常導長定子高速磁浮運行控制系統(tǒng)研究

方 凱，張家歡，石陽陽，李 勛

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

常導長定子高速磁浮系統(tǒng)（簡稱“常導高速磁浮”）是國家重點關(guān)注的軌道交通前沿技術(shù)［1］，其利用常導電磁鐵吸引力使列車實現(xiàn)無接觸運行，運行速度最高可達到600 km/h，是未來交通裝備發(fā)展的重要方向之一。在常導高速磁浮交通系統(tǒng)中，列車與軌道之間不存在直接的輪軌關(guān)系，列車本身是直線電機的轉(zhuǎn)子，由沿著軌道鋪設(shè)的直線電機長定子提供的地面牽引力驅(qū)動。因此常導高速磁浮運行控制（簡稱“運控”）系統(tǒng)的被控對象不同于傳統(tǒng)輪軌軌道交通的信號系統(tǒng)［2］。例如，由于列車的牽引力在地面，因而運控系統(tǒng)實現(xiàn)運行速度控制和牽引力切除的功能也被轉(zhuǎn)移到地面控制設(shè)備上。目前世界上僅有的常導高速磁浮商用線是上海高速磁浮示范線。該線路采用西門子公司提供的運控系統(tǒng)，其硬件采用SIMIS?類型的計算機［3］，運行了近20年。然而該系統(tǒng)沒有實現(xiàn)持續(xù)技術(shù)更新，且設(shè)計時僅考慮了城市內(nèi)點對點運輸?shù)倪\營需求，已不能滿足目前市場對高速磁浮的長大干線和自動追蹤運營等要求。為此，本文借鑒了上海高速磁浮示范線的成熟經(jīng)驗，研發(fā)了一套自主創(chuàng)新的常導長定子高速磁浮運控系統(tǒng)，其核心部件采用擁有中車自主知識產(chǎn)權(quán)的安全計算機硬件平臺搭建，不僅能夠滿足算力需求，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，而且適用于海拔5 100 m以下復雜地理氣候環(huán)境條件。本文通過系統(tǒng)需求及系統(tǒng)風險分析，明確了系統(tǒng)架構(gòu)與功能，有助于高速磁浮運控系統(tǒng)的自主化研究。

1 常導高速磁浮運控系統(tǒng)需求分析

本文所提出的常導高速磁浮運控系統(tǒng)方案參考了上海龍陽路至浦東機場磁浮示范線和高速鐵路的需求［4］，以實現(xiàn)長大干線自動追蹤運行、滿足長途多分區(qū)、適應(yīng)復雜地理氣候環(huán)境條件的列車安全運營為目標，從運營場景描述和風險源分析入手，形成常導高速磁浮列車設(shè)備系統(tǒng)和控制中心自動運行的功能需求。本方案基于標準GB/T 28809-2012《軌道交通通信、信號和處理系統(tǒng)信號用安全相關(guān)電子系統(tǒng)》［5］，采用安全生命周期V模型進行設(shè)計，準確識別出構(gòu)建運行控制系統(tǒng)的特殊需求。方案實現(xiàn)后，再通過輔助技術(shù)手段進行跟蹤檢查，避免遺漏、接口定義不全或沖突，最后通過實驗室半實物仿真手段確?，F(xiàn)場測試前的先期驗證，提高了系統(tǒng)集成過程的可見性。

1.1 系統(tǒng)總體需求

常導高速磁浮運控系統(tǒng)在整個常導高速磁浮交通系統(tǒng)中起到一個對列車運行進行自動控制與安全防護的核心作用［3］，如圖1所示。

圖1 運控系統(tǒng)在高速磁浮交通系統(tǒng)中的地位與作用Fig.1 Status and function of operation control system in high speed maglev transit system

高速磁浮交通與傳統(tǒng)高速鐵路交通、城市軌道交通相比，需求差別主要體現(xiàn)為自動化程度更高、對無線通信依賴程度高、可實現(xiàn)指定停車點停車等幾個方面［5］，這些差別也是本運控系統(tǒng)方案設(shè)計的重要需求點：

（1）可以實現(xiàn)全線（含車輛段/停車場）自動化運行。高速磁浮列車能達到更高的自動化運行等級，車輛根據(jù)運營時刻表自動喚醒與休眠、自動投入或退出運營、自動折返、自動停站與啟動、自動控制車門和站臺門的開閉［6-7］，甚至可以根據(jù)運營需要自動加減車，實現(xiàn)公交化運營，滿足安全、高效、節(jié)能及環(huán)保的運營目標。

（2）對車地無線通信系統(tǒng)要求高。高速磁浮交通的牽引系統(tǒng)依靠車輛上回傳的位置信號進行控制，要求車地無線通信系統(tǒng)具備低時延、高可靠的特性。

（3）安全性及可靠性高。高速磁浮交通的牽引系統(tǒng)被設(shè)置在地面，列車本身無動力，其運行由地面設(shè)備控制，運控系統(tǒng)負責完成列車從自檢到運行調(diào)度的全部過程。直線同步電機性能決定了一個牽引分區(qū)內(nèi)同時只能有一列車運行，從而使運控系統(tǒng)按照閉塞區(qū)間劃分方式進行列車的運行追蹤，使磁浮交通系統(tǒng)具備更高的可靠性和安全性。

（4）指定地點停車。高速磁浮列車懸浮和導向都采用主動控制，懸浮、導向和渦流制動裝置依靠列車供電系統(tǒng)的能量；列車啟動和低速運行時由車載蓄電池供電。當列車速度大于80 km/h時，車載線性發(fā)電機為列車提供電力并為車載蓄電池充電；列車運行異常時，運控系統(tǒng)會切斷牽引供電，列車只能依靠車載蓄電池的能量來保持列車懸浮并進行制動。如果車載蓄電池能量耗盡且不能充電，則列車無法再次懸浮。因此，除車站停車區(qū)外，系統(tǒng)在運行線路上還設(shè)置了若干輔助停車區(qū)（設(shè)動力軌和疏散逃生通道），停車區(qū)的動力軌可以給列車充電。系統(tǒng)在線路上設(shè)置車站停車區(qū)和輔助停車區(qū)作為目標停車點，如果列車能在目標停車點停車，則稱系統(tǒng)是安全的。以上安全防護的雙曲線（最大和最小限制曲線）控制由運控系統(tǒng)自動完成［8］。

（5）站臺門聯(lián)動控制。目前城市軌道交通基本上都安裝了站臺門，實現(xiàn)車門和站臺門聯(lián)動。在高速磁浮運營場景中，也需要考慮站臺門聯(lián)控，同時需要考慮對站臺門與車門夾縫內(nèi)的人員和物品的探測技術(shù)和管理手段。

（6）懸浮聯(lián)動控制。磁浮列車沒有傳統(tǒng)的車輪，當列車啟動和停止時，需要對懸浮導向系統(tǒng)進行聯(lián)動控制。

（7）定位與軌道檢知。磁浮列車沒有輪軌關(guān)系，定位、測速和軌道占用的檢知依賴于列車將定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)回傳至地面控制中心并進行相應(yīng)處理。

1.2 高速磁浮列車系統(tǒng)風險分析

1.2.1 系統(tǒng)的頂層事故風險源

以TU?V MODSafe［9］的第一層級的危害清單為樣本，結(jié)合多年來鐵路行業(yè)事故總結(jié)經(jīng)驗，并通過危險與可操作性（HAZOP）討論會議，對高速磁浮列車系統(tǒng)可能產(chǎn)生的頂層事故進行整理，形成如表1所示的高速磁浮列車的頂層隱患。

表1 根據(jù)MODSafe所列的高速磁浮列車頂層隱患Tab.1 List of the top level hazards of high speed maglev based on MODSafe

對列車運行、列車內(nèi)部、維修及環(huán)境等導致的9大類頂層隱患，利用故障樹進行系統(tǒng)的風險源梳理，定義風險的名稱、原因、觸發(fā)事件和應(yīng)對措施，明確運行控制系統(tǒng)在安全性、可靠性方面的要求［9］，具體如表2所示。

表2 高速磁浮列車系統(tǒng)頂層事故清單Tab.2 List of the top level accidents for high speed maglev train system

1.2.2 初步隱患識別方法

高速磁浮列車系統(tǒng)初步隱患識別方法主要采用故障樹分析方法，其示意如圖2所示。

圖2 高速磁浮列車系統(tǒng)初步隱患識別故障樹示意Fig.2 Schematic diagram of the fault tree for high speed maglev train

高速磁浮列車系統(tǒng)初步隱患分析描述如表3所示。

表3 高速磁浮列車系統(tǒng)初步隱患分析Tab.3 Preliminary-hazard analysis for high speed maglev train system

2 常導高速磁浮運行控制系統(tǒng)架構(gòu)與功能

通過上述需求分析可確定常導長定子高速磁浮運行控制系統(tǒng)的架構(gòu)和數(shù)據(jù)流向，形成系統(tǒng)接口技術(shù)要求和技術(shù)方案。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

常導高速磁浮運行控制系統(tǒng)（operation control system，OCS）主要由中央控制子系統(tǒng)（centralized control system，CCS）、車載控制子系統(tǒng)（vehicle control system，VCS）、分區(qū)控制子系統(tǒng)（decentralized control system，DCS）及無線電傳輸子系統(tǒng)（radio transmission system，RTS）［3］4個子系統(tǒng)組成，具體如圖3所示。

圖3 常導高速磁浮運行控制系統(tǒng)組成Fig.3 Systems and equipments of the operation control system in high speed maglev system with long stator and normal conducting

CCS負責全線路列車的調(diào)度指揮，包含自動運行服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和通信服務(wù)器。DCS負責所劃定區(qū)域的列車安全行車、進路防護、道岔防護和步進控制等，包含分區(qū)安全計算機、牽引切斷計算機和道岔控制計算機。VCS負責列車速度曲線監(jiān)控，防護列車最大運行速度、列車狀態(tài)監(jiān)控等功能，包含車載安全計算機及安全測速單元。RTS系統(tǒng)實現(xiàn)列車與地面設(shè)備的數(shù)據(jù)交互通信功能，由車載無線單元、車載移動基站、地面基站、分區(qū)無線單元和中央無線單元構(gòu)成。OCS中，分區(qū)安全計算機、牽引切斷計算機、道岔控制計算機和車載安全計算機4個核心部件是基于中車自主開發(fā)的安全計算機平臺而搭建的。

2.2 系統(tǒng)功能

OCS包括速度曲線監(jiān)控、定位功能、列車防護、牽引切斷、道岔防護、進路防護、進路請求與步進控制、操作與顯示及列車自動運行等9大核心功能。

速度曲線監(jiān)控是OCS的核心防護功能，它可用于防止列車以超出預(yù)定地限速的速度運行。當列車運行速度超過最大或最小運行速度時，系統(tǒng)將觸發(fā)牽引切斷和列車防護功能。牽引切斷即對軌旁的牽引系統(tǒng)進行安全切斷，當列車運行速度超出最大限速時，會觸發(fā)列車安全制動功能［3，8］。

定位功能用于安全和準確地確定列車的速度和位置。系統(tǒng)接收來自車輛測速裝置采集的列車定位狀態(tài)、列車位置、列車速度、列車相關(guān)的行駛方向、軌道相關(guān)的行駛方向和列車方向等信息，并進行安全處理（包括絕對位置校正和相對位置計算）。

列車防護功能是用來監(jiān)視列車狀態(tài)和控制列車運行模式的功能。

牽引切斷功能是用于在必要時切斷列車所在位置的牽引供電電源，列車所在位置不再有牽引電流或制動電流流向軌旁電纜。

道岔防護功能是使系統(tǒng)實時采集道岔狀態(tài)信息并在調(diào)度員工作站上顯示。在執(zhí)行道岔移動請求前，必須由DCS對進路狀態(tài)進行檢查，以判斷該請求是否被允許。

進路防護功能是使系統(tǒng)為列車分配軌道，并對其進行安全防護。系統(tǒng)將進路鎖閉后，使該道路供指定的列車單獨、連續(xù)地使用。若要在調(diào)度員工作站上實現(xiàn)列車行駛所需軌道區(qū)段的閉塞與軌道道岔的鎖閉功能，需要應(yīng)用安全相關(guān)的調(diào)度指令。

進路請求與步進控制功能是將接收到的駕駛參數(shù)進行分解處理，并對列車自動運行功能以及操作與顯示功能所發(fā)出的命令進行檢查，再根據(jù)系統(tǒng)運行需要下發(fā)列車運行指令。

列車自動運行功能是指系統(tǒng)根據(jù)列車運行狀況（列車實時速度、相對位移等），將列車運行指令發(fā)送給系統(tǒng)對應(yīng)的執(zhí)行模塊，以減輕調(diào)度人員工作負荷，提高列車運行管理的效率，減小人工差錯對列車運行的影響。

操作與顯示功能負責為調(diào)度人員的操作提供人機接口，并顯示整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息。

2.3 系統(tǒng)接口

運行控制系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的接口如圖4所示，主要包括：

圖4 常導高速磁浮運行控制系統(tǒng)接口Fig.4 Interface of the operation control system in high speed maglev with long stator and normal conducting

（1）CCS通過以太網(wǎng)與火災(zāi)報警系統(tǒng)FAS、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（包括乘客信息系統(tǒng)PIS、視頻監(jiān)控系統(tǒng)CCTV、廣播系統(tǒng)PA、時鐘系統(tǒng)CLK、緊急呼叫系統(tǒng)EHP）、維護管理系統(tǒng)MMS、大屏幕系統(tǒng)（運控系統(tǒng)與大屏幕服務(wù)器接口）、無線列調(diào)系統(tǒng)等運控外部系統(tǒng)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，為外部運營相關(guān)設(shè)備提供列車運行的數(shù)據(jù)。

（2）VCS通過以太網(wǎng)接口、實時以太網(wǎng)接口、串口電流環(huán)TTY接口、數(shù)字量I/O接口等與運控外部系統(tǒng)（車載診斷網(wǎng)、定位測速系統(tǒng)、車輛懸浮系統(tǒng)、車門等）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；并通過接口獲取外部設(shè)備狀態(tài)反饋信息，發(fā)出控制指令。

（3）DCS通過以太網(wǎng)、RS485、數(shù)字量I/O等接口與運控外部系統(tǒng)（屏蔽門PSD系統(tǒng)、牽引供電PPS系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)PCS、道岔位置及鎖閉傳感器與道岔供電驅(qū)動單元等）連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；并通過接口獲取外部設(shè)備狀態(tài)反饋信息，發(fā)出控制指令。

（4）RTS通過以太網(wǎng)、實時以太網(wǎng)、同步RS485等接口與運控外部系統(tǒng)（無線列調(diào)系統(tǒng)、車載診斷網(wǎng)、定位測速系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)PCS的MCU）連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；并通過上述接口為外部系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

OCS內(nèi)部接口包括：

（1）OCS通過運行控制核心網(wǎng)，實現(xiàn)CCS與DCS、RTS的時鐘同步、數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)傳輸。

（2）DCS通過分區(qū)安全網(wǎng)，實現(xiàn)分區(qū)內(nèi)部設(shè)備的時鐘同步、數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)傳輸。

（3）DCS通過分區(qū)防護局域網(wǎng)，實現(xiàn)本分區(qū)與相鄰分區(qū)安全計算機設(shè)備的數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)傳輸。

（4）VCS通過以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)車載安全計算機之間的通信，安全計算機通過以太網(wǎng)與車載無線電控制單元（mobile radio control unit，MRCU）進行連接。

（5）VCS具有以太網(wǎng)、1路CAN總線、2路RS485總線以及若干路數(shù)字量輸入、輸出通道，用于擴展與外部設(shè)備的接口。

3 系統(tǒng)試驗與驗證

為了驗證本文所提常導高速磁浮運行控制系統(tǒng)接口及功能的完整性和集成設(shè)計方案的有效性，下面開展半實物仿真系統(tǒng)驗證和試驗線現(xiàn)場驗證。圖5示出半實物仿真系統(tǒng)示意圖。

圖5 常導長定子高速磁浮運行控制系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)示意圖Fig.5 Hardware-in-loop simulation system for the operation control system of high speed maglev with long stator and normal conducting

3.1 半實物仿真測試驗證

在現(xiàn)場驗證前，先搭建一個仿真測試平臺進行前期集成驗證測試，以克服現(xiàn)場測試制約因素，提早暴露系統(tǒng)設(shè)計缺陷。半實物仿真驗證測試覆蓋運行控制系統(tǒng)功能及其與車輛系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)等常導磁浮核心系統(tǒng)的接口［10-12］，半實物設(shè)備與外部仿真測試環(huán)境的連接關(guān)系如圖5所示。

將運行控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)首先應(yīng)用到實驗室進行驗證，測試系統(tǒng)的各種性能，降低在實際運行中出現(xiàn)問題的風險，不僅能解決系統(tǒng)集成的驗證問題，也能為后續(xù)線路的集成和驗收提供技術(shù)支撐。

從圖6可以看出，目前集成設(shè)計測試的用例數(shù)為645個，通過測試的用例為572例，未通過的用例為73例，測試通過率為89%。

圖6 常導高速磁浮運控系統(tǒng)集成測試結(jié)果示意圖Fig.6 Schematic diagram of integration test results of the operation control system of high speed maglev with long stator and normal conducting

采用集成管理工具軟件對問題追蹤分析，結(jié)果表明，未通過的測試用例均為不具備試驗條件的測試用例或不影響系統(tǒng)集成運行核心功能的次要用例，可以在后續(xù)的設(shè)計中持續(xù)追蹤和優(yōu)化。

半實物仿真系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該運行控制系統(tǒng)的各子系統(tǒng)可實現(xiàn)實驗室集成試驗環(huán)境下的數(shù)據(jù)交互，以及控制流和狀態(tài)流的聯(lián)通和控制邏輯，并實現(xiàn)了子系統(tǒng)之間以及各子系統(tǒng)與仿真環(huán)境間的集成協(xié)同運行。通過多車多分區(qū)仿真運行測試可知，系統(tǒng)能夠滿足長途多分區(qū)復雜環(huán)境的運行需要。

3.2 試驗線現(xiàn)場試驗驗證

本系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗是在上海同濟磁浮試驗線進行的，按照測試大綱，主要測試內(nèi)容包括：列車進路超限防護、緊急制動命令、車門的開啟授權(quán)、列車的狀態(tài)監(jiān)控及控制命令、列車運行模式轉(zhuǎn)換及司機駕駛、自動折返、軌道占用檢測、停車點步進行車和安全定位。

通過實物大系統(tǒng)進行閉環(huán)測試，現(xiàn)場測試用例59個，涵蓋接口測試、功能測試、性能測試、運營場景測試、故障注入測試及研究性測試等各個方面，受試驗條件限制，未執(zhí)行用例2個，通過率97%，見圖7?，F(xiàn)場試驗驗證結(jié)果證明，該運行控制系統(tǒng)的方案、接口、功能完整，集成有效，滿足設(shè)計需求。

圖7 常導長定子高速磁浮運控系統(tǒng)現(xiàn)場測試結(jié)果示意圖Fig.7 Schematic diagram of field test results for the operation control system of high speed maglev with long stator and normal conducting

常導高速磁浮運行控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)輪軌交通信號系統(tǒng)在測速定位、軌道占用檢知、道岔控制、安全防護和牽引控制等方面存在較大差異，這也是該運行控制系統(tǒng)的創(chuàng)新點和技術(shù)難點。在上海同濟試驗線大系統(tǒng)聯(lián)合測試中，該技術(shù)方案的控制邏輯和方案可行性得到了較好的驗證。但受限于該試驗線線路短、所積累的實際運行數(shù)據(jù)有限且目前只有一節(jié)編組的列車等因素，該運行控制系統(tǒng)的部分功能（例如多列車情況下的追蹤防護）尚不具備測試驗證的條件。

4 結(jié)語

本文借鑒上海高速磁浮示范線運行控制系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗，通過研究系統(tǒng)運營場景，識別安全隱患，采用中車自主研發(fā)的安全計算機平臺，提出了一套自主研發(fā)的常導長定子高速磁浮運行控制系統(tǒng)，并通過實驗室半實物仿真測試及試驗線現(xiàn)場試驗進行驗證。試驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的運行控制系統(tǒng)的接口和功能完整，可實現(xiàn)600 km/h磁浮列車控制，滿足長距離干線運行的需求。

由于試驗線條件限制，目前尚有大量運營場景無法通過實測獲取數(shù)據(jù)。為此，下一步將通過建立實物仿真環(huán)境，模擬更長的運營線路等方法，對本文的設(shè)計成果進行優(yōu)化和持續(xù)改進。