（电力系统及其自动化专业论文）高速磁浮列车车载监控技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u i n gd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y , w i t ht h ec o n t i n u i n g f a s t e n i n go ft h es o c i e t yr h y t h m ，t h ea c c e l e r a t i n go ft h ev e h i c l ei s i n e v i t a b l e t h e a d v a n t a g e so ft h eh i g l l s p e e dm a g l e vt r a i na r e ：h i g hs p e e d ( 5 0 0 k m l i ) ，l e s se n e r g y c o n s u m p t i o n ，l o wy a w p ，q u i c k - s t a r ta n dq u i c k - b r e a k , s a f e t y , c o m f o r t a b l e ，l e s s m a i n t e n a n c e ，n of u e la n dl o wp o l l u t i o n s h a n g h a ih a sa l r e a d yi n t r o d u c e dt h e h i g h - s p e e dm a g l e vf r o mg e r m a n ya n dac o m p l e t es e to ft e c h n o l o g y , i n c l u d e dt r a i n a n dt r a c kt e c h n o l o g y i t sc o s ti sm u c hm o r et h a nt h em a g l e vd e v e l o p e di n l a n d i fw e c a nd e v e l o pt h ew h o l es y s t e mb yo u r s e l v e s ，t h ep r o f i ti ns o c i e t yi ss u r et ob ev e r y c o n s i d e r a b l e o nt h eb a s i so ft h eh i g h s p e e dm a g l e vt r a i nf r o mg e r m a n yo nt h es h a h i g h a i d e m o n s t r a t el i n e ，a i m i n ga tt h el o c a l i z a t i o no ft h em a g l e vt r a i n ，t h i st h e s i sw a sd e e p l y a n a l y z e da n ds t u d i e dt h ec o n t r o la n dd i a g n o s i ss y s t e mo nt h em a g i e vt r a i n t h e v e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so nt h em a g l e vt r a i n i tc a nr e a l i z es u c hf u n c t i o n sa se q u i p m e n t so n l i n es u p e r v i s i o n ，f a u l td i a g n o s i s ，c e n t r a l c o n t r o la n dr e g u l a t i n go nt h em a g l e vt r a i n t h ev e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s t h e d i a g n o s i ss y s t e ma n dt h ec o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i sh a ss e p a r a t e l yi n t r o d u c e dt h e f u n c t i o n s ，m c h i t e c t u r e ，s i g n a lf l o we t co ft h e s et w op a r t s t h i st h e s i sh a sd i s c u s s e d t h em a i nt e c h n o l o g ya n dg i v e nt h es o l v i n gs t r a t e g y i th a sa l s oa n a l y z e da n ds t u d i e d t h ea r c h i t e c t u r ed e s i g n ，t h eh a r d w a r ed e s i g n , t h eo p e r a t i o ns y s t e mc h o s e na n dt h e s o f t w a r ed e s i g n t h ec l a n g u a g ew a su s e dt od e s i g nt h ec a n - b u sc o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n d t h ev i s u a lb a s i c n e tw a su s e dt od e v e l o pt h ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e m t h i s s y s t e mu s e dd a t a b a s et e c h n o l o g y , c a n b u st e c h n o l o g ye m b e d d e dt e c h n o l o g ya n de t c i th a sf i n i s h e ds o f t w a r ed e s i g nb a s e do nt h ew i n d o w sc eo p e r a t i o ns y s t e ma n d r e a l i z e dt h ef u n c t i o n so ft h ec o n t r o la n dd i a g n o s i ss y s t e mo nt h em a g _ i e vt r a i n t h i s s y s t e mh a sp a s s e das e to fg r o u n ds i m u l a t i v et e s t si nz h u z h o ue l e c t r i cl o c o m o t i v ea n d 垒垒! ! 翌! ! r e s e a r c hi n s t i t u t e k e yw o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ，d i a g n o s i ss y s t e m ，c a n - b u s ，e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m l l i 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：1 够兰浩 刁年弓月7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑苇声明：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、己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： f 微i 名 卅年乡月1 日 第1 章绪论 1 1 什么是磁悬浮列车 第1 章引言 磁悬浮列车是使用同性相斥异性相吸原理，利用吸引力与排斥力将列车托 起，使列车悬浮在轨道上方，和轨道之间没有直接接触，大大减小运行阻力， 达到高速运行的目的。磁悬浮列车用电磁力将列车浮起而取消轮轨，采用长定 子同步直流电机将电供至地面线圈，驱动列车高速行驶，从而取消了受电弓。 磁悬浮列车主要依靠电磁力来实现传统铁路中的支承、导向、牵引和制动功能。 列车在运行过程中，与轨道保持1 0 m m 左右距离，处于一种“若即若离”的状态。 由于避免了与轨道的直接接触，行驶速度也大大提高，其正常的运营速度可达 到4 3 0 k m h 。1 4 1 1 2 磁悬浮列车的种类 磁浮列车从原理上可分为两种。一种是电磁型( e m s ，e l e c t r om a g n e t i c s y s t e m ) ，也称吸力型、常导型。另一种是电动型( e d s ，e l e c t r od y n a m i cs y s t e m ) ， 也称斥力型、超导型。 电磁型悬浮就是对车载的、置于轨道下方的悬浮电磁铁( 或永久磁铁加励 磁控制线圈) 通电励磁而产生电磁场，电磁铁与轨道上的铁磁性构件( 钢质轨 道或长定子直线电机定子铁芯) 相互吸引，将列车向上吸起悬浮于轨道上，电 磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙( 称为气隙) 一般约8 - - 1 0 r a m 。列车通过直线 电机牵引行驶，通过控制悬浮电磁铁的励磁电流来保证动态稳定的悬浮气隙。 电动型悬浮的特点是当列车达到一定速度时才能悬浮。当列车运动时，列 车上安装的磁体( 一般为低温超导线圈或永久磁铁) 的运动磁场在安装于线路 上的悬浮线圈中产生感应电流，两者相互作用，产生一个向上的磁力将列车悬 浮于路面一定高度( 一般为1 0 0 - - 1 5 0 r a m ) 。列车运行靠直流电机牵引。与电磁 悬浮相比，电动式悬浮系统在静止时不能悬浮，必须达到一定速度( 约1 5 0 k m h ) 后才能起浮。电动式悬浮系统在应用速度下悬浮气隙较大，不需要对悬浮气隙 第1 章绪论 进行主动控制。1 1 l 1 3 磁悬浮列车的发展概况 在世界上，重视磁浮列车研制并形成自己研制系列的国家主要是德国和日 本。 德国是最早开始研究磁浮列车技术的国家，其研究主要集中在e m s 型磁浮 列车技术上，目前在技术上占有优势。它的e m s 型磁浮列车发展计划称为 t r a s p a i d ，相应的车型均用t r 加编号命名。世界上第一台e m s 型磁浮样车 诞生在德国，它是1 9 6 9 年德国马法伊研制的模型车t r 0 1 。1 4 1 日本国有铁路( j n r ) 则致力于e d s 型研制，于6 0 年代中期就起步研究。 1 9 7 2 年研制成的m l l 0 0 是世界上第一台e d s 型磁浮列车。1 9 7 9 年又研制成功 m l s 0 0 ，时速5 1 7 公里，是陆面交通工具移动速度的世界纪录。【5 l 中国在上世纪8 0 年代初开始对低速常导型磁悬浮列车进行研究。1 9 9 4 年 1 0 月，西南交通大学建成了首条磁悬浮铁路试验线，并同时开展了磁悬浮列车 的载人试验，成功地进行了4 个座位，自重4 t ，悬浮高度为8 m m ，时速为3 0 k m h 的磁悬浮列车试验，于1 9 9 6 年1 月通过铁道部组织的专家鉴定。然后，在铁 科院环形试验线轨距2 m ，长3 6 m ，设计时速为1 0 0 k m 的室内磁悬浮试验线路上 成功地对长为6 5 m ，宽为3 m ，自重4 t ，内设1 5 个座位，设计时速为1 0 0 k n f f h 的低速常导6 t 单转向架磁悬浮试验车进行了试验，于1 9 9 8 年1 1 月通过了铁道 部科技成果鉴定，填补了中国在磁悬浮列车技术领域的空白，从而使我国对磁 悬浮列车的研究跨入了先进国家的行列。f 3 】 鉴于日本与德国已将t r a n s r a p i d 与m l x 技术发展到可建造实际运营线 阶段，我国的发展应在充分引进、消化、吸收国际先进技术基础上，继续向上攀 登。 1 4 磁悬浮列车的特点 1 4 1 磁悬浮列车的优点 1 速度快 2 第1 章绪论 磁浮列车是大面积悬浮支撑，单位面积受力小。普通列车的速度主要是受 限于轮轨间的粘性力，而磁浮列车的速度则受限于空气阻力最高速度可达 5 5 2 k m h ( 日本) ，磁浮列车是陆上最快的交通工具，其速度仅次于飞机。 2 乘坐平稳舒适、噪音低 凡是在德国和月本乘坐过磁浮列车的人，都异口同声的称赞乘坐平稳舒适。 这是因为车身与轨道之间无接触，轨道不平度的影响可通过控制系统被滤除。 磁悬浮列车的噪声属于低水平噪声。 3 占地面积小 磁浮列车路轨占地面积与普通列车相近，比高速公路占地面积要小得多。 每公里的占地面积，六车道高速公路为4 2 8 万平方米，四车道的为2 8 6 万平 方米：而单向磁浮路轨仅为1 4 3 万平方米，若是高架路轨，则几乎不占地面。 4 晨坡能力囊 同等速度下，磁悬浮列车转弯半径比普通列车小，例如t r 0 6 轨道时速2 1 6 公里的曲率半径为1 0 0 0 米，可适应修建磁浮路轨的地段多，因而可减少隧道和 山谷桥架等建筑费用 5 能耗较低 不考虑速度，单看能耗。似乎磁浮列车要比普通列车大，如果考虑到速度 因素，考虑在不同速度下的功能指标，结论就不一样了当时速达2 2 0 公里左 右时，普通列车与磁浮列车的功耗基本上一致。再提高时速，磁浮列车的优越 性就明显了，而普通列车己无法达到。磁浮在5 0 0 公里d , 时速度下每座位公里 的能耗仅为飞机的l 3 至1 2 ，比汽车少3 0 。 6 安全可靠 磁浮列车( e m s 型) 悬浮高度大约l 厘米左右，万一悬浮系统失效，应急 车轮能支撑列车继续行进。另外，磁浮列车车体两侧像钳子一样卡住路轨，不 易出轨，比普通列车安全。 7 使用寿命长，维修费用低 第1 章绪论 磁浮列车没有车轮和铁轨的接触以及与受电弓的机械接触，震动小，舒适 性好，其工作属于无磨损运行，维修主要集中在电子技术方面，不需大量体力 劳动。 s 环境污染少 磁浮列车采用电力驱动，不需燃油，这使它的发展不受能源结构，特别是 燃油供应的限制；同时，无有害气体排放，环境污染小。 1 4 2 磁悬浮列车的不足 尽管磁浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足： ( 1 ) 由于磁浮系统是以电磁力来实现悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁 浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高 速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。 ( 2 ) 常导磁浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及 道俞结构方面的要求较超导技术更高。 ( 3 ) 超导磁浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重， 强磁场对人体与环境都有影响。 1 5 在我国研究磁悬浮列车的必要性【1 1 时速可达5 0 0 公里的高速磁悬浮列车主要应用于长距离、大城市间、大流 量的客运。我国需要发展高速磁悬浮列车就在于它最适合于我国高速客运专线 网的发展，这是因为： ( 1 ) 我国幅员辽阔，人口众多。目前考虑的主要客运专线( 京沪一1 3 2 0 公 里，京广港澳2 5 5 0 公里，哈大9 4 0 公里，徐州到宝鸡一1 0 3 0 公里，浙赣一9 4 0 公里，津沈- 7 0 3 公里，沪杭一1 9 4 公里) 大多在1 0 0 0 公里以上。时速5 0 0 公里 的磁悬浮列车比时速3 0 0 公里的高速轮轨列车在旅客选择民航或铁路时具有显 著的优越性。高速磁浮的投资成本比高速轮轨高出不多，其更高速的优越性必 然会使其成为优先选择的方案。 ( 2 ) 我国至今尚无客运专线，高速客运网的形成大约需半个世纪的持续努 力，恰恰成为我们在交通领域实现技术跨越发展、发挥后发优势、后来居上的 4 第l 章绪论 重要机遇。 ( 3 ) 高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高 新技术本身又将为新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。我国及时抓住 高速磁悬浮体系的发展机遇，将为我国在2 1 世纪中叶，相关产业的发展处于国 际前列奠定良好基础。 京沪高速线是我国实施高速专线客运的首选长大干线，也是本世纪前期世 界范围内将投入建造的惟一长大干线，采用磁浮方案将能全面带动整个系统实 现产业化，形成薪兴的高技术产业，并为全面推广应用奠定良好基础。“成本” 是目前反对在京沪线上采用磁浮方案比较集中的理由。一些研究者反复强调， 上海磁浮示范运营线每公里的投资达3 亿元，而铁道部门估计高速轮轨线路每 公里的造价为1 亿元，若在京沪高速线上采用磁浮方案，总投资高达4 0 0 0 亿元， 而采用高速轮轨方案的投资为1 3 0 0 亿元。虽然上海线是全长仅3 0 多公里的短 线，用此“价格”去估算京沪长大干线是不合适的，技术成本仍就不可忽视。 如果依靠自主研发，通过现场试验测试、分析研究、关键技术攻关等逐步实现 国产化。可以很大程度的降低成本。 1 6 磁悬浮列车上的车载监控系统 磁悬浮列车上的电子电气部件工作状态是否正常、磁悬浮车辆的各个子系 统是否工作在正常模式下，和其他问题都需要通过车载监控系统来判断，通过 车载监控系统可以实现车辆部件或子系统的状态监测、故障诊断、集中控制调 节等功能。当设备出现故障时，通过车载监控系统能够准确判断出故障的部位， 并报告出故障原因等有关信息。通过车载监控系统还可以随时知道列车的运行 状态，如当前速度、温度等。所以无论是传统的轮轨铁路，还是新型的高速磁 悬浮列车，都需要一套完善的列车车载监控系统来更好的服务于列车的安全和 高效运行。 在上海磁浮运营示范线的德国高速磁悬浮列车中，车载监控系统功能的实 现又分为两部分：安全相关的功能和与安全无关的功能，这两部分功能部件的 控制在功能上和物理结构上是完全独立的，是通过两套不同的系统来实现的。 其中与安全相关的控制及命令的产生以及相关操作信号的传输都通过车载控制 系统来实现，并要求达到最高安全级别。同时在车载控制系统中也仅对安全相 5 第1 章绪论 关的状态信号进行监视。对于与安全无关的控制功能则通过车载诊断系统来完 成，通过车载诊断系统可以在线监测车辆上的设备和部件，进行故障诊断并把 诊断结果送至运行控制中心和维护中心。 1 7 本文的课题研究内容 1 车载监控系统的组建 车载诊断系统主要由列车诊断计算机、列车操作计算机及其显示模块和键 盘、车辆诊断计算机、两级的传输网络( 车辆级的诊断网是一个c a n 总线网， 列车级的诊断网络是一个标准工业以太网) 以及底层的被诊断功能部件组成。 车载控制系统主要由两个车载控制单元和一个车载控制分配器组成。 2 车载监控系统的设计 车载诊断系统的每节车辆有一个车辆诊断计算机( s d r ) ，车辆内的各部件 通过c a n 总线与所在车辆的车辆诊断计算机连接从而形成一个诊断子系统。各 车辆的功能部件通过其内部的信号采集装置采集的控制信号和状态信号，并将 这些信号通过c a n 总线传输给所在车辆的车辆诊断计算机。采集到的状念信号 在车辆诊断计算机通过与设定值的比较来判断车辆部件是否出现故障。 车载控制系统是将车载运行控制系统( b l f ) 发出的与安全相关的控制命令 经一定的处理后分配到相应车辆部件，从而控制这些部件实现其功能；另外把 由车辆部件产生的与安全相关的监测信号进行处理后送回车载运行控制系统。 3 车载监控系统的实现 基于嵌入式w i n c e 操作系统，运用v b n e t 和c 程序设计语言，结合硬件 接口进行软件设计，以实现车载监控系统。 1 8 本文具体章节安排 论文共分八章。 第1 章引占，介绍了选题的背景、本课题的意义与主要研究内容。 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统，总体介绍了磁悬浮监控系统的整体概 6 第1 章绪论 况，分别介绍了车载诊断系统和车载控制系统的整体、功能和组成等方面的要 求。 第3 章分别介绍了工业以太网和c a n 总线的优缺点和应用场合 第4 章对本章运用的c a n 总线协议进行分析和研究，并且根据实际情况制订 了c a n 总线应用层协议。 第5 章讨论了车载诊断系统的总体开发方案，并对整个系统的硬件选型，操 作系统的选择以及功能实现进行了详细介绍，并且提出了改进方法。 第6 章讨论了车载控制系统的总体开发方案，注重对车载控制系统中逻辑处 理模块进行详细介绍，并且分析了系统的优缺点和改进的方向。 第7 章介绍了车载监控系统的地面调试情况，包括调试环境、步骤、方法、 结果等。 第8 章总结与展望。总结了科研过程中作者所做的工作、系统可以改进的方 向和下一步的工作。 7 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 2 1 车载监控系统的整体概况 车载监控系统包括车载诊断系统和车载控制系统两大部分。 车载诊断系统主要用于对车辆电气与电子部件进行在线诊断，通过采集车 辆上各部件的状态信号和部分模拟量，来判断各部件是否有功能故障。通过诊 断系统还可以实现部分控制命令的输入操作和状态、诊断信息的显示，同时还 可实现部分与安全无关的控制功能。车载诊断系统主要由列车诊断计算机、列 车操作计算机及其显示模块和键盘、车辆诊断计算机、两级的传输网络( 车辆 级的诊断网是一个c a n 总线网，列车级的诊断网络是一个标准工业以太网) 以 及底层的被诊断功能部件组成。 车载控制系统主要用来实现车辆上与安全相关的部件的控制功能。车载控 制系统的主要功能有两个：一个功能是将车载运行控制系统发出的与安全相关 的控制命令经处理后分配到相应车辆部件，从而控制这些部件实现其功能；另 一个功能是把由车辆部件产生的与安全相关的监测信号进行处理后送回车载运 行控制系统。 2 2 车载诊断系统 2 2 1 车载诊断系统的整体要求 车载诊断系统主要用于对车辆电气与电子部件进行在线诊断，通过采集车 辆上各部件的状态信号和部分模拟量，来判断各部件是否有功能故障。通过诊 断系统还可以实现部分控制命令的输入操作和状态、诊断信息的显示，同时还 可实现部分与安全无关的控制功能。 车载诊断系统的主要由列车诊断计算机、列车操作计算机及其显示模块和 键盘、车辆诊断计算机、两级的传输网络( 车辆级的诊断网是一个c a n 总线网， 列车级的诊断网络是一个1 0 m 的标准工业以太网) 以及底层的被诊断功能部件 8 第2 章高速磁悬浮列下乍载监控系统 组成。 车载诊断系统的每节车辆有一个车辆诊断计算机( s d r ) ，车辆内的各部件 通过c a n 总线与所在车辆的车辆诊断计算机连接从而形成一个诊断子系统。各 个车辆的功能部件通过其内部的信号采集装置采集的控制信号和状态信号，并 将这些信号通过c a n 总线传输给所在车辆的车辆诊断计算机。采集到的状态信 号在车辆诊断计算机通过与设定值的比较来判断车辆部件是否出现故障。各个 车辆诊断计算机、分别位于前端车与后端车的两个列车诊断计算机( f d r ) 和两 个列车操作计算机( f p r ) 之间通过工业以太网相连接。每个列车诊断计算机与 列车操作计算机都带有一个显示模块和一个键盘，显示模块和键盘通过r s 2 3 2 串行总线与计算机连接，实现人机接口，可以进行各种信息的显示与操作。其 中列车诊断计算机用于显示与存储各节车辆的诊断数据，列车操作计算机可以 存储各节车辆间传输的操作数据。列车诊断计算机与列车操作计算机通过以太 网与车载无线电设备连接：通过1 1 r y 串行电流环接口与车载安全计算机( v s c ) 相连接。 2 2 2 车载诊断系统的功能要求 1 在线功能诊断 车辆电气和电子部件的在线功能诊断 采集包括诊断系统部件在内的车辆部件的诊断信号，评判诊断状态，生成 故障信号或在诊断状态改变时生成o k 信号；将故障信号、o k 信号以及其它可 能与状态判断有关的信号作为诊断信号传送给列车操作计算机、维护中心和运 行诊断。 诊断系统可以识别下列部件中的功能故障： 车载电网控制、车载控制、升压斩波器、制动磁铁控制单元、悬浮磁铁控 制单元、导向磁铁控制单元、车门控制、2 3 0 伏配电器、逆变器、p r w 电子设 备、空调计算机、定位电子设备、车辆诊断计算机、车辆诊断计算机、列车操 作计算机、f d r 和f p r 显示模块、车辆运行控制系统1 、车辆运行控制系统2 、 无线电、气动装置、车辆诊断的集中部分。 通过清除指令保持故障信息存贮器的一致性 维护人员可以或者由计算机自动地按一定时间间隔针对各种信息、各个计 9 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 算机或者计算机的部件有选择性地清空s d r 、f d r 和f p r 的诊断状态存储器。 诊断信息的时间标记 诊断信息在生成时就会加上时间标记。每隔一定时间，就会对生成诊断信 息的计算机的系统时钟进行调整，使其和b l t 时间同步。 诊断信息的位置信息 诊断信息还会加上位置信息。位置信息由定位电子设备接收。 诊断信息数据传输的安全性 诊断信息传输时会被缓存到传输路线上的每个计算机中，并且采用应答方 式进行传输，以避免数据丢失，以及因此而在运行控制中心和维护中心中重构 故障描述时出现错误。 2 将控制信号传输给车辆部件 b l t 发出的控制信号 列车操作计算机( 键盘) 发出的控制信号 内部车辆部件产生的控制信号 3 采集车辆部件的状态信号、生成总信号传输给b l t 4 车辆控制台功能，输入功能和显示功能 控制信号一给定值的键盘输入功能。 通过键盘可以生成以下信号：起浮下落、受流器一伸出收回、制动检验一 要求、速度指标、行驶方向变化、行驶准备、左门一开、右门一开，关门。 列车操作计算机1 和2 上的操作元件完全相同。在两个列车操作计算机上 都可以进行操作。驾驶室装有可上锁的通道门，以防未授权人员操作驾驶台。 传输并显示来自车辆部件和b l t 的运行数据，直观地显示在列车操作 计算机显示器上。 直观显示出一定时自j 内的诊断信息，并且具有通过键盘操作来实现的翻 页功能。 5 维护中心中车辆诊断部件的功能 集中存储诊断信息。 在各分布式工作站上显示诊断信息( 包括以前的诊断信息) ，并且可以 1 0 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 对诊断信息进行过滤选择。 能够使用不同的分组特征( 部件类型、车辆、信息类型等等的简述) 重 组并显示诊断状态( 将当前故障和瞬间故障分离) ；能够手动清空存储 瞬间故障的故障信息存贮器。 能够给故障原因无法通过维护消除的故障信息作标记，删除集中故障信 息存储器中的相关记录时，可以通过手动输入取消各个故障信息或者部 件的标记。 生成f d r 、f p r 和s d r 中的诊断状态存贮器的清除命令。 为了保证诊断信息数据记录存储的正确性，数据存储时需要进行应答确认。 只有当接收到表明诊断信号已经成功存入到数据库中的反馈信息时，才会将该 诊断信号从f d r 的发送缓冲区中删除。 6 生成和清除b l t 的冗余损失信号 “f r e i g a b ed i a g n o s e ”是一个用来显示一节车辆或- - n 车是否出现运行相关的 冗余损失的信号。当出现运行相关的冗余损失时，该信号在组件进一步故障时 导致a z s 作出运行反应( 强迫制动，停滞) 永久性记录下与“f r e i g a b ed i a g n o s e ”相关的故障，并经过车载控制将存 储值传输给b l f 。 为车辆中和在分布式维护工作站旁的维护人员显示存储值。 通过分布式维护工作站旁的维护人员进行的相关操作，可以清空存储 器。 7 控制供气装i 控制所有列车车辆中的气动装置的逆变器。通过2 3 0 伏配电器中的c a n 总 线i o 卡可以获得供压回路中的压力。如果压力值达到下阈值，同一压力回路( 每 两节车辆) 中的所有车辆中的气动装置逆变器通过逆变器中c a n 总线i o 卡接 通。如果某个相关车辆中的压力达到了额定值，就会将这些逆变器逐个关断。 2 2 3 安全、冗余和失效特性要求 1 安全性要求 1 1 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 为了防止在故障情况下通过车辆诊断电缆造成车辆部件之间出现不允许的 耦合，车辆诊断总线系统( c a n ) 的导线和所有相连的c a n 节点之间应实现“安 全隔离”： 漏电间隙：2 4 m m 空气间隙：1 4 m m 检测电压：有效值2 k v ，频率5 0 h z ，l m i n ( 脉宽5 0 n s ，周期 3 0 0 m s ，正负2 k v ，2 m i n ) 2 失效性要求 车辆诊断系统的部件或功能的失效不会对车辆的安全相关功能产生任 何影响。 c a n 总线f o 卡、s d r 、f d r 、f p r 、f d r 和f p r 显示模块都有定时 监视器和自动复位功能。 如果s d r 中负责给c a n 总线段供电的一个电源发生失效，就不可能通 过相关c a n 总线段传输数据。 如果某个车辆诊断计算机发生故障或者其车辆诊断总线接1 ：3 发生故障， 那么通过诊断系统就无法再对相关车辆上的车辆组件进行诊断或者开 关控制。 c a n 节点上控制信号输出的故障方向通过c a n 节点的软件来确定。 3 冗余性要求 从车辆到运行维护中心( b l t 无线电接口和数据传输系统) 的诊断数 据传输具有冗余。 b l f 接口是冗余的。 两个列车操作计算机上的操作和显示功能完全相同。其中一个列车操作 计算机的部件发生故障不会影响另一列车操作计算机的功能。当一台列 车操作计算机计算机、一个f p r 显示模块或一个f p r 键盘发生故障时， 可以操作另一节头车上列车操作计算机。 2 2 4 系统设计参数 系统设计参数如表2 1 。 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 表2 1 车载诊断系统设计参数表 诊断信号的扫描频率 c1h z 1 个运行日， 对于需要迅速 故障信息的存贮容量得到的故障信 在维护中心息； 其它信息则没 有限制 在车辆诊断计算机中( 显示模块) 1 0 0 0 条信息 故障信息的显示延迟 ( 故障暴露时间) 车辆上诊断显示器上： 5s 在维护中心( 稳定) ：3 0s 控制信号的传输时间， 2s 所有供电电压都施加上之后到运行准备好的时间( 2 r a i n 2 2 5 车载诊断系统传送信息要求 列车诊断计算机、列车操作计算机、车载无线电设备、车载安全计算机、 车辆诊断计算机之问信号的传递主要包括了以下内容。 ( 1 ) 车载安全计算机到列车操作计算机的信息 列车最大给定速度、列车最小给定速度、行驶到下一停车点的距离、运行 方向已调整好、运控系统正常，允许运行、当前速度、允许降落、牵引接通、 有无牵引的立即停车、定位电子部件o r t 正常、车载无线电设备正常、来自于 车载运行控制系统的故障、强制停车( 手动b u ) b l f 服务站) 、车载运行控制 系统工作正常、车内照明、制动正常，制动激活、时间日期、列车号码等。 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 ( 2 ) 列车操作计算机到车载安全计算机的信息 悬浮降落命令、受流器伸出缩回命令、制动检验命令、车门开关允许命令、 速度设定、运行方向设定、行车准备好、乘客紧急信号等。 ( 3 ) 列车诊断计算机到车载无线电设备的信息 诊断信息、来自于定位系统的速度信息等。 ( 4 ) 车载无线电设备到列车诊断计算机的信息 诊断信息的应答信息等。 ( 5 ) 车载无线电设备到列车操作计算机的信息 空调开关待机、空调挡板开关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、照 明开关、前窗玻璃加热开关等控制信息。 ( 6 ) 列车操作计算机到车载无线电设备的信息 空调开关待机、空调挡板开关、空调实际温度、车头红灯白灯开关、照 明开关、前窗玻璃加热开关等状态信息。 ( 7 ) 车辆诊断计算机到列车诊断计算机的信息 诊断信息和每节车厢如下的状态信息：空调开关待机、空调左右挡板开 关、空调给定温度、空调实际温度、上下车门开关、照明开关、乘务员呼叫激 活、车头红灯与白灯激活、前窗玻璃加热开关、供气系统供气达到开通压力关 断压力、火警装置激活、乘客紧急信息启动、受流器伸出缩回、来自于定位电 子部件的车辆定位、来自于m r e t 的速度信号、来自于所有定位电子部件的参 考定位，来自于定位电子部件的列车运行方向、来自于o r t 定位电子部件上的 齿槽信号、车载控制单元提供的用于列车诊断的信息、h s 提供的用于蓄电池状 态显示的电量参数等。 ( 8 ) 列车诊断计算机到车辆诊断计算机的信息 空调开关待机、空调挡板开关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、照 明开关、前窗玻璃加热开关、阅读灯开关、诊断批准、气动控制开关、行驶 方向、起浮、当前速度等控制信息。 ( 9 ) 列车诊断计算机到列车操作计算机的信息 空调开关待机、空调给定温度、空调实际温度、空调左右挡板开关、上下 门开关、火警己激活、乘客紧急信号确认、照明开关、乘务员呼叫信号确认、 车头红灯白灯开关、前窗玻璃加热开关、受流器伸出关闭等状态信息。 ( 1 0 ) 列车操作计算机到列车诊断计算机的信息 空调开关待机、空调左右档板开关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、 1 4 第2 章高速磁恳浮列车车载监控系统 照明开关、前窗玻璃加热开关等控制信息。 2 3 车载控制系统 2 3 1 车载控制系统的功能要求 车载控制系统主要用来实现车辆上与安全相关的部件的控制功能。 车载控制系统的主要功能有两个： 一个功能是将车载运行控制系统( b l f ) 发出的与安全相关的控制命令经一 定的处理后分配到相应车辆部件，从而控制这些部件实现其功能； 另一个功能是把由车辆部件产生的与安全相关的监测信号进行处理后送回 车载运行控制系统。这些与安全相关的部件及其功能包括： 1 悬浮功能 要求能够向全部悬浮控制器发送起浮和降落指令，并且可以接收和上传悬 浮控制器的工作状态到车载安全计算机。 2 导向功能 要求能够向全部导向控制器发送导向启动和关闭导向的指令，并且可以接 收和上传导向控制器的工作状态到车载安全计算机。 3 涡流制动功能 要求能够对每个涡流制动单元的制动电流进行8 级控制，并且可以接收和 上传制动单元是否失效和最大制动电流是否满足等涡流制动的状态信号到车载 安全计算机 4 供电功能 要求能够对受流器的收放功能进行控制，可以对车载电网的上电与断电进 行开关和逻辑控制，并能接收和上传受流器与电网的状态信号到车载安全计算 机。 5 车门控制功能 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 要求能够对左侧车门和右侧车门进行单独开关控制，并能接收和上传车门 的状态信号到车载安全计算机。 6 火灾报警处理功能 要求能够接收和上传车厢内部以及夹层结构的烟雾和火灾探测器的输出信 号到车载安全计算机，并由相应的电路传递车载安全计算机的处置命令，如关 闭车厢隔离门、关闭空调、切断有关电源等。 7 乘客紧急信号功能 要求能够接收和上传乘客紧急信号到车载安全计算机。 2 3 2 车载控制系统的组成要求 车载控制系统的硬件体系结构应如图2 1 。 图2 1车载控制系统硬件体系结构图 每节车厢有两个车载控制单元b s t 和一个车载控制分配器y r b s t 。所有的 控制信号由车载运行控制系统1 ( b l f l ) 与车载运行控制系统2 ( b l f 2 ) 的安 全计算机以两倍冗余的方式发出，分别到两个车载控制单元中经过“或”逻辑 运算后以两倍冗余的方式传到车辆的各底层部件。这样保证了当一路控制信号 出现故障时该控制信号仍然能够执行。所有的监测信号也是以两倍冗余的方式 分别传输到两个车载控制单元，在车载控制单元中经过逻辑运算后传输到车载 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 运行控制系统1 。相邻车厢相应车载控制单元之间以级连的方式连接，只有两个 端车中的车载控制单元直接与车载运行控制系统的车载安全计算机相连，每一 节中间车的车载控制单元一方面监控本节车厢各种与安全相关的部件，同时接 收与传递来自相邻车辆车载控制单元的监控信号。 车载控制单元的控制与监测信号通过车载控制分配器( v ts t ) 进行分配。 每节车辆的两个车载控制单元共用一个车载控制分配器，这样可以减少车载控 制单元的接线板数量。 基于上述体系结构的车载控制系统应具有如下特点： 各种控制信号与监测信号的传递都是以两倍冗余的方式实现，这样 就保证了控制与监测信号的可靠性。 各节车厢中相应车载控制单元之间以级连的方式连接，仅在端车车 载控制系统与车载安全计算机有数字接口，这样增加列车的编组数 就不会增加车载安全计算机的直接负载，而且也确保了车辆安全功 能控制与运行控制系统之间关系的清晰，因此车载控制系统对列车 编组数目没有限制。 由于车载控制系统直接管理车辆上与安全相关的功能部件，因此车 载控制系统应该具有失效一安全特性，即某一部件的功能失效不会 影响车辆的安全功能，车载控制系统的控制过程符合故障一隔离的 原则，即某一底层功能部件的故障不会通过车载控制系统影响到其 他底层功能部件。 2 3 3 车载控制系统的信号流程要求 车载控制系统的控制命令信号和状态信号在各节车之间传输的信号流程分 别如图2 2 和图2 3 所示。其中v s c 表示车载安全计算机，b s t i ( m i ) 表示第i 节中车的车载控制单元1 ，b s t l ( e 1 ) 表示端车1 的车载控制单元1 。 控制命令信号分别从两个端车的车载安全计算机两倍冗余发出，以两路信 号传向端车的车载控制单元，再经过中间各节车的车载控制单元一节一节的传 过来，直到最后到相应车辆的被控部件。 1 7 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 蝣痨 2 8 图2 2 车载控制系统的信号控制试程 类似地，状态信号从某节车辆的部件传出后先到本节车的车载控制单元， 再传到相邻的下一节车的车载控制单元，这样一节一节的传下去，直到最终都 传向车载安全计算机1 。所以每一节中间车的车载控制单元一方面监控本节车厢 各种与安全相关的部件，同时还接收与传递来自相邻车辆车载控制单元的监控 信号。该过程如图2 3 所示： n 一 图2 3 车载控制系统的状态信号流程 2 3 4 车载控制系统的接口要求 每节车辆有两个车载控制单元b s t 。所有的控制信号由车载运行控制系统1 ( b l f l ) 与车载运行控制系统2 ( b l f 2 ) 的安全计算机以两倍冗余的方式发出， 分别到两个车载控制单元中经过“或”逻辑运算后以两倍冗余的方式传到车辆 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 的各底层部件。保证当一路控制信号出现故障时该控制信号仍然能够执行。所 有的监测信号也是以两倍冗余的方式分别传输到两个车载控制单元，在车载控 制单元中经过逻辑运算后传输到车载运行控制系统1 。 2 3 5 安全与冗余 由于车载控制系统直接管理车辆上与安全相关的功能部件，因此对系统的 安全性和可靠性要求很高。 每节车辆有两个车载控制单元b s t ，车载控制系统中各种控制信号与监测 信号的传递都是以两倍冗余的方式实现，这样保证控制与监测信号的可靠性。 车载控制系统应该具有失效一安全特性，即某一部件的功能失效不会影响 车辆的安全功能，车载控制系统的控制过程应符合故障一隔离的原则，即某一 底层功能部件的故障不会通过车载控制系统影响到其他底层功能部件。 2 3 6 车载控制系统对各功能部件的控制和监视逻辑 1 悬浮导向 ( 1 ) 悬浮导向控制 由车载运行控制系统1 和2 的车载安全计算机1 和2 共同输出的两倍冗余 的控制命令“车辆起浮”分别传向两个车载控制单元，通过车载控制单元“或” 逻辑后传递给所有的悬浮导向控制单元。 ( 2 ) 悬浮导向监视 本节车所有悬浮框上悬浮导向装置的悬浮导向状态以及上一节车厢相应 车载控制单元输出的悬浮导向状态经过“与”逻辑后传递给下一节车的车载控 制单元或者到车载运行控制系统的安全计算机。 2 涡流制动 ( 1 ) 涡流制动控制 涡流制动通过三个二进制的通断位来控制，经编码后对应涡流制动的八个 电流等级，不同的电流等级对应不同的涡流制动力的大小。 由车载安全计算机1 和2 共同发出的两倍冗余控制信号“关闭1 位制动电 流”、“关闭2 位制动电流”、“关闭3 位制动电流”分别传向两个车载控制单元， 第2 章高速磁悬浮列车车载监控系统 通过车载控制单元“或”逻辑后分配给所有的制动磁铁控制单元。 ( 2 ) 涡流制动状态监视 涡流制动需要进行主动检测，通过控制逻辑，向所有制动磁铁控制单元发 出最大制动电流命令，然后检测，如果车载控制单元从所有的制动磁铁控制单 元m r e b 均收到“制动电流最大”的状态信号，就会向车载安全计算机1 发出 “制动检测通过”的信号，表示车上的涡流制动正常。当车载控制单元从所有 的制动磁铁控制单元m r e b 均收到“制动电流关闭”的状态信号时，就会向车 载安全计算机1 发出“服务站无强制停车”。 3 车载电网控制 ( 1 ) 车载电网控制单元的控制 由b l f l 和b l f 2 一起( “或”功能) 发出的两倍冗余控制信号“允许上电 去电”会以两倍的冗余传送给所有的车载电网控制。 由b l f l 和b u ；2 一起( “或”功能) 发出的两倍冗余控制信号“受流器释