（电力电子与电力传动专业论文）磁浮列车的故障安全性车站控制器设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h et h e s i si m p l e m e n t sak i n do fs t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ( s c s ) w h i c hi s a p p l i e di nt h ea u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l ( a r c ) s y s t e mf o rt h em a g l e vt r a i n b o t h t h e o r e t i c a ld e s i g na n di m p l e m e n tm e t h o da r em e n t i o n e di nt h et h e s i s t h es t a t i o n c o n t r o ls y s t e mi sak i n do ff a u l t s a f e t ys y s t e m , w h i c hi s d e s i g n e da sd o u b l e 2 - v o t e - 2f a u l tt o l e r a n c ea r c h i t e c t u r e t h ec o n t r o lp a r ti si m p l e m e n t e dw i t ht w o r e d u n d a n tc p u ，a n de i t h e ro ft h e mw o r k ss y n c h r o n o u s l y , c h e c k st h er e s u l tf r o m t h eo t h e rp r o c e s s i n gc h a n n e l t h ed o u b l e2 - v o t e - 2d e s i g nm a k e sap r o m o t i o nf o r t h ef a u l tt o l e r a n c ea n df a u l td i a g n o s i sa b i l i t yo ft h es y s t e m t h el o g i cp a r ti s i m p l e m e n t e dw i t ht w or e d u n d a n tc p l dw h i c hp r o v i d e st h el o g i c a lf u n c t i o nf o r e a c hp r o c e s s i n gc h a n n e l t h et w oc p l dc o m m u n i c a t e dw i t he a c ho t h e rt os h a r e t h ed a t aa n ds i g n a l s t h e s y n c h r o n i z a t i o na n dc o m p a r e v o t ef u n c t i o n i s i m p l e m e n t e db yt h et w oc p l d t h ec o m m u n i c a t i o np a r ti si m p l e m e n t e dw i t h t w or e d u n d a n ts e r i a lp o r t s t h et w or e d u n d a n tc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sa r e d o u b l e2 - v o t e - 2d e s i g n e d w h e nf a u l to rp r o b l e mo c c u r s ，t h e p o w e rs u p p l yc h a n n e lt ot h ef i e l d e q u i p m e n tw i l lb es h u td o w n ak i n do fs a f er e l a yi sa p p l i e da st h es w i t c ho ft h e p o w e rs u p p l yc h a n n e l t h ed e s i g nf o rt h es y n c h r o n o u sr e d u n d a n tc p ui st h e k e yp o i n t t h e s y n c h r o n i z a t i o ni ss oi m p o r t a n tt h a tt h ed o u b l e2 - v o t e - 2d e s i g nw i l lf a i lw i t h o u t i t h a r d w a r el o g i cd e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a md e s i g na r ea p p l i e dt oi m p l e m e n t t h es y n c h r o n i z a t i o n t h es y n c h r o n i z a t i o ni se f f i c i e n tt oc o n t r o lt h ec o m m o n m o d ef a u l t h o w e v e r , t h et i m ed i f f e r e n c eo ft h es y n c h r o n o u ss y s t e ms h o u l db e d e t e c t e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a g l e vt r a i na n dr a i l w a y s i g n a ls y s t e m , t h e a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o ls y s t e mw i l lb em o r ea n dm o r ei n t e l l i g e n t ，a n dt h e r ei sn o d o u b tt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es c ss y s t e mw i l lb ei m p r o v e d s od o e st h e a r cs y s t e m t h e f a u l t s a f e t yt h e o r yw i l lb ea p p l i e dm o l e a n dm o r e c o m p r e h e n s i v e l y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 k e yw o i d s ：m a g l e vt r a i n ，a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l ( a t c ) ，s t a t i o nc o n t r o l s y s t e m ( s c s ) ，s y n c h r o n i z a t i o n , r e d u n d a n c y , d o u b l e2 - v o t e 2c o m p a r es y s t e m , f a u l t - s a f e t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 1 1 1 磁浮列车 第1 章绪论 1 磁浮列车的分类 磁悬浮列车是一种新兴的地面轨道交通技术，是一种无接触，依靠电磁 力来控制悬浮运行，导向的新型交通工具。与传统的轨道交通相比，由于没 有轨道摩擦，具有速度快( 显著特点) ，效率高，乘坐舒适，轨道损耗小，节 约能源，噪音低，污染小，维护费用少等优点，在根本上克服了传统轮轨列 车的粘着限制，机械噪声，磨损以及轮轨传动机构的维护成本高等问题。 磁浮列车主要由悬浮系统，推进系统以及导向系统三大部分组成。磁 浮列车根据悬浮原理及系统技术可分为三类： ( 1 ) 电磁型( e m s ) 也叫做常导型高速磁浮列车，是基于正常电磁铁对 导磁体产生吸引力的原理设计悬浮与转向装置的，以同步长定子直线电机驱 动，以德国的t r ( t r a n s r a p i d ) 系列为代表。 ( 2 ) 电动型( e d s ) 也称为超导型高速磁浮列车，是基于超导线圈的强 磁场相对导电环运动时产生排斥力的原理设计悬浮与转向装置的，如日本的 m l 系列。 ( 3 ) 中低速磁浮列车系统，采用e m s 进行悬浮和转向控制，而驱动采 用异步短定子直线电机，以日本的h s s t 为代表i l 】。 2 磁浮列车的发展现状 对于磁悬浮技术的研究可以追溯到上个世纪二十年代，最早由德国工程 师赫尔曼肯佩尔于1 9 2 2 年提出的，并申请了专利。七十年代后，德国，日 本，法国，美国，加拿大等国家开始了对磁悬浮运输系统的研究。其中，e m s 高速磁浮的研究开始的比较早。经过科技人员的不断努力，在对列车结构， 悬浮设计，控制性能等方面进行了多次研究改进之后，使得该技术在上世纪 七八十年代基本上成熟，达到了应用的条件，并且修建了多条运行试验线路； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 e m s 型实验线路的如德国的柏林汉堡线，日本航空公司( j a l ) 在名古 屋附近建立的试验线等；e d s 型的研究也有了很大的发展，已建成如日本的 山梨试验线等。而我国采用高速常导磁浮列车技术于2 0 0 1 年在上海浦东国际 机场和地铁2 号线龙阳站之间修建了世界上第一条商业运营试验线，为推广 磁浮列车开辟了更为广阔的空间。 高速磁浮列车适用于城际之间的运输，时速一般在4 0 0 5 0 0 k m 之间。而 中低速磁浮列车一般在1 0 0 1 5 0 k m 左右，更适于城市轨道交通，长远来看， 将是未来城市轨道交通发展的重要方向。中低速常导磁浮列车，比高速磁浮 列车有着制动更快，噪音更小，爬坡能力强，转弯半径小，振动更小，安全 性更高等优点，加上其较高的性价比使其更适用于城市轨道交通【4 】。 1 1 2 列车自动运行控制系统 列车自动控制系统( a u t o m a t i c t r a i n c o n t r o l ，a r c ) 属于铁路信号科学， 是城市轨道交通系统中保证行车安全，缩短列车运行间隔，提高列车运行质 量的先进设备。而列车运行控制技术是铁路信号技术中的重要研究内容。电 子计算机技术以及通信技术的发展，使得铁路信号系统的安全性和智能化越 来越高，列车驾驶以及运行正在向自动控制的方向发展。 根据系统功能和人机分工以及自动化先进程度，结合中低速磁浮列车， 把自动运行控制系统分为四个部分： ( 1 )自动保护系统( a t p ) ：磁浮列车的a t p 系统主要负责保证行车 安全，缩短列车运行间隔，对列车速度进分级和连续监督，并具备磁浮列车 测速定位，车门控制，行车安全间隔控制等功能。当列车超速时实施紧急刹 车使列车停在安全区。系统按照功能划分为固定闭塞( f i x e d b l o c k ，f b ) 与 移动闭塞( m o v i n g b l o c k ，m b ) 两种工作方式。针对中低速磁悬浮列车所设 计的a t p 系统主要采用的是基于感应环线的移动闭塞方式，相应的a t c 系 统叫做基于通信的列车控制方式( c b t c ) 。采用移动闭塞技术作为磁浮列车 的a t p 系统，不需要设置轨道电路，具有提高列车运行效率，信息量大，抗 干扰能力强，并且控制精度高，运行舒适度好等优点。 ( 2 ) 自动驾驶系统( a r o ) ：a t o 系统实施磁浮列车的自动驾驶以及对 其它设备的控制，包括车辆的起浮，降落，车门，空调，供电，列车加减速， 制动等功能，既要保证车辆的运行状况最优，还要做到高效率节省资源的目 的。a t o 主要由站台a t 0 通信器，地面环路，车载a t o 控制器，天线设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 等组成。 ( 3 ) 自动监控系统( a t s ) ：a t s 主要是实时地监督磁浮列车的运行状 态参数以及车载设备的工作状况，并及时地向上层管理中心进行数据报告。 具体来讲，有自动排列进路，自动列车调整，列车时间表管理，列车识别号 跟踪，传递与显示，监督及报警，系统数据管理，生成设备状态与运营统计 报告。硬件系统主要由冗余的控制中心服务器，数据库服务器，调度员工作 站，时刻表编辑器，管理服务器，通信服务器，网络打印机和车站远程终端 单元组成。部件与服务器之间通过冗余的以太网连接，控制中心与车站间通 过分布式光缆连接的容错网络进行通信。 ( 4 ) 计算机联锁系统( c i ) ：该系统是保证行车安全的信号基础设备， 必须要保证工作符合“故障导向安全”准则。实现列车进路的建立，锁闭， 解锁，道岔控制，信号机控制，还可以完成a t p 所需要的速度信息编码。系 统采用高可靠的硬件冗余结构，模块化的软件结构实现。 总而言之，a t s 系统所采集的数据为a t o 的车载设备提供需要的数据， 并且随时更新，是a t o 功能的基础。而a t p 也接收a t o 的命令来控制列车 运行速度，以地面设备和车载设备相互配合实现列车自动运行的功能【6 1 。 a r c 各部分之间的关系如图1 1 所示。 图1 1 a t c 系统结构图 论文设计所基于的项目是“2 1 1 中低速磁浮列车自动运行控制系统设 计”，整个大系统的功能结构如图1 2 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 系统管理中心 00 l 列车控制中心列车控制中心列车控制中心 j00 l 车站控制系统车站控制系统 车站控制系统 jj 1 l 现场设备现场设备现场设备 图l - 2 中低速磁浮列车a t c 功能结构图 由于磁浮列车与普通的轮轨列车在运行方式以及控制方式上有着根本的 区别，因此针对磁浮列车所设计的列车a t c 系统有着自己独特的特点。主要 体现在通信方式，控制方式上，具体的设计方法将在第3 章中进行详细的论 述。 1 1 3 故障导向安全 l 安全性与可靠性 安全是运输中永远不能被忽视的重要因素。铁路信号系统是整个铁路系 统安全，可靠，正点运行的基础，一定要保障铁路信号设备的安全性。安全 性即系统设备在运行过程中，不会因为某些故障或者干扰因素的影响而造成 系统发生危险的事故。系统的安全性是指规定的时间，使用条件，环境条件 下，系统不陷入危险状态的性能。 可靠性是在设备使用时必须要考虑的因素。主要是指在规定的条件下和 规定的时间内完成任务的概率。提高系统的可靠性，可以减少系统发生故障 的概率，从而提高系统的安全性。 从系统硬件方面来讲，一般主要采用容错技术和避错技术来提高系统运 行的可靠性与稳定性。避错技术的基本出发点是通过质量控制和环境防护等 措施来防止错误的发生。而容错技术的关键则是以采取额外的资源为代价换 取系统的稳定性。这两种方法是基本的提高安全性与可靠性措施。 在设计提高系统的安全性时，前提是要分析系统的潜在故障，采取相应 的防范措施。故障根据它是否可以被检测出来分为可测故障和不可测故障两 种。如果故障可以被检测出来，则可以采取相应的措施加以防范，避免由于 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 故障而导致系统产生危险侧的输出。而不可测故障则会导致系统危险侧的输 出。为了确保机车以及铁路信号设备的正常运行，要定期对铁路信号系统设 备进行功能上的检测，并且对设备的硬件，软件进行故障检测。并根据故障 表现出来的特征，建立相应的故障分析模型。并确定故障的原因和部位，制 定相应的解决措施，如故障隔离，备件替换，维修等。然而，上述的故障检 测固然很重要并且能够有效排除故障，但有时只能算是事后的补救措施，不 能完全避免事故以及损失的发生。如果能在系统故障即将发生之前就检测到， 并及时采取相应的措施排除或隔离故障，就能避免事故的发生。这就是所说 的故障导向安全。在设计故障导向安全系统时，需要尽可能的列举出系统可 能发生的一切故障以及可能出现的干扰，并对它们的影响进行评价，并采取 措施将故障及时隔离，尽可能的使系统维持在安全的输出状态。可以说安全 性= 高可靠性+ 故障安全性p j 。 2 故障导向安全 故障导向安全( f a u l t - t o s a f e t y ) 性属于安全性能之中的一个环节，主要 是指系统中一个或者多个设备发生故障时，系统会以尽可能大的概率导向安 全侧的输出状态，而不至于产生危及人身安全以及装备的重大损失。系统安 全侧的输出是指系统的输出操作不至于导致危险事故的发生一j 。 铁路信号中的联锁控制设备目前大力采用基于计算机，通信，以及可靠 性技术发展起来的计算机联锁技术来模拟传统的6 5 0 2 电气布线联锁。针对铁 路信号车站联锁系统，故障导向安全性的实现主要落实到联锁计算机，信号 灯，道岔等联锁设备上。联锁设备的安全侧的输出主要表现在信号机关灯命 令，道岔禁止转换，进路以及区段锁闭，禁止解锁，轨道电路表示线路被占 用等形式。一般来讲，安全侧状态主要是系统的停止或休眠状态，而相应地 系统的工作状态则对应着危险侧。一般，系统不经常出现故障则认为它是可 靠的。若故障是一种可预测的方式发生，则系统可以认为是“安全”的。“可 靠”是。安全”的，其另一面则是“不可靠”，。安全”的另一面则是“危险”。 系统操作的状态通常包括成功运行态和两个主要的故障模式：故障导向安全， 故障导向危险。其中，后者可能会导致系统事故的发生，是系统必须要避免 的一种运行状态【io 】。可见，故障导向安全的关键技术是选择系统相应的安全 侧状态，并且制定相应的措施使车站信号系统在发生故障的时候能够导向安 全侧状态。 总之，从目前国内外对故障导向安全技术的研究成果来看，其理论已经 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 基本成熟但在实践方面仍有许多不完善的地方。目前，故障导向安全技术的 实践应用之中主要偏重于对安全性要求较高的国防，交通，航天，以及石油 化工等领域，这些领域全都是国家重要的经济命脉，可见故障导向安全技术 的重要性。磁浮列车a t c 的车站控制系统的安全性非常重要，关系到整条线 路的安全生产，因此，引进故障导向安全技术进行系统设计很有必要。 1 1 4 计算机联锁系统 1 计算机联锁系统的定义与发展 论文所论述的车站控制器系统是属于车站区域计算机联锁系统的一部 分，是计算机联锁系统中的执行部分，并且位于整个磁浮列车运行控制系统 的执行层，负责操作层计算机与现场设备的故障安全性接口功能。 根据铁道部颁布的铁路信号名词术语中，联锁的定义是指“通过技 术方法，使信号，道岔和进路必须按照一定的程序并且满足一定的条件，才 能动作或建立起来的相互关系【15 】”。可见，联锁的功能是为了保障行车安全 的一些逻辑的组合，而这种逻辑组合必须要以技术手段来实现。而以计算机 技术来实现联锁逻辑的车站联锁系统称为计算机联锁系统。 现代联锁系统主要是以色灯信号机，道岔转辙控制器，轨道电路为室外 三大基础设备，依靠电气或者电子设备来实现联锁功能，并且采用集中分散 方式来控制联锁设备的系统。 车站联锁系统在之前经历了机械联锁，电气集中联锁，计算机联锁三个 阶段。电气联锁主要是利用安全型继电器的开关二值逻辑来组合构成所需要 的逻辑，在一定程度上提高了车站联锁系统得安全性。然而，电气联锁虽然 能够杜绝因非规范操作而造成的危险后果，但是对于非规范的操作的信息以 及无效操作信息不能自动清除，对于道路上出现的一些突发故障无法克服，对 于比较复杂的逻辑难于表达，这些问题都是电气联锁不易克服的弊端。而且 大量的继电器应用于联锁逻辑之中，致使设备群很繁琐，笨重，造价很高， 这些都迫切需要电气集中联锁的效率得到改善，并且向智能化控制改变。计 算机联锁系统正是拥有这些优点的现代化联锁设备，它可以有效减少继电器 的检修工作量，精简系统的设计，减少施工和维修的工作量，减少建筑使用 面积。当采用分布式的系统结构时，可以节省电缆，并且加强远程监控的功 能，采取一定的手段后系统的安全性也会得到提高，便于改造，增加新设备 f 1 6 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 计算机联锁系统的结构组成 计算机联锁硬件系统一般采用多机分布式结构，系统主要由控制台子系 统，网络通信子系统，联锁机子系统，输入输出子系统，监测子系统组成。 其中，控制台子系统由控制台显示计算机，纷车控制台，站场显示设备等组 成，能够完成行车作业办理的人机交互界面。监测子系统为系统维护人员提 供监测信息查询，控制信息显示，和打印各类监测信息的操作界面。网络通 信子系统实现系统内部子系统与外部子系统之间的信息交换。联锁机则通过 开关量输入接口采集现场设备的状态信息，通过通信网络接收控制台子系统 发送来的控制操作命令，进行联锁逻辑运算，产生输出命令，并通过开关量 输出接口驱动继电器，实现对道岔和信号机的控制。输入输出子系统是计算 机联锁系统与现场信号设备之间的接口，实现设备状态的采集与信号设备的 驱动。输入输出子系统与现场信号设备之间的结合是通过继电器电路实现的。 它们之间的关系是这样的。 l 控制台子系统 i ji 网络通信子系统 车站联锁控制系统 0 联锁机子系统 二刊 联锁检测子系统 j i o 子系统 现场联锁设备 图1 3 区域计算机联锁控制系统各个子系统 3 车站区域计算机联锁系统 计算机联锁系统应用在磁浮列车a t c 系统中，使得系统配置可根据不同 的运营要求实现集中控制，区域控制或车站控制方式。计算机联锁系统保证 列车进路上道岔位置正确和运行安全，实现列车自动运行的车站级的安全防 护，实现轨道交通系统的特殊的联锁功能。另外，为a t s 系统提供车站级的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 监控信息，将现场设备的状态信息及时地反馈给a t s 系统与a t p 车载设备。 可以说，计算机联锁系统负责了列车自动运行系统a t c 中的车站级的控制。 车站控制器属于磁浮列车车站区域计算机联锁系统中的一部分。它主要 是执行机构，接收上层联锁计算机发送的指令，并进行校验，错误查询，在 确保正确无误之后才驱动现场设备执行操作。此外，车站控制器还可以设计 成带有无线网卡并能与磁浮列车a t p 系统设备以及车载设备直接通信，提高 了信息传递的效率，并且加快了磁浮列车自动运行控制系统对现场情况的响 应速度。区域计算机联锁系统的大致功能结构如图1 4 所示。 入一杌对话设备 i 0上 联锁机构 人机交互层 联锁运算层 信号机道岔其它轨旁设备 执行层 图l - 4 区域计算机联锁功能结构 由于区域计算机联锁控制系统的安全性与可靠性很重要，因此要采取相 应的方法提高安全性，通常采用如下方法： ( 1 ) 采取了多模冗余结构设计比较表决系统。如2 取2 比较表决系统， 3 取2 比较表决系统等。 ( 2 ) 联锁微机选用具有高可靠性的工业控制计算机，并且在此基础上， 采取了如防雷，隔离等手段进一步提高了系统的可靠性，稳定性以及适应性。 ( 3 ) 系统采取动态冗余结构，双机热备。 ( 4 ) 软件设计采用模块化分层结构，针对现场的设备以及功能而设计相 应的数据模块，提高了程序的通用性，并且提高了程序模块的独立性，而且 便于发现排除错误，削减了错误传递的可能性。 ( 5 ) 增加软件的检测技术，设计自诊断程序，检测停机故障，死循环等 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 软件错误。 1 1 5 车站控制器系统 本文所论述的车站控制器是应用于中低速磁浮列车的列车自动控制系 统。车站控制器在系统中的作用主要是向上与人机交互设备( 具体到本系统 则是列车车辆控制中心) 通信，向下则向现场设备提供驱动信号，并且对现 场设备的故障以及运行状态进行监测的功能，起着系统承上启下的重要接口 作用。 其中，控制与逻辑即所设计的车站控制器，它结合了传统的联锁逻辑层 中的控制部分和采集驱动层，它与上层人机交互层( 操作表示层) 之间是通 过串口进行通信的。 本文所设计的车站控制器是依托在我校的“2 1 1 ”重点科研项目“中 低速磁浮列车的运行控制系统设计”之下，以我国自主研发的中低速磁浮列 车为实验研究对象，设计一套有着故障导向安全特性的车站联锁控制执行系 统。该执行系统主要是应用在车站附近，可以多个分布在车站道岔控制区段 之内。它f 根据上层系统管理中心( 在中低速磁浮列车运控系统中，主要是 指各区段的列车控制中心) 发送出的命令来执行操作，驱动现场设备如道岔 转辙机，信号灯的一些动作，并对现场设备的工作状态进行监视。基本上， 车站控制器部分在系统中是起了一个接口的作用为列车控制中心，列车 监控中心等系统控制部分和现场地面被控设备提供了安全可靠的接口。 由于在磁浮列车自动运行系统中，安全可靠性很重要。传统的车站级控 制，主要是依靠安全继电器来实现故障导向安全性能。而新兴的电子车站控 制系统中大量使用了电子设备来实现车站级的控制，故障导向安全的设计也 主要集中在电子设备的设计上。采用双机热备技术，即双控制器c p u 并行的 进行工作，实时地检查对方的运行状态，加以比较，实施2 取2 冗余表决系 统，来判断并执行正确的指令。现场设备的安全操作还是以安全继电器为主 要保证手段，采用安全继电器对现场设备进行能源供应控制，在出现故障的 时候对现场设备进行切断能源供应的操作，杜绝了现场设备对错误指令或者 干扰信息的错误操作。另外，在车站控制器与上级列车控制中心进行通信时， 也采用了冗余信道并且加比较校验的方法，加强了系统的安全性，减少了由 于错误指令以及通信错误造成的误操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 ，2 论文结构安排 第一章主要是绪论部分，介绍了本研究项目以及设计的技术与科技背景， 主要分为三个部分： ( 1 ) 磁悬浮列车的发展与列车运行控制技术的结合。这是系统得以实现 的环境。 ( 2 ) 引入了故障导向安全理论及其设计思路，主要是从安全性以及可靠 性的角度进行论述。故障导向安全技术是车站控制器系统设计的关键指导思 想。 ( 3 ) 介绍了和车站控制器系统关系密切的计算机联锁系统，单独的谈论 车站控制器系统没有意义，必须要与计算机联锁系统一同构成车站区域联锁 控制系统，这样才能发挥车站控制器的作用。 ( 4 ) 介绍了设计的重点车站控制器系统，主要是关于它的功能，设 计思路等等。 第二章主要是介绍面向中低速磁浮列车的基于通信的运行控制系统，讲 述了它的结构，系统组成，功能划分以及通信方式等，为车站控制器进行系 统背景的介绍。是整个磁浮列车运控系统设计项目的基本介绍。 第三章详细介绍了车站控制器的详细设计，具体涉及到逻辑，控制，通 信等功能的硬件设计，是全文的重点。同时介绍了本系统所要使用的主要芯 片器件，c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机，c p l d 等。 第四章介绍了系统开发的主要软件环境，介绍了系统的软件设计。 第五章则是全文的总结与展望部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章基于通信的磁浮列车运控系统设计 2 1 磁浮列车运控系统基础 2 1 1 磁浮列车运控系统功能组成 目前设计的磁浮列车运行控制系统功能主要由驾驶，保护，以及监视三 部分构成。 ( 1 ) 驾驶功能：驾驶功能的特点是以人工为主，自动为辅，并且预设全 自动功能接口。具体包含悬浮控制功能，电力牵引控制功能，机械制动控制 功能，车门控制功能，电源控制功能，以及辅助设备控制功能。其中，悬浮 控制功能主要是控制磁浮列车的车身起浮，降落，即向每一个悬浮控制器发 送起浮或者降落指令；电力牵引控制主要包括对牵引运行，牵引停止，牵引 方向，以及制动力调整等方面的控制；而机械制动控制主要负责配合电制动， 共同管理好磁浮列车的制动系统；车门和辅助设备控制主要是对外围辅助设 备进行控制：电源管理主要负责主断路器的电控以及开关电源的复位管理等 供电管理。 ( 2 ) 保护功能：主要包括进站保护，曲线限速保护，超速防护保护，对 驾驶误操作的自动保护以及司机疲劳警惕功能等。其中进站保护对列车进站 以及停车等关键行动设置开关量以实施保护，曲线限速保护则是监督列车运 行速度曲线，考虑运行过速以及欠速等情况。 ( 3 ) 监视功能：主要包括速度测量以及列车定位功能，迸站检测功能， 全列车状态检测与显示功能，故障诊断功能等。 2 1 2 移动闭塞技术以及c b t c 系统 1 移动闭塞 列车自动防护系统( a t p ) 由地面设备和车载设备组成，运行方式分为 固定闭塞( f i x e d b l o c k ，f b ) 和移动闭塞( m o v i n gb l o c k ，m b ) 两种方式。 其中，重点讨论移动闭塞技术。 随着近年来通信技术与信息技术的大力发展，基于通信的列车控制系统 c b t c 从理论走向了实践，为实现移动闭塞技术提供了技术保障。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 移动闭塞a t c 系统具有以下一些技术特点： ( 1 ) 线路不划分为若干固定的闭塞分区。 ( 2 ) 列车间隔为后行列车在当前速度下所需要的制动距离再加上预计 的保护距离，而且列车间隔是动态的，并随前行列车的移动而移动，列车制 动的起点与终点也是动态的。 ( 3 ) 采用连续曲线速度控制方式，只需要一定长度的保护距离( 距离 前方列车的尾部) 。 ( 4 ) 一般基于通信( 交叉感应环线电缆，无线，裂缝波导管，电力传 输线等) 技术来传输车地双向信息的，信息量较大，抗干扰能力较强。 ( 5 ) 列车控制精度较高，列车运行舒适度较好，降低了司机劳动强度， 提高了系统智能化程度。 ( 6 ) 站间闭塞需要增加独立的设备才能够实现。 ( 7 ) 最大限度的缩短了行车间隔( 比准移动闭塞降低了5 6 s ) ，轨旁 设备数量与行车间隔关系不大。 2 c b t c 技术 移动闭塞是基于通信的列车控制( c b t c ) ，其中，c b t c 是一种采用先 进的通信，计算机技术，连续控制，监测列车运行的移动闭塞方式。它摆脱 用轨道电路判别对闭塞分区占用与否，突破了固定闭塞的局限性。 c b t c 实现列车与轨旁设备的实时双向通信并且信息量大，改变了以往 列车运行时信息只能由轨旁设备向车上传递，而信息量少的缺点。 此外，c b t c 能大大减少轨旁设备，安装维修方便。在进一步完善其降 级使用模式后，有利于降低运营成本；c b t c 便于短编组，高密度运行，可 缩短站台长度和端站尾轨长度，提高服务质量，降低土建工程投资。 总之，c b t c 确立“信号通过通信”的新理念，使列车与地面( 轨旁) 紧 密结合，整体处理，改变以往车地相互隔离，以车为主的状态。这意味着只 要车一地通信采用统一标准协议后，就易于实现不同线路间不同类型列车的联 通联运【2 3 1 。 3 移动闭塞系统结构设计 根据实现方式的不同，移动闭塞系统的具体结构有多种，但从基本组成 上来说，应用于中低速磁浮列车的移动闭塞的a t c 系统分为三个层次：管理 层、操作层和执行层。 移动闭塞的最大特点是可以不设置轨道电路，因此比较适合用于中低速 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 磁浮列车。移动闭塞技术是基于通信的列车控制系统( c b t c ) ，其通信传输 分为感应环线方式和无线传输方式。磁浮列车c b t c 根据功能_ 二般也分为上 述的三部分，参考了阿尔卡特公司的移动闭塞系统s e l t r a c $ 4 0 的中低速磁浮 列车的c b t c 由系统管理中心( s m c ) ，车辆控制中心( v c c ) 和车站控制 器( s t c ) 以及轨旁设备组成。这几部分之间的通信主要是以光纤，无线传 输，双绞线电缆等为物理介质，通过无线局域网，以太网，串行总线等方式 进行数据交换，实现了数据交换的实时性，提高了行车效率【2 5 1 。 举例阿尔卡特的s e i t r a c $ 4 0 移动闭塞系统结构图如图2 1 所示。 图2 1 阿尔卡特的s e i t r a c $ 4 0 移动闭塞系统 由于移动闭塞技术是基于通信的，通信技术成为了提高系统工作效率的 关键问题。随着开放的无线频率( r f ) 通信技术的发展，针对应用于运行速 度超出1 2 0 公里，j 、时的列车的i e e e8 0 2 1 l 跳频扩频( f h s s ) 标准，无论是 应用在基于通信的列车控制( c b t c ) 还是闭路电视( c c t v ) 中，i e e e8 0 2 1 1 都是首选，因为它是唯一能够在支持移动的同时又防止过时的标准。 实际应用中选择使用f h s s 而不是d s s s ，因为它是使用跳频技术，几乎 不受噪音、反射、无线电站或其它环境因素的影响。但是在本项目的实验室 系统中，采用d s s s 方式的无线网卡进行试验。这是因为f h s s 方式无线网 卡不易贿买，并且考虑到实验室中的干扰环境不向现场那样严重，因而选用 通讯速率更高，但抗干扰能力较差的d s s s 方式的无线网卡。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 f h s s 技术使用扩展编码来不断的改变载波的额定频率( 所谓频率跳动即 指载波频率每秒钟改变的次数) ，而d s s s 利用伪随机码( p n 码) 将数据信 号扩展到一个很宽的频带上，并且在收发端均用相同的伪随机码对扩频信号 进行处理【2 6 j 。 c b t c 采用无线通信技术有诸多益处，包括： ( 1 ) 完整的通道链路冗余，一般在其它系统中无法找到。 ( 2 ) 为其它服务提供高数据通信量。 ( 3 ) 易于升级，便于直接扩展。 ( 4 ) 简化故障检测程序。 2 2 基于c b t c 的中低速磁浮列车a t c 系统设计 2 2 1 系统设计方案分析 参照了阿尔卡特的s e i t r a c $ 4 0 移动闭塞系统结构，并且针对实验室的要 求设计了相应的通信方式。主要是以太网局域网，无线局域网，光纤局域网 等作为通信手段。 中低速磁浮列车的基于通信的a t c 系统( 不算车载设备) 的简化的框图 以及传输方式如图2 - 2 。 邻列车控制中 v c c 系统管理中心 s m c 列车控制中心、l 邻列车控制中 v c c 料v c c l e e e 9 0 2 1 鞭震g i s a s应眷嚣l l _ j 。 图2 - 2 移动闭塞运控系统结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 其中，相邻的列车车辆控制中心之间，以及列车车辆控制系统同系统管理 中心的通讯方式，可以根据设备、网络的情况选用合适的通讯方式，如租用 的同步数字序列( s d h ) 中的保密通信线路，并通过特殊的安全网关( s g ) 使用广域网( w a n ) 链接。这些技术都可以通过现代通信技术以及保密技术 完成，而在试验室环境中使用局域网进行模拟。车站控制器系统( s c s ) 为信 号灯和道岔设备等现场设备与列车管理中心v c c 之间的接口。在实验室中， 车站控制器s c s 与上层的列车管理中心v c c 之间是通过串口通讯连接来进行 联络的，实际中可以采用光纤或者无线传输等抗干扰能力强的通讯方式来实 现【2 甜。 下面分别介绍中低速磁浮列车的c b t c 的系统管理中心，列车控制中心， 以及车载控制器系统。车站控制系统将在下一章详细介绍。 2 2 2 系统各部分模块功能及其实现 l 系统管理中心( s m c ) 系统管理中心s m c ( s y s t e mm a n a g e m e n tc e n t e r ) 位于管理层，其任务就 是统一指挥整个全段内的列车运行。s m c 通过先进的计算机和网络技术监督 着整条线路的操作状况，实现a t s 的功能及其它中央调度功能。核心业务主 要包括进路控制，列车跟踪与显示，运行图管理，运行调整，设备管理和旅 客信息管理等方面。大致的系统功能结构如图2 3 。 图2 - 3s m c 系统结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 s m c 的监控对象主要是列车和信号设备。由于列车的位置、信号灯的显 示、道岔位置等数据随时都在变化，因而s m c 系统需要具有很高的实时数据 采集和处理能力。尽管s m c 系统无须对列车的安全运行直接负责，但其可靠 性对于整个交通系统的安全以及提高铁路运营效率却是至关重要的，因此 s m c 系统需要使用高可靠性的硬件和软件，并采取2 取2 冗余表决的手段保 证系统的可靠性。在管理中心，两套a t s 系统计算机同时工作，处于主从工 作状态。当其中的一个系统工作时，另一个热备系统也在实时地与主机进行数 据交换，不断更新其系统数据，随时准备在故障发生时接替当前系统的工作。 当故障发生时，系统在实现主机切换的同时，必须在很短时间内完成对轨旁设 备状态信息的扫描，以保证获取系统的最新状态数据，及时地接手工作。 在实验室的试验系统中两台冗余的服务器工作站，硬件使用相同的配置， 相同功能的软件程序设计，可以互为冗余使用；并且使用冗余的通信接口保 证通信信道接收数据的可靠性；冗余的双以太网卡，保证网络连接的可靠性； 采用基于u n i x 或w i n d o w s n t 的操作系统。 为了控制中心的行车调度员方便进行信息管理，a t s 信息、电视监控信 息、时钟信息以及大屏幕监视系统是综合在一起的。这样一来整个系统管理 中心高度集中了所有需要监控的信息。 中低速磁浮列车的a t c 系统的实验室试验中，采用的是由惠普公司开发 的两台互为冗余的服务器工作站组成一个2 取2 表决系统。系统管理中心s m c 与下层的车辆控制中心v c c 之间通过光纤局域网进行通信，而与列车车载控 制器通过无线局域网进行通信，及时地获取列车的状态数据。 2 车辆控制中心( v c c ) 车辆控制中心v c c ( v e h i c l ec o n t r o lc e n t e r ) 位于系统操作层，它根据系统 管理中心的命令，按移动闭塞原理对列车运行间隔进行控制，并且按照系统 管理中心的指令进行联锁逻辑设计，和车站控制器相配合，控制联锁设备为 列车的进出站建立相应的接发车进路。总之，车辆控制中心v c c 是实现a t p ， a t o 以及区域计算机联锁的关键部分。v c c 和s m c 之间通过现代通信传输 系统( 如s d h ，o t n 等) 进行大数据量的双向信息传输。 列车控制中心v c c 处于整个c b t c 系统中承上启下的关键地位。一般采 用三取二的冗余表决系统，它与设在联锁站的车站控制器综合在一起构成了 联锁功能集中，执行单元分散设置的车站计算机联锁控制系统，实施全部的 联锁功能。同时，它通过通信环线与控制区段内的列车车载控制器进行通信， 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 安全地得知每一列车的当前位置，速度，运行方向等信息，计算出列车运行 权限。v c c 负责控制安全的列车运行间隔以及发送相关的迸路操作指令，它 的安全冗余计算机周期性地通过通信子系统与车载控制器进行列车运行状态 数据的交换，并且与车站控制器s c s 进行现场设备的信息数据的交换，通知 现场设备建立相应的进路，实现联锁。 v c c 根据车载控制器发来的列车的当前位置、速度信息，结合列车运行 前方的线路参数、进路占用情况、道岔状态及站台停靠情况来决定出列车当 前的最大允许速度和安全停车点，并将允许速度值及安全停车点信息反馈给 该v c c 控制区域内的各个列车车载控制器。v c c 与控制区段内的列车通信 时，一般一秒钟进行两次通信，若列车失去通信超过一定的时间，则列车被 制动停车。另一方面，v c c 根据上层系统管理中心发送出来的列车的运行信 息进行联锁设计，确定相应的联锁指令。 对于车辆运行的安全控制和轨道设备的联锁，全线可以被划分为多个区 域，每个区域由一套车辆控制计算机( v c c ) 来进行控制，每套v c c 由三台 工业计算机组成，被设计用来连续地监控列车运行的位置，控制列车运行和 操作轨旁设备。每套v c c 的三台计算机系统通过使用三取二表决系统对其一 致性进行检测。v c c 通过无线通讯获取车载速度位置单元测量的车辆运行速 度，位置信息。车载速度和位置信息由车载的4 个独立的测量单元进行检查， 以提高系统的安全性，所有的位置、速度数据都通过安装在车头和车尾的无 线通讯设备同地面进行实时数据通讯。 每台v c c 计算机包含的代码几乎一样，用以执行其管辖区域内的列车控 制和追踪的标准功能，并且实现联锁功能。然而，该系统是根据其“线路” 状态来进行区域配置的。如车站和道岔的位置、环线位置和轨道坡度、以及 其它诸如最大线路速度、冲突防护区域位置、道岔状况、控制安全距离和常 用制动率等方面的安全数据。通过参照线路数据、车辆位置、速度和状态及 轨道装备状况，v c c 系统对其所辖区域的列车运行，进路设置等进行管理。 中低速磁浮列车的a t c 系统的实验室试验中，车辆控制中心v c c 系统采 用三台相同的惠普的服务器工作站，它们构成了三取二冗余表决系统，并且 运行相同功能的软件系统，是具有高安全性的控制系统。车辆控制中心v c c 与系统管理中心s m c 之间通过以光缆为物理介质的局域网进行通信。而与车 站控制器系统( s c s ) 之问采用2 3 2 串行通信。大致示意图如图2 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 图2 - 4 列车控制中心结构图 如果情况允许，v c c 通过将列车目标点前移的方式控制列车前进。v c c 会发送关于目标点位置变动的报文给车载控制器以及系统管理中心。确切来 说该目标点是一个环线位置的号码，以允许相关列车朝着目标点前进。目标 点不得超出保护障碍物的安全距离。安全距离被定义为在发现超速时，以紧 急制动率将正在以线路速度行驶的车辆停止下来所需要的距离，减去由于坡 度影响的正常制动的停车距离。在该计算中隐含了能够适应最不利的故障模 式的距离裕量。其它所有可能影响车辆性能的可变参量均由v c c 定义，并按 类似的方式发送。 3 车载控制器( v o b c ) 车载控制器v o b c ( v e h i c l eo n b o