高速磁浮列车分区运行控制系统的设计与实现

高技术通讯２００７年９月第ｌ７卷第９期　高速磁浮列车分区运行控制系统的设计与实现①　徐洪泽②郑伟　刘湘黔岳强仲维锋　（北京交通大学交通与工业控制系统研究所北京１０００４４）　

摘要　分析了高速磁浮列车分区运行控制系统的功能及安全需求，提出了一种分区运　行控制系统功能分解方案并确定了各子系统的接Ｉｚ／关系，基于自主研制的３取２安全计　算机研制了高速磁浮列车分区运行控制系统工程样机。该工程样机系统由分区控制及安　全防护计算机子系统，牵引供电安全控制子系统，分区道岔安全控制子系统组成。集成调　试结果表明，该样机有效实现了高速磁浮列车的运行指挥及安全防护功能。　关键词　高速磁浮列车，运行指挥安全防护，运行控制系统，分区，工程样机　

０　引言　高速磁浮列车系统由车辆系统、线路系统、列车　牵引及供电系统以及运行控制系统等四部分组成。　运行控制系统把其他三个系统连接起来　Ｊ，实现对　高速磁浮列车系统的运行指挥控制及安全防护功　能。运行控制系统是保证磁浮列车高效、安全运行　必不可少的系统，其安全性能直接影响到磁浮列车　系统的安全性及可用性。尽管德国在上海建成了时　速４３０公里的高速磁浮列车示范运营线，但是高速　磁浮列车运行控制系统技术的研究工作还比较滞　后，仍处在初级实用阶段【１，２－４］，２００６年德国高速磁　浮列车实验线撞车事故充分说明了这一点。本文在　研究了德国高速磁浮列车运行控制系统体系结构、　功能与安全需求的基础上，提出了一种高速磁浮列　车分区运行控制系统功能分解方案，基于自主研制　的３取２安全计算机，研制了分区运行控制系统的　工程样机，并参与了集成调试，取得了满意的试验效　果，为我国高速磁浮列车核心技术国产化奠定了坚　实基础。　１　分区运行控制系统的需求分析　系统需求分析分两个方面：一是系统的功能需　求分析，二是系统的可靠性及安全性需求分析。　１．１分区运行控制系统的功能需求分析　德国高速磁浮列车运行控制系统采用了三层结　构：位于控制中心的中央运行控制系统，位于牵引变　电站和轨道旁的分区运行控制系统，位于列车上的　车载运行控制系统。这三个系统之间分别通过运行　控制核心网、联锁总线及３８ＧＨｚ车地无线通信网络　实现数据传输…１。　分区运行控制系统是高速磁浮列车系统的核心　中枢，完成列车驾驶控制、列车控制与防护、列车位　置监控、进路及道岔控制与防护、列车速度监控和牵　引供电安全切断等功能，具体内容如下：　（１）接受中央运行控制系统的各项操作指令，并　实时反馈给中央运行控制系统有关列车、线路、道岔　等系统的各类状态信息，配合中央运行控制系统实　现操作及表示功能。　（２）与车载运行控制系统配合实现列车的悬浮　降落控制、车门控制及定位测速等功能，同时实现列　车的安全防护功能。　（３）指挥牵引控制系统转换工作状态，使其按照　允许的速度范围向指定的目标车站牵引列车，同时，　实现防护功能。　（４）实时监控道岔的状态，根据需要指挥道岔系　统转换道岔的位置，同时实现道岔的安全防护功能。　（５）实时监控道岔、线路的状态及列车的位置信　息，实现进路的控制与安全防护功能。　（６）实时监督列车的运行速度，当列车的速度超　出规定范围，控制牵引供电系统切断牵引系统的供　电电源，并与车载运行控制系统配合确保列车不超　过规定的速度，在规定的停车点安全停车。　（７）实时监控运行控制系统自身的状态，一旦发　

①８６３计划（２０ｏ４　５４０）资助项目。　②男，１．９．６６譬生，博士，教授；研究方向：轨道交通运行控制；联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｚｘｕ＠ｂｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃａ　（收稿日期：２０ｏ７－０３－０５）　

９５８·－－——　徐洪泽等：高速磁浮列车分区运行控制系统的设计与实现　现危及行车安全的状况，单独或与车载系统配合控　制列车在规定的停车点安全停车。　（８）与相邻的分区运行控制系统配合，实现列车　的分区交接及安全防护功能。　１．２分区运行控制系统的可靠性安全性需求分析　运行控制系统是保障列车及乘客安全的最后防　线。前面给出了分区运行控制系统应实现的功能，　对于轨道交通运行控制系统来说，这些功能是远远　不够的，根据轨道交通运行控制系统的技术规范要　求，分区运行控制系统还应具有如下特性－５　Ｊ：　（１）高可靠性。一方面，系统软硬件出现故障的　概率要极小，另一方面，即使系统中的某些部件或软　件模块发生故障，系统功能受到影响的概率要极小，　应满足轨道交通系统的技术规范指标要求。　（２）功能安全性。即在系统的硬件没有发生任　何故障，系统的软件及数据没有受到外界干扰的情　况下，系统功能应正常且不会产生危及行车安全的　结果。　（３）故障．安全ｌ生。即不论系统硬件发生任何故　障，系统软件及数据受到任何干扰，以及故障后系统　是否能正常工作，磁浮列车系统发生危险的概率要　极小，应满足轨道交通系统的技术规范指标要求。　２　分区运行控制系统设计　２．１德国高速磁浮列车分区运行控制系统分析　如图１所示，德国高速磁浮列车分区运行控制　系统主要由分区控制计算机、分区安全计算机、分区　牵引切断、分区道岔模块等子系统组成。其中，分区　控制计算机子系统为双机热备份的非安全计算机系　统，其他子系统都是以西门子公司研制的以３取２　安全计算机为基本构件的系统，安全计算机系统之　间由西门子公司研制的联锁总线连接。　在系统功能及安全需求分析的基础上，并借鉴　以往轮轨交通信号系统的经验，不难看出，德国的分　区运行控制系统存在许多需要改进的地方：　（１）基于非安全计算机构建的分区控制计算机。　由系统功能及安全需求分析可知，分区运行控制系　统与安全密切相关，德国的分区控制计算机是分区　安全计算机的输出机构，如果分区控制计算机运算　错误并导致错误输出，会导致牵引系统误动作。分　区安全计算机不能约束分区控制计算机输出错误动　作，只能事后防护，因此，分区运行控制系统所有子　系统和子模块都应由安全计算机构成，以提高系统　的安全性。　（２）德国的分区运行控制系统中，分区内的安全　计算机子系统间的安全信息交换及分区间的众多分　区安全计算机的安全信息交换，都借助同一个安全　信息传输网（联锁总线），这样分区内及分区间大量　不相关的信息在同一个网上传输，既没有必要，也增　加了网络系统的负担，更影响信息传输的可靠性及　安全性。　

图１德国分区运行控制系统及其接口框图　２．２分区运行控制系统功能分解方案　根据分区运行控制系统功能需求，并借鉴德国　系统的经验，本文研制的分区运行控制系统的结构　如图２所示。系统由分区控制及安全防护计算机、　牵引供电安全控制系统、分区道岔安全控制系统组　成。　分区控制及安全防护计算机系统为分区运行控　制系统的核心，实现全部磁浮列车系统的运行指挥　控制及安全管理与防护功能。　道岔安全控制系统和牵引供电安全控制系统是　分区控制及安全防护计算机系统的安全执行机构。　其中：道岔安全控制系统实时监控道岔的状态，根据　需要指挥道岔系统转换道岔的位置，同时协助分区　控制及安全防护计算机实现道岔的安全防护；牵引　供电安全控制系统配合分区控制及安全防护计算机　系统实现牵引系统的供电电源控制。　

９５９·－－——　高技术通讯２０ｆｆ７年９月第１７卷第９期　广…一’一’一…一’一’一。Ｉ　ｉ中央运行控制系统ｉ　

ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　Ｉｌ　Ｉ　一　１．一…一…一‘’…一…一…一’一　

ｉ　有线通信罔及其管理系统　

：分区运行１分区控制及安ｌ　：　去相邻分区　控制系统Ｉ全防护计算机广＿１　

Ｉ圜Ｉｉ　岔系统ｉ　ｊ全控制系统ｌ　ｌ　Ｉ全控制系统　＝．二．二二．二．＿二．Ｌ＝．－二　二　二　二：二：二：　Ｉ一…一…一…　…一…一…一’Ｉ　

牵引控　制系统　

牵引供　电系统　

图２新型分区运行控制系统及其接口框图　２．３分区运行控制系统的接口关系分析与设计　如图２所示，分区运行控制系统是高速磁浮列　车的中枢，其对内、对外的联系紧密，接口关系复杂。　２．３．１分区运行控制系统设备间的接口分析与设　计　（Ｉ）分区内运行控制系统设备间的接口　如图２所示，分区内部的分区安全及控制计算　机系统与其安全执行机构道岔安全控制系统和牵引　供电安全控制系统通过分区内部的安全信息总线相　连，实现分区内各种控制命令及状态信息传输。　（２）分区间的接口　采用独立于分区内部的安全信息总线，实现多　分区间的分区控制及安全防护计算机间列车及进路　等安全信息的分区交接。　２．３．２分区运行控制系统对外接口的分析与设计　分区运行控制系统有两类对外接口，一是与运　行控制系统内部的中央及车载运行控制系统的接　口，二是与牵引控制、牵引供电及道岔系统的接口。　（１）与中央运行控制系统的接口　分区控制及安全防护计算机通过以太网与中央　运行控制系统连接，接收中央运行控制系统的操作　命令，并实时反馈各种状态信息给中央运行控制系　统。　（２）与车载运行控制系统的接口　分区控制及安全防护计算机通过标准ＲＳ２３２接　口与车地无线通信网相连，实现与车载运行控制系　统间控制命令及状态信息等的传输。　９６０一　

（３）与牵引控制系统的接口　分区控制及安全防护计算机通过以太网与牵引　控制系统相连，传输牵引控制命令及牵引数据等，并　接收牵引系统的反馈信息。　（４）与牵引供电系统的接口　牵引供电安全控制系统通过开关量输入输出接　口与牵引供电系统相连，实现监测及控制牵引系统　的供电状态。　（５）与道岔系统的接口　道岔安全控制系统通过开关量输入输出接口及　标准ＲＳ４２２接口与道岔系统相连，实现对道岔系统　的监测、控制及防护。　２．４系统的可靠性及安全性设计　根据轨道交通运行控制系统技术要求，分区运　行控制系统工程样机必须满足高可靠、功能安全及　故障一安全的设计要求，因此，本文研制的分区运行　控制系统的各子系统的工程样机都以３取２安全计　算机为基本构件，且各子系统的通信信道及开关量　输入输出通道、各子系统的每个部件、环节及模块都　按照“故障一安全”技术原则设计＿５＿５。　分区运行控制系统的各子系统工程样机软件的　每个部件、环节及模块以及软件研制过程都符合“故　障一安全”设计原则。　为提高系统的可靠性，各子系统的通信信道及　开关量输入输出通道，都采用两倍以上冗余设计。　

３　分区运行控制系统工程样机研制　参照轮轨交通信号系统的技术标准，充分考虑　高速磁浮列车系统的技术特点，并根据分区运行控　制系统的设计方案，分别研制分区控制及安全防护　计算机系统、道岔安全控制系统及牵引供电安全控　制系统工程样机的软硬件。　３．１工程样机硬件系统研制　由系统设计方案可知，本文研制的分区运行控　制系统的３个子系统都以自主研制的ＪＴ３１型３取２　安全计算机为基本构件，且每个通道以及每个部件、　环节和模块都按照“故障一安全”技术原则设计。　为提高系统的可靠性，各子系统的通信信道及　开关量输入输出通道，都采用两倍以上冗余设计。　另外，ＪＴ３１型３取２安全计算机采用主频　４００ＭＨｚ的低功耗嵌入式的ＣＰＵ，系统更简洁，功能　更强，可靠性更高。可以运行ＤＯＳ、Ｌｉｎｕｘ及Ｖｘｗｏｒｋｓ　等操作系统。