存储信道的c o m p a 服务器，其操作系统选用c o m p a d t n l 6 4 - u n i x , 底层通信为t c p i p 的s i p a x 。 3 2 3 诊断终端系统硬件分析 根据上节的功能需求分析我们不难给出其基本的硬件结构如图3 - 3 所示。 a ! 蔓至堕盔堂堡主堂堡堡苎! 墨堡型墨錾盟望蹩煎塞佥堑垦堡壁堡盐 图3 - 3 诊断终端系统结构图 f i g m e 3 - 3 t h e m e c t u r e o f d i a g n o s ：i s t e t m i n a s y s t e m 诊断部件分析诊断源发来的信息，并以此为依据确定基本的逻辑故障视图( 即 故障信息) 。这些信息连同其他的附加信息一起存储在数据库里。附加信息包括故 障位置、处理状态、具体操作员或负责人、以及发生故障的时间和日期。 服务部件是基本的人机界面，它显示诊断部件提供的故障。操作人员通过在 服务部件上的相关操作处理故障。所有故障以列表的形式显示，对于每个所选的 故障，发生的时间、位置、受影响的部件都会显示出来。在诊断软件内的浏览窗 口可以选择每个单独的计算机或计算机的某个部件，在这种情况下，列表智慧显 示所选部分的故障。当故障被捧除后，相关信息会在故障列表中被删除。 3 3 硬件仿真平台设计 运行控制系统的硬件平台是由多种计算机硬件系统和相关的机柜等设备组成 的，他们是运行控制系统各种功能赖以存在和实现的基础。 运行控制系统所使用的计算机主要有两种，一种是具有故障一安全特性的安 全计算机系统，另一种是不具有故障一安全特性的商用计算机系统。例如。运行 控制系统种所使用的分区安全计算机、分区道岔模块、牵引安全切断、分区传输 计算机和车载运行子系统种所使用的车载安全计算机和车载传输计算机等均为安 北京变通大学硕士学位论文中央控制系统的功能需求分析及硬件设计 全计算机系统：而中央控制系统种的列车自动运行系统、操作员终端系统、参考 计算机系统和分区控制系统种的分区控制计算机等均为商用计算机。 本文主要任务是设计一个中央控制系统，所以所用的计算机都为商用计算机 即我们通常所说的p c 机。在中央控制系统中，由于参考计算机的功能主要是配合 o t s 实现安全操作和安全显示，其硬件系统和软件系统与o t s 基本一样，区别主 要是在r c 上无法输入操作命令。因此在本文的软件设计中，就不针对参考计算机 单独进行实现。 本文的中央控制系统用了两台p c 机，其中一台的主要功能与操作员终端系统 类似。并包含列车自动运行模块、诊断终端模块，另一台p c 模拟分区模块和模拟 车载模块，如下图3 _ 4 所示。 图3 4 硬件仿真平台结构图 f i g u r e 3 - 4h a r d w a r e s i m u l a t i o np l a t f o r ms n c t i l r e 北京交通大学硕士学位论文 中央控制系统软件设计 4 中央控制系统软件设计 4 1软件平台设计 本文用到面向对象的c + + 的语言编程，c h 和其他编程语言相比优势主要在于 封装性，继承性，多态性。 封装是把数据与操作结合成一体，使程序结构更加紧凑，同时避免了数据素乱 带来的调试与维护困难； 继承增强了软件的可扩充性并为代码重用提供了强有力的手段； 多态性使程序员在设计程序时，对问题进行更好的抽象，以设计出重用性和维 护性具佳期的程序。 对于这样一个要求商用的系统，这些优点显得非常重要，因此c + 十是最佳选择。 因此用v c g 0 在w i n d o w s 操作系统下建立起来整个软件仿真平台。 首先要想熟练掌握w i n d o w s 应用程序的开发，首先要理解w i n d o w s 平台下程 序运行的机制。w i n d o w s 程序设计是一种完全不同于传统的d o s 方式的程序设计方 法。它是一种事件驱动方式的程序设计模式，主要是基于消息的。 例如，当用户在窗口中画画的时候，按下鼠标左键，此时，操作系统会感知 到这一事件，于是将这个事件包装成一个消息，投递到应用程序的消息队列中， 然后应用程序从消息队列中提取消息并进行响应。在这个处理过程中，操作系统 也会给应用程序“发送消息”。所谓“发送消息”，实际上是操作系统调用程序中 的一个专门负责处理消息的函数，这个函数称为窗口过程。w i n d o w s 应用程序消息 处理机制如图4 - i 所示l ”。 北京交通大学硕士学位论文中央控制系统软件设计 图4 - 1w i n d o w s 应用程序的消息处理机制 f i g u r e 4 1w i n d o w sa p p l i c a t i o nm e s s a g eh a n d l i n gm e c h a n i s m ( 1 ) 操作系统接收到应用程序的窗口消息，将消息投递到该应用程序的消息队 列中。 ( 2 ) 应用程序在消息循环中调用g e t m e s s a g e 函数从消息队列中取出一条一条的 消息，取出消息后，应用程序可以对消息进行一些预处理，例如，放弃对 某些消息的响应，或者调用t r a n s l a t e m e s s a g e 产生新的消息。 ( 3 ) 应用程序调用d i s p a t c h m e s s a g e ，将消息回传给操作系统。消息是由m s g 结构体对象来标识的，其中就包含了接收消息的窗口旬柄。因此， d i s p a t c h m e s s a g e 函数总能进行正确的传递。 ( 4 ) 系统利用w n d c l a s s 结构体的l p f i a w n d p r o c 成员保存的窗口过程函数的指 针调用窗口过程，对消息进行处理( 即“系统给应用程序发送了消息”) 。 由于我们所设计的仿真软件即w i n d o w s 下的应用程序，因此上述所说的是我 们编写应用程序中必须知道的核心技术，但限于篇幅原因这里只能简单介绍。 4 2通信模块设计 对于一个分布式系统，必须要有一个能够将各台独立的计算机连接起来的， 能为实现系统中相关计算机之间信息交互的通信平台。运行控制系统的通信平台 主要由连接中央控制子系统与分区控制子系统的运行控制核心网、连接分区层面 各安全计算机的分区防护通信网和连接车地运行控制设备的无线通信网组成。 本文中我们连接各个仿真系统的通信系统是广域网，以t c p i p 协议为基础的 通信。 t c p - - - 传输控制协议，提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务 器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个t c p 连接，之后才能传输数据。 t c p 提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一 端传到另一端。t c p 的目的是提供可靠的数据传输，并在相互进行i 醴的设备或 服务之间保持一个虚拟连接。t c p 在数据包接收无序、丢失或在交付期间被破坏 时，负责数据恢复。它通过为其发送的每个数据包提供一个序号来完成