CN1944146A - 一种高速磁浮列车运行控制系统 - Google Patents

Abstract

一种高速磁浮列车运行控制系统，中央系统位于指挥中心，由行车指挥系统、故障诊断系统及行车仿真系统构成，行车指挥系统采用安全型计算机系统，提高了安全性，新增行车仿真系统有利于实现繁忙交通网络运营指挥和管理，提高磁浮交通系统效率；分区系统位于车站或轨旁变电站，由分区安全控制与管理系统、驾驶控制与超速防护系统、道岔控制系统及供电测控系统构成，采用安全计算机，克服了安全漏洞，结构化及模块化更好，软件复杂度更低、可靠性和安全性更高；车载系统位于磁浮列车上，由两套具有完整功能的安全控制与超速防护系统构成，两套系统可分别独立承担系统功能，系统的可靠性大幅度提高。系统间由无线或有线通信网连接。

Description

一种高速磁浮列车运行控制系统

技术领域

本发明涉及一种高速磁浮列车运行控制系统，属于轨道交通系统控制领域。

背景技术

高速磁浮列车系统由车辆系统、线路系统、列车推进系统以及运行控制系统等四部分组成。高速磁浮列车运行控制系统是高速磁浮列车系统的中枢，该系统把车辆系统、线路系统、列车推进系统连接起来，完成对高速磁浮列车系统的运行指挥控制及安全防护功能。

尽管日本高速磁浮列车系统已经进入工程化试验阶段，德国的高速磁浮列车系统已达到可商业应用的水平，但是高速磁浮列车运行控制系统及其集成方法的研究工作还比较滞后，还处在理论研究及初级实用阶段，现有的高速磁浮列车运行控制系统的结构存在缺陷及隐患。下面，在简单介绍现有系统技术的基础上，指出现有系统结构及集成方法存在的问题和缺点。

1、德国的高速磁浮列车运行控制系统[1]

德国的高速磁浮列车系统的核心可分为轨道、牵引、列车和运行控制四大系统。上海线上的运行控制系统是三层结构：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、位于列车的车载运行控制系统。德国的磁浮列车运行控制系统的基本功能主要包括：操作与显示、自动操纵列车、驾驶序列控制、列车防护、进路防护、道岔防护、列车安全定位、速度曲线监控和牵引安全切断等功能。

1)中央运行控制系统：中央运行控制系统的功能及结构都比较简单，主要包括操作员终端系统和参考计算机等，主要完成操作与显示等功能。

2)分区运行控制系统：分区运行控制系统的设备主要包括分区控制计算机、分区安全计算机、分区牵引切断模块、分区道岔模块等。完成驾驶序列控制、列车防护、进路防护、道岔防护、速度曲线监控、列车安全定位和牵引安全切断等功能。

3)车载运行控制系统：车载运行控制系统是设在磁浮列车上的运行控制系统，它包括位于列车两端的车载安全计算机。完成列车防护、速度曲线监控、列车安全定位等功能。

2、日本的高速磁浮列车运行控制系统[2，3]

日本的高速磁浮列车系统的核心可分为轨道、牵引、列车和运行控制系统。运行控制系统由运输控制系统、安全控制系统、驾驶控制系统三个系统构成。

1)运输控制系统：运输控制系统由中心运输控制、分区运输控制、车载运输控制三个部分组成，完成对磁浮列车系统的运输调度指挥。

2)安全控制系统：安全控制系统由车站安全控制系统、站间闭塞控制系统、列车速度监控、列车状态监控、列车位置检测等部分组成。

3)驾驶控制系统：驾驶控制系统由驾驶控制管理、速度控制、电机同步控制、定子段供电开关控制等。

3、现有高速磁浮交通运行控制系统差异分析：

由于两种磁浮列车系统的结构及工作机理存在差异，所以，两种磁浮列车系统的运行控制机理和系统结构存在差异是必然的。从对运行控制系统的影响方面来看主要表现在以下几个方面：

1)日本的高速磁浮列车的运行控制系统更接近轮轨铁路的控制模式，由运输控制系统、安全控制系统、驾驶控制系统组成；而德国高速磁浮列车的运行控制系统把日本的三个系统揉和成分为三个层面(中央、分区、车载运行控制系统)的系统；

2)日本的高速磁浮列车的运行控制系统包含了牵引控制系统的大部分功能，弱化了牵引控制系统的功能；分区供电及定子段供电开关由运行控制系统控制；而德国的磁浮列车系统把牵引驱动系统的功能完全分出去，由牵引系统承担；

3)德国的高速磁浮列车为电磁悬浮，没有支撑和导向轮，因此，德国的磁浮列车系统需要为避免磁浮列车失去悬浮电能而设立辅助停车区，且需要最小速度曲线监控功能；日本的高速磁浮列车为电动式悬浮，并且磁浮列车有支撑和导向轮，在低速时列车靠轮子支撑，运行速度超过100公里每小时磁浮列车浮起，日本的磁浮列车运行控制系统不需要最小速度曲线监控功能。

4、现有高速磁浮交通运行控制系统存在的问题

由于现有的两种系统远未成熟还处在试验阶段，所以两种系统在结构上及集成方法上还都有不合理需要解决的技术问题，具体表现为：

1)日本的高速磁浮列车运行控制系统过多地吸收了轮轨系统的经验，系统结构过于复杂，降低了系统的可维护性；

2)日本的高速磁浮列车运行控制系统把牵引系统的控制功能纳入其中，增加了系统复杂度，降低了系统的可扩展性；

3)德国的高速磁浮列车运行控制系统的分区控制计算机的设置及其功能定义以及其与分区安全计算机的关系不合理，分区控制计算机处理与安全紧密相关的数据、执行与安全紧密相关的功能，但需要分区安全计算机实现安全把关，从分区控制计算机与分区安全计算机的结构关系不难看出，不合理软硬件关系增加了软件的复杂性、降低了系统的安全性和可用性；

4)德国的高速磁浮列车运行控制系统的分区运行控制系统是运行控制系统的核心，是运行控制系统安全保障的关键，分区处理的所有信息几乎都是与安全紧密相关的，上海磁浮示范线的分区控制计算机为热备的非安全计算机，分区控制计算机采用非安全计算机，处理大量的与安全相关的事件，尽管分区安全计算机在一定程度上进行了防护，但仍然有安全性漏洞，降低了系统的安全性；

5)德国的高速磁浮列车运行控制系统的车载运行控制系统中的头车和尾车的安全计算机系统结构及功能上没有构成真正意义上的热备系统，上海磁浮示范线德国系统中只有一套车载安全计算机系统直接与车地无线通信系统相连，受结构限制，系统中只有一套车载安全计算机系统具有完整的运行指挥和安全防护功能，另一套车载安全计算机系统仅具有一小部分安全停车功能，而没有完整的运行指挥和安全防护功能，没有构成真正意义上的热备系统，降低了系统的可靠性及可用性；

6)中央运行控制系统在一定程度上具有安全确认功能，德国的高速磁浮列车运行控制系统的中央运行控制系统由非安全计算机构成，降低了系统的安全性。

[1]吴祥明.磁浮列车[M].上海：上海科学出版社，2003.

[2]Motoharu Ono.Japan’s Superconducting MAGLEV TRAIN[J].IEEEInstrumentation & Measurement Magazine，2002(3)：9-15

(Motoharu Ono.日本超导磁浮列车.IEEE仪器与测量杂志，2002(3)：9-15)

[3]Morishita K.Train Traffic Control System on the Yamanashi MaglevTest Line[M].COMPUTERS IN RAILWAYS VII，2000，641-649.

(Morishita K.日本磁浮列车Yamanashi实验线的列车交通控制系统.计算机在铁路中的应用，2000，641-649.)

发明内容

为了克服上述现有技术结构的不足，本发明提供一种高速磁浮列车运行控制系统体系及集成方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：简化系统结构，把牵引控制与运行控制分开，提高系统的可维护性及可扩展性；系统总体结构分为三个层次：中央系统、分区系统和车载系统。系统的体系结构为：中央系统位于指挥中心，实现行车指挥、故障诊断及行车仿真功能；分区系统位于车站或轨旁变电站，实现分区安全控制与管理(包括道岔、列车、供电及进路等控制与管理)、分区驾驶控制与超速防护等功能；车载系统位于磁浮列车上，实现列车安全控制与超速防护等功能。并采用如下集成方法：

1)中央系统

如图1所示，本发明的中央系统主要由行车指挥系统、行车仿真系统和故障诊断系统组成：

(1)行车仿真系统：采用普通工控机，实现多车多分区复杂交通网络条件下的磁浮列车运行仿真功能；

(2)行车指挥系统：实现操作与显示、列车自动运行等功能。采用安全计算机实现中央运行控制系统中与安全相关功能的子系统，由于行车指挥系统及其操作人员承担一定的安全责任，该系统采用安全型计算机；

(3)故障诊断系统：采用普通工控机，实现运行控制系统故障的集中分析；

(4)中央系统的3个子系统通过内部冗余的工业以太网1连接，中央系统与地面有线通信网通过冗余的工业以太网2连接，进而与分区系统连接。

2)分区系统

如图2所示，本发明的分区系统主要由分区安全控制与管理系统、驾驶控制与分区超速防护系统、牵引供电测控系统及道岔控制系统组成：

(1)本发明的分区系统的所有子系统都由安全计算机构成，从根本上解决了安全漏洞问题。

(2)本发明的分区系统的核心为分区安全控制与管理系统和驾驶控制与超速防护系统，与速度相关的功能及安全防护任务由驾驶控制与超速防护系统完成，其它与安全相关的功能由分区安全控制与管理系统完成，道岔控制系统是分区安全控制与管理系统的安全测控机构，供电测控系统是驾驶控制与超速防护系统及分区安全控制与管理系统的安全测控机构。

(3)分区系统的4个子系统通过内部冗余的现场总线3连接；分区系统与地面有线通信网通过冗余的工业以太网2连接，进而与中央系统连接；分区系统与牵引供电系统通过符合安全要求的冗余的输入输出接口4连接；分区系统与牵引控制系统通过冗余的工业以太网2连接；分区系统与道岔系统通过符合安全要求的冗余的开关量输入输出及现场总线接口5连接；分区系统与车地无线通信网通过冗余的串行总线6连接，进而与车载系统连接。

3)车载系统

如图3所示，本发明的车载系统主要由两套列车安全控制与超速防护系统构成；

(1)本发明的车载系统由两套具有完整功能的列车安全控制与超速防护系统构成，或两套结构及功能完全相同的列车安全控制与超速防护系统构成，其中一套系统发生故障，另一套系统独立完成运行指挥和安全防护功能，确保磁浮列车继续安全运行，系统的可靠性及可用性大幅度提高；

(2)两套列车安全控制与超速防护系统与车地无线通信网分别通过冗余的串行总线6连接，进而与分区系统连接；两套系统之间通过冗余的现场总线7连接；两套热备的列车安全控制与超速防护系统分别通过符合安全要求的冗余的开关量输入输出及现场总线接口8与车载测控系统连接。

本发明的有益效果具体如下：

1)中央系统

(1)在本发明的中央系统中行车指挥系统采用安全型计算机系统代替一般工业计算机构成，提高了系统的安全性；

(2)在本发明新增的行车仿真系统有利于实现繁忙交通网络运营指挥和管理，提高磁浮交通系统效率。

2)分区系统

(1)本发明的分区系统中所有子系统和子模块都由安全计算机构成，从根本上克服了安全漏洞。

(2)本发明的分区系统的核心为分区安全控制与管理系统和驾驶控制与超速防护系统，与速度相关的功能由驾驶控制与超速防护系统完成，其它与安全相关的功能由分区安全控制与管理系统完成，道岔控制系统是分区安全控制与管理系统的安全测控机构，供电测控系统是驾驶控制与超速防护系统及分区安全控制与管理系统的安全测控机构。与德国及日本系统相比，本发明理顺各子系统的逻辑关系，降低软件的重复度及复杂性，进而提高系统的可靠性，分区系统的结构更简洁，内部各模块分工更明确，逻辑关系更明晰，系统结构化及模块化更好，软件复杂度更低、可靠性和安全性更高。

3)车载系统

本发明的车载系统中两套列车安全控制与超速防护系统都直接与车地无线通信系统相连，都具有完整的功能，可分别独立承担系统功能，系统结构更完整，能够实现两套系统真正热备，系统的可靠性大幅度提高。

附图说明

图1是中央系统结构图；

图2是分区系统结构图；

图3是车载系统结构图；

图4是高速磁浮列车运行控制系统结构及集成方案图。

具体实施方式

高速磁浮列车运行控制系统，实现高速磁浮列车的“运行指挥、安全防护”功能，下面给出本发明优选的实施实例。图4是高速磁浮列车运行控制系统结构及集成方案图，其中，点划线框内为高速磁浮列车运行控制系统，由中央系统、分区系统、车载系统以及连接分区及车载系统的无线通信网构成。

集成构建图4所示的高速磁浮列车运行控制系统，本发明：

1、采用如图1所示的中央系统，主要由行车指挥系统、行车仿真系统和故障诊断系统组成：

行车仿真系统：实现多车多分区中长线复杂交通网络条件下的磁浮列车运行仿真功能；

行车指挥系统：实现操作与显示、列车自动运行等功能。由于行车指挥系统及其操作人员承担一定的安全责任，该系统采用安全型计算机；

故障诊断系统：实现运行控制系统故障的集中分析。

2、采用如图2所示的分区系统，主要由分区安全控制与管理子系统、驾驶控制与分区速度防护子系统、供电测控系统及道岔控制系统组成：

分区系统的核心为分区安全控制与管理系统及驾驶控制与分区超速防护系统，与速度相关的功能由驾驶控制与分区超速防护系统完成，其它与安全相关的功能由分区安全控制与管理系统完成，道岔控制系统和供电测控系统是上述两个核心系统的安全执行机构。

3、采用如图3所示的车载系统，是由两套功能、结构及对外接口完全一致的或两套结构及功能完全相同的列车安全控制与超速防护系统构成的热备系统：系统中的两套车载安全计算机系统都直接与车地无线通信系统相连，系统结构更完整，实现两套安全计算机完全热备。

4、本发明采取如下方法集成高速磁浮列车运行控制系统：如图4所示

1)中央系统内部由冗余的工业以太网1联成一个整体，并通过冗余的工业以太网2与地面有线通信网相连；

2)分区系统的4个子系统通过内部冗余的现场总线3连接；分区系统与地面有线通信网通过冗余的工业以太网2连接；分区系统与牵引供电系统通过符合安全要求的冗余的输入输出接口4连接；分区系统与牵引控制系统通过冗余的工业以太网2连接；分区系统与道岔系统通过符合安全要求的冗余的开关量输入输出及现场总线接口5连接；分区系统与车地无线通信网通过冗余的串行总线6连接；

3)车载系统的两套功能、结构及对外接口完全一致的列车安全控制与超速防护系统与车地无线通信网分别通过冗余的串行总线6连接；两套列车安全控制与超速防护系统之间通过冗余的现场总线7连接；车载系统的两套列车安全控制与超速防护系统与车载测控系统分别通过符合安全要求的冗余的开关量输入输出及现场总线接口8连接；

4)对于多分区系统，本发明采用，相邻分区间的网络联接与分区内部的网络分离，相邻分区间分别通过冗余的工业以太网2及符合安全要求的冗余的现场总线接口9连接。

Claims (8)

1、一种高速磁浮列车运行控制系统，系统结构为：中央系统位于指挥中心，分区系统位于车站或轨旁变电站，车载系统位于磁浮列车上，系统间由无线或有线通信网连接，其特征在于：

1)行车指挥系统、故障诊断系统及行车仿真系统构成了中央系统；

2)分区安全控制与管理系统、分区驾驶控制与超速防护系统、分区道岔控制系统及分区供电测控系统构成了分区系统；

3)位于列车上的两套具有完整功能的安全控制与超速防护系统构成了车载系统。

2、根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车运行控制系统，其特征在于中央系统的行车指挥系统为安全计算机系统。

3、根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车运行控制系统，其特征在于分区系统的所有部件及子系统都是安全计算机系统、分区系统的核心为分区安全控制与管理系统及驾驶控制与超速防护系统，与速度相关的功能由驾驶控制与超速防护系统完成，其它与安全相关的功能由分区安全控制与管理系统完成，道岔控制系统是分区安全控制与管理系统的安全测控机构，供电测控系统是驾驶控制与超速防护系统及分区安全控制与管理系统的安全测控机构。

4、根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车运行控制系统，其特征在于车载系统的两套列车安全控制与载超速防护系统，由功能、结构及对外接口完全一致的安全计算机系统构成。

5、根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车运行控制系统，其特征在于中央系统内部由冗余的工业以太网1联成一个整体，并通过冗余的工业以太网2与地面有线通信网相连。

6、根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车运行控制系统，其特征在于分区系统的4个子系统通过内部冗余的现场总线3连接；分区系统与地面有线通信网通过冗余的工业以太网2连接；分区系统与牵引供电系统通过符合安全要求的冗余的输入输出接口4连接；分区系统与牵引控制系统通过冗余的工业以太网2连接；分区系统与道岔系统通过符合安全要求的冗余的开关量输入输出及现场总线接口5连接；分区系统与车地无线通信网通过冗余的串行总线6连接。

7、根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车运行控制系统，其特征在于车载系统的两套列车安全控制与超速防护系统与车地无线通信网分别通过冗余的串行总线6连接；两套列车安全控制与超速防护系统之间通过冗余的现场总线7连接；车载系统的两套列车安全控制与超速防护系统与车载测控系统分别通过符合安全要求的冗余的开关量输入输出及现场总线接口8连接。

8、根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车运行控制系统，其特征在于对于多分区系统，相邻分区间的网络联接与分区内部的网络分离，相邻分区间分别通过冗余的工业以太网2及符合安全要求的冗余的现场总线接口9连接。

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