高速磁浮列車車載控制單元技術(shù)分析

鮑野

【摘 要】高速磁浮列車車載控制單元是高速磁浮列車系統(tǒng)的重要組成部分，是車輛系統(tǒng)中與磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)交換信息的樞紐，直接決定了車輛基本功能能否實(shí)現(xiàn)。車載控制單元的功能是配合車載安全計(jì)算機(jī)完成列車的懸浮、導(dǎo)向、制動(dòng)、供電和車門的開啟關(guān)閉等控制任務(wù)。車載控制單元接收車載安全計(jì)算機(jī)的控制信息，并向執(zhí)行層發(fā)出控制命令;同時(shí)，車載控制單元提供安全狀態(tài)信息，由車載安全計(jì)算機(jī)讀入。車載控制單元直接處理與列車安全有關(guān)的指令，是對(duì)可靠性安全性苛求的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它要保證控制信息可靠安全地向執(zhí)行層傳遞。

【關(guān)鍵詞】磁浮;車載控制單元;可靠性安全性

整個(gè)人類客運(yùn)交通發(fā)展的歷史是一個(gè)速度不斷提高的歷史。20世紀(jì)磁浮列車技術(shù)的發(fā)展使人類地面客運(yùn)的最高運(yùn)營(yíng)速度有可能達(dá)到500km/h的新水平。磁浮列車的高速、低噪聲、小轉(zhuǎn)彎半徑、乘坐安全舒適及低能耗的優(yōu)點(diǎn)，使得磁懸浮交通技術(shù)的發(fā)展具有廣闊的前景。

高速磁浮列車依靠電磁吸力或電動(dòng)斥力將列車懸浮于空中，實(shí)現(xiàn)與地面軌道沒有機(jī)械接觸，再用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此克服了傳統(tǒng)機(jī)車車輛必須通過(guò)輪軌機(jī)械接觸列車牽引的許多弊端，例如輪軌粘著限制、機(jī)械噪聲和磨損，是一種理想的陸上交通工具。

一、車輛系統(tǒng)

1）車輛系統(tǒng)概述

車輛系統(tǒng)是高速磁浮鐵路系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。通常，高速磁浮列車車輛系統(tǒng)被劃分為如下9個(gè)主要子系統(tǒng)：

車輛走行機(jī)構(gòu);車輛懸浮系統(tǒng);車輛導(dǎo)向系統(tǒng);車輛發(fā)電與供電系統(tǒng);車輛渦流制動(dòng)系統(tǒng);車載控制系統(tǒng);車載測(cè)速定位系統(tǒng);車載診斷系統(tǒng);車廂和夾層。

2）車輛系統(tǒng)的基本原理

對(duì)于磁浮車輛，懸浮力、導(dǎo)向力和牽引力均來(lái)自電磁力，車輛與軌道脫離機(jī)械接觸。磁浮車輛相關(guān)原理如下：

（1）懸浮的基本原理。懸浮的基本原理是利用懸浮架兩側(cè)的可控直流電磁鐵與導(dǎo)軌之間的吸力來(lái)提升車體。在懸浮電磁鐵中通入直流電流，懸浮電磁鐵與軌道中的鐵芯之間產(chǎn)生電磁吸引力將車體浮起。

（2）導(dǎo)向的基本原理。電磁式懸浮列車的導(dǎo)向系統(tǒng)是利用車體上的導(dǎo)向電磁鐵對(duì)軌道側(cè)面產(chǎn)生側(cè)向吸力使磁浮列車沿著導(dǎo)軌的方向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的導(dǎo)向。

（3）制動(dòng)的基本原理。磁浮列車每節(jié)車有兩個(gè)渦流制動(dòng)電磁鐵，分布在車輛中部的左右兩側(cè)。在牽引系統(tǒng)常用制動(dòng)失效或其它緊急情況下，啟動(dòng)渦流制動(dòng)。

二、車輛和運(yùn)行控制的關(guān)系

高速磁浮列車車載控制單元是車輛系統(tǒng)中的一部分，它的基本任務(wù)是配合磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)完成列車的懸浮、導(dǎo)向、制動(dòng)、供電、車門的開啟和關(guān)閉、乘客緊急和火警等控制任務(wù)。所以，研究車輛和運(yùn)行控制系統(tǒng)的關(guān)系有助于我們分析車載控制單元的功能。

高速磁浮列車的每一節(jié)車廂中安裝一套車載控制單元。在兩個(gè)端車分別各安裝一套車輛安全計(jì)算機(jī)（VSC）。為了簡(jiǎn)化分析又不失一般性，我們以三節(jié)車廂組成的列車進(jìn)行研究。

車載控制單元在每節(jié)車廂中以安全可靠方式實(shí)現(xiàn)，但僅首尾節(jié)車載控制單元分別同車載運(yùn)行控制系統(tǒng)（VOCS）的首尾車輛安全計(jì)算機(jī)相連。車載控制單元提供的安全狀態(tài)信息被VOCS的車載安全計(jì)算機(jī)讀入。

在車輛控制系統(tǒng)中，車輛安全計(jì)算機(jī)屬于磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，車載控制單元屬于車輛系統(tǒng)，車輛底層設(shè)備接收車載控制單元的控制命令，控制列車執(zhí)行具體動(dòng)作。

高速磁懸浮交通系統(tǒng)車輛與運(yùn)行控制系統(tǒng)的關(guān)系具體表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：控制關(guān)系，車輛的基本功能由運(yùn)行控制系統(tǒng)根據(jù)各相關(guān)約束條件進(jìn)行統(tǒng)一指令控制，車輛本身只提供相應(yīng)的控制信號(hào)傳輸通道;監(jiān)視關(guān)系，車輛的基本狀態(tài)由運(yùn)行控制系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)視，這些狀態(tài)信號(hào)是運(yùn)行控制系統(tǒng)采取決策的依據(jù)之一。

1）與安全有關(guān)的車輛基本控制功能被劃分為7類：

a.懸浮功能控制;b.導(dǎo)向功能控制;c.渦流制動(dòng)功能控制;d.發(fā)電與供電功能控制;e.車門功能控制;f.火災(zāi)緊急功能控制;g.乘客緊急功能控制。

由車載安全計(jì)算機(jī)輸出的控制指令可能源于三種因素：由運(yùn)行控制中心或分區(qū)控制系統(tǒng)下達(dá)的控制指令;由列車駕駛員通過(guò)列車操作計(jì)算機(jī)下達(dá)的控制指令;車載安全計(jì)算機(jī)自主形成的控制指令。

2）與安全有關(guān)的車輛基本監(jiān)控功能，同樣也被劃分為7類：

a.懸浮功能監(jiān)視;b.導(dǎo)向功能監(jiān)視;c.渦流制動(dòng)功能監(jiān)視;d.發(fā)電與供電功能監(jiān)視;e.車門控制功能監(jiān)視;f.火災(zāi)緊急功能監(jiān)視;g.乘客緊急功能監(jiān)視。

從該渠道獲得的安全狀態(tài)信息將作為運(yùn)行控制系統(tǒng)決策安全控制指令的依據(jù)之一。

三、車載控制單元技術(shù)分析

根據(jù)上一節(jié)對(duì)車輛和運(yùn)行控制系統(tǒng)關(guān)系的研究，我們對(duì)車載控制單元的功能進(jìn)行具體的剖析。

車載控制單元向下負(fù)責(zé)與車輛安全功能有關(guān)的命令傳遞和狀態(tài)監(jiān)視。車載控制單元向上提供與車載安全計(jì)算機(jī)統(tǒng)一的接口。因此，通過(guò)車載控制單元，車輛的安全功能可以接受運(yùn)行控制系統(tǒng)的管理。

1）車載控制單元的任務(wù)要求

車載控制單元用于控制和監(jiān)視車輛的安全功能，這些功能包括：

（1）懸浮功能。要求能夠向全部懸浮控制器發(fā)送起浮和降落指令，并且可以接受和上傳懸浮控制器的工作狀態(tài)到車載安全計(jì)算機(jī)。

（2）導(dǎo)向功能。要求能夠向全部導(dǎo)向控制器發(fā)送啟動(dòng)導(dǎo)向和關(guān)閉導(dǎo)向的指令，并且可以接收和上傳導(dǎo)向控制器的工作狀態(tài)到車載安全計(jì)算機(jī)。

（3）渦流制動(dòng)功能。要求能夠?qū)γ總€(gè)渦流制動(dòng)單元的制動(dòng)電流進(jìn)行8級(jí)控制，并可以接受和上傳制動(dòng)單元是否失效和最大制動(dòng)電流是否滿足等渦流制動(dòng)的狀態(tài)信號(hào)到車載安全計(jì)算機(jī)。

（4）發(fā)電與供電功能。要求能夠?qū)κ芰髌鞯氖辗殴δ苓M(jìn)行開關(guān)控制，可以對(duì)車載電網(wǎng)的上電與斷電進(jìn)行開關(guān)和邏輯控制，并能夠接收和上傳受流器與電網(wǎng)的狀態(tài)信號(hào)到車載安全計(jì)算機(jī)。

（5）車門控制功能。要求能夠?qū)ψ髠?cè)車門和右側(cè)車門進(jìn)行單獨(dú)開關(guān)控制，并能夠接收和上傳車門的狀態(tài)信號(hào)到車載安全計(jì)算機(jī)。

（6）火災(zāi)處置功能。要求能夠接收和上傳車廂內(nèi)部以及夾層結(jié)構(gòu)的煙霧和火災(zāi)探測(cè)器的輸出信號(hào)到車載安全計(jì)算機(jī)，并由相應(yīng)的電路傳遞車載安全計(jì)算機(jī)的處置命令，如關(guān)閉車廂隔離門、關(guān)閉空調(diào)、切斷有關(guān)電源等。

（7）乘客緊急情況下的處理功能。要求能夠接收和上傳乘客緊急報(bào)警的信號(hào)到車載安全計(jì)算機(jī)。

2）車載控制單元的可靠性安全性要求

由于車載控制單元直接傳輸車輛安全功能的控制和監(jiān)視信號(hào)，因此，要求車載控制單元以冗余的方式實(shí)現(xiàn)。

3）車載控制單元的故障要求

由于車載控制單元直接管理車輛的安全功能，因此，要求車載控制單元的控制過(guò)程符合“故障—安全”原則。

由于車載控制單元直接與執(zhí)行安全功能的設(shè)備相連，因此，要求車載控制單元的控制過(guò)程符合“故障—隔離”的原則，即某一底層功能設(shè)備的故障不會(huì)通過(guò)車載控制單元影響到其它底層功能設(shè)備。

四、結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)對(duì)高速磁浮列車車載控制單元的研究處于起步階段。原因是車載控制單元要以高速磁浮列車的研究作為大的前提和背景。磁浮交通工程是一項(xiàng)浩大的工程，針對(duì)磁浮交通的研究和開發(fā)也具有開發(fā)周期長(zhǎng)、投資大回報(bào)小的特點(diǎn)。

車載控制單元的主要功能是安全可靠進(jìn)行信息交換。目前廣泛使用冗余技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性安全性。比較成熟的系統(tǒng)模型有雙機(jī)熱備系統(tǒng)、三模冗余系統(tǒng)和二取二乘二系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，系統(tǒng)的可靠度會(huì)減小，安全度會(huì)增大。但過(guò)于復(fù)雜的系統(tǒng)給實(shí)現(xiàn)也帶來(lái)了困難。現(xiàn)有的車載控制單元多采用雙機(jī)熱備技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這樣的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但有時(shí)安全性可能難以滿足要求。所以，高安全性、低成本的車載控制單元仍是未來(lái)的研究方向。

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