（电力系统及其自动化专业论文）磁悬浮列车车载监控网络技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a g l e vr a i l w a yt r a f f i ci st h er e p r e s e n t a t i v ea p p l i c a t i o no ft h em a g l e v t e c h n o l o g ya n dg a i n st h ea t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d ，t h em a g l e vr a i l w a yt r a f f i cg e t s r i do ft h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a lr a i l w a yt r a f f i ca n dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a sh i g hs p e e d ，l e s se n e r g yc 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 d q 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 ，n of u e la n dl o wp o l l u t i o n ，l e s sm a i n t e n a n c ea n ds oo n t h ev e h i c u l a rc o n t r o la n dd i a g n o s es y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h em a g l e v t r a i n ，w h i c hi m p l e m e n t st h ef u n c t i o nm o d u l e ss u c ha so n l i n es u p e r v i s i n g ，f a u l t d i a g n o s i n g ，c e n t r a l i z ec o n t r o lo nt h ea s s e m b l ya n d t h ee q u i p m e n t s t h i st h e s i sc a m e f r o mt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t “t h et e c h n o l o g yo fh i g hs p e e dm a g l e vt r a i n ”，w h i c h a i m e da tt h e t h el o c a l i z a t i o no ft h em a g l e vr a i l w a yt e c h n o l o g y t h i st h e s i sp u tf o r w a r dt h es c h e m eo ft h ev e h i c u l a rc o n t r o la n dd i a g n o s es y s t e m o ft h em a g l e vt r a i no nt h eb a s i so ft h ew i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i o np l a t f o r m ， s t u d yo nt h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ， c a nb u sp r o t o c o la n dp r o g r a m m ed e s i g n ，t h ec o n t r o la n dd i a g n o s ef u n c t i o nm o d u l e o fv e h i c u l a rs t o r a g eb a t t e r yo nt h em a g l e vi sa l s oa n a l y s e d t h ev e h i c u l a rc o n t r o la n d d i a g n o s es o f t w a r eb a s e do nv i s u a lb a s i c n e th a sb e e nt e s ta n da s s e m b l e dw i t ht h e e n g i n e e r si nz h u z h o ue l e c t r i c a ll o c o m o t i v ea c a d e m ea n ds h a n g h a im a g l e v d e v e l o p m e n tc o o nt h em a g l e vt r a i nf o r h a l fp a s to n ey e a ro nt h es h a n g h a i d e m o n s t r a t el i n e e x a m sa n df i e l d w o r ks h o wt h a tt h es o f t a w a r eo fv e h i c u l a rc o n t r o l a n dd i a g n o s es y s t e mf u l l ym e e tt h en e e do ft h el o c a l i z a t i o no ft h em a g l e vr a i l w a y t e c h n o l o g y o fn a t i o n a l8 6 3p r o j e c t “t h et e c h n o l o g yo fh i g hs p e e dm a g l e vt r a i n ”，t h e e x a m i n ef o r t h ev e h i c u l a rc o n t r o la n dd i a g n o s es y s t e mi sa l s of i n i s h e da n d a p p r e c i a t e db yt h en a t i o n a lm i n i s t r yo fr a i l w a y sa n dn a t i o n a lm i n i s t r yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：v e h i c u l a rc o n t r o la n dd i a g n o s i ss y s t e m ，m a g l e vt r a i n ，e m b e d d e ds y s t e m i 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。 壬尸加吨，圳田年 撑1j 绦 列 签者作文沦位学 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_ ! j i t i t r 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。 学雠文作者繇刚妒 沙c 7 年乙月 第1 章引言 1 1 磁悬浮列车发展概况 第1 章引言 磁悬浮列车从机理上可以分为电磁悬浮( e m s ：e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n ) 和电动悬浮( e d s ：e l e c t r o d y n a m i cs u s p e n s i o n ) 两大类【l 】【引。所谓电磁悬浮就是 对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电磁场，电磁铁与轨道 上的铁磁性构件( 钢质导轨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，电磁铁与铁磁轨道之间的悬浮问隙( 称为气隙) ，一般约 为8 1 0 m m 。列车通过直线电机来牵引行走，通过控制悬浮电磁铁的励磁电流 来保证稳定的悬浮气隙。电动悬浮就是当列车运动时，车载磁体( 一般为低温 超导线圈) 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上的一定高度( 一般为1 0 0 , 、- 1 5 0 m m ) 。列车运行靠直线电机来牵引。与电磁悬浮式相比，电动悬浮式系统在 静止时不能悬浮，必须达到一定速度( 约为1 5 0 k m h ) 后才能起浮。电动悬浮 式系统在应用速度下，悬浮气隙较大，不需要对气隙进行主动控制。 目前达到或接近应用水平的磁悬浮式交通系统主要集中在德国和同本。 德国磁悬浮式交通系统的发展始于1 9 6 9 年关于“高运力快速铁路系统”的 研究。德国联邦交通部、联邦铁路和德国工业界参与了这一研究项目，目的在 于探讨德国发展高速交通系统的经济和技术的可能性。所研究的高速交通系统 涉及到传统的轮轨系统高速铁路技术和全新的磁悬浮铁路技术【6 】。为了建造第 一条试验线路，德国工业界组成了磁悬浮铁路t r a n s r a p i d 联合体，在德国西北 部的e m s l a n d 地区建设了t r a n s r a p i d 试验线( 即t v e ) 。第一期工程包括2 1 5 k m 长的试验线路、试验中心和试验列车t r a n s r a p i d 0 6 。1 9 8 3 年6 月3 0 日，试验线 的第一段币式投入使用。1 9 8 5 年初，磁悬浮铁路试验和规划委员会( m v p ) 作 为试验设施的所有者与经营者接管了试验设施。考虑到将来的实际应用， t r a n s r a p i d 系统若要以4 0 0 k m h 以上的速度、按实际运营要求连续运行，前提 条件是形成一条闭合的环形试验线。因此德国联邦研究与技术部于1 9 8 4 年决定 在t v e 扩建南环线试验线路的第二路段，并于1 9 8 7 年竣工。至此，t v e 第1 章引言 的试验线总长达到31 5 k m 。同年，t r 0 6 磁悬浮列车在试验线上达到4 0 6 k m h 的速度；1 9 8 8 年，试验速度提高到4 1 2 6 k m h 。 从1 9 8 6 年丌始，德国开发面向应用的t r 0 7 磁悬浮列车，1 9 8 9 年投入试验 线运行。1 9 9 3 年，t r 0 7 在载人试验运行中达到了4 5 0 k m h 的速度。由于线路 长度的限制，磁悬浮列车不允许再往上加速。 在t r a n s r a p i d 磁悬浮高速铁路开发过程中，德国联邦铁路和7 所著名大学 的专家组成工作组，由联邦铁路中心局牵头，对t r a n s r a p i d 系统进行了独立、 全面的评价和鉴定。1 9 9 1 年得出该系统在技术应用上已成熟的结论。 同本于1 9 6 2 年开始磁悬浮铁路的研究。1 9 7 7 年在南部九州建成了7 k m 超 导磁悬浮列车试验线，即宫崎试验线【2 6 1 。该线为单线，没有坡道和隧道，不能 完全满足应用试验要求，1 9 9 2 年在山梨县境内开始建设山梨试验线。1 9 9 7 年4 月，开始在新建成的1 8 4 k m 试验线上进行试验运行。山梨线为双线，分别称 为南线和北线。线路的8 7 在隧道内，变电站和控制中心设在露天线路旁。在 1 9 9 7 年1 2 月的不载人试验运行中，最高试验速度达到5 5 0 k m h ，创下地面交 通速度的最高世界纪录。1 9 9 9 年4 月1 4 日，载人试验速度达到了5 5 2 k m h ， 再次刷新地面交通工具的最高试验速度纪录i _ ，j 。 从6 0 年代开始，同本、德国、英国、前苏联、韩国和中国等国都先后投入 力量研究中低速磁悬浮列车。 我国的西南交通大学从一九八六年开始研究磁浮技术，并于一九九四年十 月研制成功我国第一台4 吨长定子双转向架载人磁浮车及4 3 米钢结构实验线。 从1 9 9 6 年开始，西南交通大学大与长春客车厂和株洲电力机车研究所联合丌发 研制常导吸附式磁浮客车，采用电磁吸力将车辆浮起，与轨道间距始终保持在 8 至1 0 毫米之间，采用直线电机驱动，推进速度取决于直线电机的牵引力，运 营时速6 0 公里，最高试验时速可达1 0 0 公里。客车体长1 1 2 米，宽2 6 米，内 设2 8 个座位，载重2 吨。车体采用铝合金板梁焊接车体，重量轻，自重仅1 6 吨，由于没有轮轨与车辆之间的机械摩擦阻力，车辆运行时具有平稳舒适、低 噪音、无污染等优点。1 9 9 8 年1 2 月西南交通大学又与长春客车厂、株洲电力 机车研究所和青城磁浮列车工程有限公司签署了技术合作协议，共同研制丌发 我国第一条磁浮列车工程示范线，并于1 9 9 9 年1 2 月3 0 同完成设计任务【2 8 1 。 2 第1 章引言 1 2 车载监控网络技术简介 磁浮列车是一种新型的交通工具，依靠电磁力悬浮于轨道上方，借助直线 电机的推动可以达到5 0 0 k m h 的速度。列车的测控系统在安全和可靠性方面比 普通列车有更高的要求。目前，德国和日本在磁浮列车车载检测、控制系统的 研究方面处于领先地位。 日本的山梨( y a m a n a s h i ) 实验线采用的列车运行控制系统( t r a i no p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e m ) 分三个子系统：交通控制系统( t r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ) 、行车 控制系统( d r i v ec o n t r o ls y s t e m ) 、安全控制系统( s a f e t yc o n t r o ls y s t e m ) 。安装 在中心控制室t c s 系统所完成的功能为：行车调度、行车编组和行车监控。d c s 系统安装在各配电站上完成速度控制、同步控制和区间开关控制。s c s 系统是 一个完全独立的系统，它监控着所有列车运行操作。这套系统的可靠性十分严 格，使用的计算机是经过特殊设计的由双c p u 冗余操作的容错计算机。其安全 控制主要在：速度安全控制、列车运行监控、闭塞区间控制和车站安全控制。 德国在他们的磁浮交通系统t r a n s r a p i d 上也使用了一套完善的列车运行控 制系统。这套系统是基于安全相关和安全无关部件在功能上及物理结构上完全 独立这一概念而建立的，如图1 3 所示。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( o n b o a r dc o n t r o ls y s t e m ) 来实 现，并要求达到最高安全级别。对于与安全无关的功能，可使用在线诊断系统 检测车辆上有故障的设备和元件，并把诊断结果送至维护中心。 图1 1 安全相关和安全无关部件分离 第1 章引言 从车载控制系统( o n b o a r dc o n t r o ls y s t e m ) 的角度，这种严格划分的优点 为： ( 1 ) 可以从硬件上进一步优化安全相关的这部分功能，使它更适合磁浮车 的特殊要求。 ( 2 ) 安全相关的产品造价最小化。 从在线故障诊断的角度，优点为借助现有的工业标准功能模块，只需编制 相应的软件即可实现。 车载控制系统用于实现与车辆安全相关的控制和检测功能，包括以下几个 方面：悬浮和导向系统、紧急制动系统、车载门控系统、防火系统。 列车运行命令由运行控制单元产生，命令达到列车两端车体时，车载控制 系统将其准确地转发给列车的各个车体，在那早命令被分配给相应设备执行。 火灾检测、紧急事故呼口l 单元等设备产生列车有关运行状况的信号，信号由车 载控制系统在每节车体进行处理。车载控制系统随后产生有关整列车安全状态 的信号，并把该信号发送给两端车体操作控制系统中的控制和安全设备。为确 保车载控制系统具有保障生命安全的重要、基本功能( 例如安全悬浮与安全制 动功能) ，系统必须能够高效无误地处理信号。车载控制系统的硬件( 包括所有 信号的通路) 都在各个车体上作了冗余设计。输入、输出信号线与信号处理器 间进行了电气隔离。与列车其它设备问的通信一样，车载控制系统与运行控制 系统间的通信是靠相互独立信号的并行传输来实现的。系统所有功能在机械、 时间相关方面都是进行独立处理的，这有效地消除了彼此间的干扰。 诊断系统被分成多个子系统，每个子系统都配有一台工控机，在工控机上 运行各自诊断软件来进行故障检测和故障报告。各子诊断系统与被诊断设备靠 c a n 总线连接起来，同时各子诊断系统之间以标准以太网相联系，并且通过以 太网向列车两端的中央诊断计算机发送故障报告，由于显示和键盘计算机也挂 在同一以太网上，所以各节车体间传输的诊断数据、在驾驶室显示的数据和操 作员进行的操作都储存在列车中央诊断计算机上，以备进行事故分析。 磁悬浮列车上的电子电气部件工作状态是否f 常、磁悬浮车辆的各个子系 统是否工作在j 下常模式下，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 4 第1 章引言 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 系统柬实现，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 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 3 本文课题背景与主要内容 本课题来源于国家8 6 3 高速磁浮重大专项，主要针对磁恳浮列车车载监控 系统相关技术进行深入的研究，本课题的主要研究内容包括如下几个方面： ( 1 ) 分析研究高速磁悬浮列车车载监控网络体系的网络结构、通信接口、 性能要求、数据流向、网络协议等内容，明确监控网络的理论知识和软硬件设 计要求。 ( 2 ) 以车载监控网络中的以太网通信模块以及c a n 总线通信模块为重点， 着重分析嵌入式系统下的通信机制、网络协议、数据帧结构、地址标识符等内 容。 ( 3 ) 采用v b n e t 作为开发语言，实现基于w i n d o w sc e 嵌入式系统下的 车载监控网络技术的研发，设计车辆诊断计算机、列车诊断计算机、列车操作 计算机等相关软件，并实现人机交互、显示模块、键盘通信、数据处理、缓冲 过滤等相应的性能要求。 本课题研究中需要解决的关键技术和问题如下： ( 1 ) 基于嵌入式系统的以太网通信平台的实现：w i n c e 嵌入式系统支持 以太网协议，与台式机的通讯协议兼容，但是在网络通信的编程处理中存在较 大差异。根据磁悬浮列车车载监控系统的设计要求，列车诊断计算机、车辆诊 断计算机、列车操作计算机三者之间的以太网通信具有冗余功能，从而对软件 第1 章引言 通信模块的设计提出了更高的要求。 ( 2 ) c a n 总线的通信原理的研究：车辆级诊断网络基于c a n 总线实现， 本课题针对于c a n 总线的硬件设计、通信原理、仲裁机制、信息帧结构、数据 流向等方面进行深入的分析和研究。 ( 3 ) 基于嵌入式系统的软件设计与实现：列车司机室有两个计算机：列车 诊断计算机和列车操作计算机。诊断计算机实时处理诊断信息，具有窗体调用、 信息过滤、分类赋值等多种功能，能够针对上千个部件的信号进行在线处理； 列车操作计算机主要通过订y 总线与车载安全计算机进行通信，三者之问的通 信结构较为复杂。 ( 4 ) 本课题还涉及到基于嵌入式下的双缓冲绘图技术、动态窗体的创建与 释放、滤镜的设计与实现、面向对象的封装机制、线程与同步通信技术的使用 等多种编程技巧。 除此之外，本课题还将指出针对磁悬浮列车蓄电池模块充放电特性进行研 究的必要性，设计蓄电池模块的监控界面，并尝试从人工神经网络的角度出发， 对磁悬浮列车使用的碱性蓄电池充放电特性进行一定深度的研究。 6 第2 章下载监控系统设计方案 第2 章车载监控系统设计方案 2 1 车载监控系统概述 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，其中车载诊断 系统主要包括列车诊断计算机f d r ，列车控制计算机f p r 、车辆诊断计算机 s d r 、c a n 总线等接口电路；车载控制系统主要由和车载控制单元b s t 以及 车辆分配控制器v r b s t 和相关接口电路组成。 车载监控系统的设计方案，应充分参考上海磁悬浮线上德国原有车载监控 网络所提供的技术资料和考虑上今后系统的扩展性和兼容性，实现车载监控网 络集成的设计原则至少应包括： ( 1 ) 该方案的总体设计原则能够充分满足国家8 6 3 高速磁浮交通技术重大 专项中自主研制磁浮车的车载监控网络的要求，能够充分克服德方对车载监控 网络技术封锁的影响，保证在研制开发出的车载监控网络能够安全、可靠和有 效率地工作。 ( 2 ) 应该是一个低风险的方案，该方案的基础系统是一个应用于城轨铁路 公司、电力远动和环境控制系统工程的成熟的系统，它包含了用于铁路集成控 制和通信系统的成功运行经验。 ( 3 ) 系统应包含内置的、面向系统的网络管理功能，能够更好和更快地监 控车载电子电气部件设备的故障，改进车辆的可维护性。 ( 4 ) 应为将来的扩展和升级提供了平台。 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 7 第2 章车载监控系统设计方案 制系统的主要功能有两个：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 车载诊断系统设计方案 2 2 1 车载诊断系统的总体设计 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i o m 的标准工业以太网) 以及底层的被诊断功能部件 组成。 车载诊断系统的结构框图如下所示： 第2 章车载监控系统设计方案 图2 1 车载诊断系统网络结构 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渗断计算机。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t t 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 在线诊断功能 车辆电气和电子部件的在线诊断功能 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念改变时生成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l 、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 9 第2 章车载监控系统设计方案 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 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。 诊断信息的时问标记 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 时问同步。 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l 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1 3 l t 的运行数据，直观地显示在列车操作 计算机显示器上。 直观显示出一定时间内的诊断信息，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。 l o 第2 章车载监控系统设计方案 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 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j 下确性，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一列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 控制供气装置 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 车载诊断系统的信号分析 第2 章车载监控系统设计方案 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、 车辆诊断计算机之间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f 常、来自 于车载运行控制系统的故障、强制停车( 手动b l d b l f 服务站) 、车载运行控 制系统工作正常、车内照明、制动j 下常、制动激活、时间日期、列车号码等。 ( 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、空调挡板丌关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、照 明开关、前窗玻璃加热丌关等控制信息。 ( 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、空调挡板丌关、空调实际温度、车头红灯白灯开关、照 明丌关、前窗玻璃加热丌关等状态信息。 ( 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、上下车门丌关、照明开关、乘务员呼叫激 活、车头红灯与白灯激活、前窗玻璃加热形关、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 空调丌关待机、空调挡板开关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、照 第2 章车载监控系统设计方案 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、 照明开关、前窗玻璃加热开关等控制信息。 车载诊断系统系统的设计参数如表2 1 所示： 表2 1 车载诊断系统设计参数表 诊断信号的扫描频率 1 个运行同， 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 、一 础 脚 锄】 梃 0 3 9 4 80 6 4 1 50 1 2 8 30 0 1 7 50 8 0 9 6 1 3 1 6 3 图5 3g n z 系列0 2 c 倍率充电特性曲线 充电曲线模拟的部分误差记录如下所示： t r a i n b p ：13 4 0 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = 0 0 0 10 4 3 6 5 t r a i n b p ：1 3 4 1 2 0 0 0 0e p o c h s ，s s e = 0 0 0 1 0 4 1 6 4 5 8 第5 章磁恳浮列车蓄电池充放电监控技术研究 t r a i n b p ：1 3 4 2 2 0 0 0 0e p o c h s ，s s e = o 0 0 1 0 3 9 6 3 t r a i n b p ：1 3 4 3 2 0 0 0 0e p o c h s ，s s e = 0 0 0 1 0 3 7 6 2 t r a i n b p ：1 3 4 4 2 0 0 0 0e p o c h s ，s s e = 0 0 0 1 0 3 5 6 3 t r a i n b p ：1 3 4 5 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = o 0 0 1 0 3 3 6 4 t r a i n b p ：13 4 6 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = o 0 010 316 5 t r a i n b p ：13 4 7 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = o 0 010 2 9 6 7 t r a i n b p ：1 3 4 8 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = 0 0 0 1 0 2 7 7 t r a i n b p ：1 3 4 9 2 0 0 0 0e p o c h s ，s s e = 0 0 0 1 0 2 5 7 4 t r a i n b p ：1 3 5 0 2 0 0 0 0e p o c h s ，s s e = 0 0 0 10 2 3 7 8 t r a i n b p ：1 3 5 1 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = o 0 0 1 0 2 1 8 3 t r a i n b p ：1 3 5 2 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = 0 0 0 1 0 1 9 8 8 t r a i n b p ：1 3 5 3 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = 0 0 0 1 0 1 7 9 4 t r a i n b p ：1 3 5 4 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = 0 。0 0 1 0 1 6 0 1 t r a i n b p ：1 3 5 5 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = 0 0 0 1 0 1 4 0 8 t r a i n b p ：1 3 5 6 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = o 0 0 1 0 1 2 1 6 t r a i n b p ：1 3 5 7 2 0 0 0 0e p o c h s ，s s e = 0 0 0 1 0 1 0 2 5 t r a i n b p ：13 5 8 2 0 0 0 0e p o c h s 。s s e = o 0 0 10 0 8 3 4 t r a i n b p ：1 3 5 9 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = o 0 0 1 0 0 6 4 4 t r a i n b p ：1 3 6 0 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = 0 0 0 1 0 0 4 5 4 t r a i n b p ：1 3 6 1 2 0 0 0 0e p o c h s ，s s e = 0 0 0 1 0 0 2 6 5 t r a i n b p ：1 3 6 2 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = o 0 0 10 0 0 7 6 t r a i n b p ：1 3 6 3 2 0 0 0 0e p o c h s s s e = 0 0 0 0 9 9 8 8 8 6 5 9 第5 章磁悬浮列车蓄电池充放电监控技术研究 误差曲线如图所示： e p o c h 图5 4g n z 系列碱性蓄电池0 2 c 倍率充电误筹分析 g n z 系列碱性蓄电池以0 2 c 倍率充电的特性曲线如下所示： v 1 g n 系列 多多多 ：多一 吒2系列 。 ， 图5 。5g n z 系列碱性蓄电池0 2 c 倍率充电曲线 _joj1山奄j仍3j3乏3 第5 章磁悬浮列车蓄电池充放电监控技术研究 通过真实充电曲线的验证，可以得出由人工神经网络建立的数学模型具有 很好的实用性和准确性。 针对g n z 系列碱性蓄电池以0 2 c 倍率进行放电特性如下表所示： 表5 2g n z 系列0 2 c 放电电流特性 放电时间 o0 2 50 5o 7 5l1 2 51 51 7 522 2 52 52 7 5 ( h ) 放电电流1 41 3 7 51 3 31 31 2 81 2 71 2 61 2 51 2 41 2 31 2 2 81 2 2 5 ( a ) 放电时间33 2 53 5 3 7 544 2 54 54 7 555 2 55 5 ( h ) 放电电流 1 2 21 2 1 51 2 l1 2 0 51 21 1 91 1 81 1 7 71 1 7 51 1 51 0 2 5 ( a ) 构建具有5 个神经元的二层b p 网络，得到的放电模型为： w l = 一0 6 8 6 50 18 3 00 3 4 4 90 4 0 4 20 17 3 9 b l = 0 0 0 0 10 4 1 9 70 2 2 1l0 6 0 9 50 6 8 7 4 w 2 = 0 6 6 1 2 0 2 1 6 9 0 3 5 9 2 1 0 3 0 20 3 6 1 5 b 2 = 0 6 1 8 2 放电曲线如下图所示： 6 l 第5 章磁悬浮列车蓄电池充放电监控技术研究 g n z 系列0 2 c 放电曲线 图5 6g n z 系列0 2 c 放电电流曲线 经过b p 网络训练后的放电模型误差曲线为： 6 2 一v鳝曾脚辎 第5 章磁悬浮列车蓄电池充放电监控技术研究 图5 7g n z 系列0 2 c 放电误著曲线 g n z 系列碱性蓄电池以0 2 c 倍率进行放电的特性曲线如下所示： l 队 l ? 、一 。 。、 l l 1、 l ，f 、，a0 s c l a 0 3 c l a0 2 c a ll n09n冀f 4 f 1 s r i“1 i 一 图5 8g n z 系列o 2 c 放电特性曲线 通过真实放电曲线验证，可以得出建立在人工神经网络基础上的碱性蓄电 6 3 ioii姒口il宝3嚣。匕3 电压v “ o o ，j t王，i 1 l ，i u 第5 章磁悬浮列车蓄电池充放电监控技术研究 池放电模型具有较好的实用性和准确性。 5 3 4 小结 通过以上试验可知，神经网络是一种通用的建模方法，利用神经网络建立 蓄电池的数学模型是较为先进的研究方法，如果有足够的实验数据，在相当大 的运行条件下可内插甚至外插电池性能，该方法对于其他蓄电池，如镍氢、锂、 镍镉等蓄电池都适用，也不限制所建模的参数数量，具有很强的实用性【2 1 1 。 今后应当进行的下一步工作是，利用磁悬浮列车车载电网的监控界面，获 取详尽的实验数据，对磁悬浮列车车载蓄电池的发热、温升特性进行更好的模 拟，提高温度检测与预警的准确度。 第6 章车载监控系统的现场调试 第6 章车载监控系统的现场调试 6 1 车载监控系统硬件调试 磁悬浮列车车载监控系统过得调试在位于同济大学嘉定校区的上海磁浮 中心完成，调试将对软件与硬件接口进行功能性验证，对软件的功能实现和 数据传输的准确性实时性进行检测；对软件系统界面进行落实；并将对整个 车载网络控制诊断系统进行整体联合调试，通过此次调试系