高速磁浮列車車載控制單元技術分析

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的重要組成部分，是車輛系統中與磁浮列車運行控制系統交換信息的樞紐，直接決定了車輛基本功能能否實現。車載控制單元的功能是配合車載安全計算機完成列車的懸浮、導向、制動、供電和車門的開啟關閉等控制任務。車載控制單元接收車載安全計算機的控制信息，并向執行層發出控制命令;同時，車載控制單元提供安全狀態信息，由車載安全計算機讀入。車載控制單元直接處理與列車安全有關的指令，是對可靠性安全性苛求的計算機控制系統，它要保證控制信息可靠安全地向執行層傳遞。

【關鍵詞】磁浮;車載控制單元;可靠性安全性

整個人類客運交通發展的歷史是一個速度不斷提高的歷史。20世紀磁浮列車技術的發展使人類地面客運的最高運營速度有可能達到500km/h的新水平。磁浮列車的高速、低噪聲、小轉彎半徑、乘坐安全舒適及低能耗的優點，使得磁懸浮交通技術的發展具有廣闊的前景。

高速磁浮列車依靠電磁吸力或電動斥力將列車懸浮于空中，實現與地面軌道沒有機械接觸，再用線性電機驅動，因此克服了傳統機車車輛必須通過輪軌機械接觸列車牽引的許多弊端，例如輪軌粘著限制、機械噪聲和磨損，是一種理想的陸上交通工具。

一、車輛系統

1）車輛系統概述

車輛系統是高速磁浮鐵路系統中的一個子系統。通常，高速磁浮列車車輛系統被劃分為如下9個主要子系統：

車輛走行機構;車輛懸浮系統;車輛導向系統;車輛發電與供電系統;車輛渦流制動系統;車載控制系統;車載測速定位系統;車載診斷系統;車廂和夾層。

2）車輛系統的基本原理

對于磁浮車輛，懸浮力、導向力和牽引力均來自電磁力，車輛與軌道脫離機械接觸。磁浮車輛相關原理如下：

（1）懸浮的基本原理。懸浮的基本原理是利用懸浮架兩側的可控直流電磁鐵與導軌之間的吸力來提升車體。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生電磁吸引力將車體浮起。

（2）導向的基本原理。電磁式懸浮列車的導向系統是利用車體上的導向電磁鐵對軌道側面產生側向吸力使磁浮列車沿著導軌的方向運動，以實現對車輛的導向。

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

二、車輛和運行控制的關系

高速磁浮列車車載控制單元是車輛系統中的一部分，它的基本任務是配合磁浮列車運行控制系統完成列車的懸浮、導向、制動、供電、車門的開啟和關閉、乘客緊急和火警等控制任務。所以，研究車輛和運行控制系統的關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車廂中安裝一套車載控制單元。在兩個端車分別各安裝一套車輛安全計算機（VSC）。為了簡化分析又不失一般性，我們以三節車廂組成的列車進行研究。

車載控制單元在每節車廂中以安全可靠方式實現，但僅首尾節車載控制單元分別同車載運行控制系統（VOCS）的首尾車輛安全計算機相連。車載控制單元提供的安全狀態信息被VOCS的車載安全計算機讀入。

在車輛控制系統中，車輛安全計算機屬于磁浮列車運行控制系統，車載控制單元屬于車輛系統，車輛底層設備接收車載控制單元的控制命令，控制列車執行具體動作。

高速磁懸浮交通系統車輛與運行控制系統的關系具體表現為以下兩個方面：控制關系，車輛的基本功能由運行控制系統根據各相關約束條件進行統一指令控制，車輛本身只提供相應的控制信號傳輸通道;監視關系，車輛的基本狀態由運行控制系統統一監視，這些狀態信號是運行控制系統采取決策的依據之一。

1）與安全有關的車輛基本控制功能被劃分為7類：

a.懸浮功能控制;b.導向功能控制;c.渦流制動功能控制;d.發電與供電功能控制;e.車門功能控制;f.火災緊急功能控制;g.乘客緊急功能控制。

由車載安全計算機輸出的控制指令可能源于三種因素：由運行控制中心或分區控制系統下達的控制指令;由列車駕駛員通過列車操作計算機下達的控制指令;車載安全計算機自主形成的控制指令。

2）與安全有關的車輛基本監控功能，同樣也被劃分為7類：

a.懸浮功能監視;b.導向功能監視;c.渦流制動功能監視;d.發電與供電功能監視;e.車門控制功能監視;f.火災緊急功能監視;g.乘客緊急功能監視。

從該渠道獲得的安全狀態信息將作為運行控制系統決策安全控制指令的依據之一。

三、車載控制單元技術分析

根據上一節對車輛和運行控制系統關系的研究，我們對車載控制單元的功能進行具體的剖析。

車載控制單元向下負責與車輛安全功能有關的命令傳遞和狀態監視。車載控制單元向上提供與車載安全計算機統一的接口。因此，通過車載控制單元，車輛的安全功能可以接受運行控制系統的管理。

1）車載控制單元的任務要求

車載控制單元用于控制和監視車輛的安全功能，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到車載安全計算機。

（2）導向功能。要求能夠向全部導向控制器發送啟動導向和關閉導向的指令，并且可以接收和上傳導向控制器的工作狀態到車載安全計算機。

（3）渦流制動功能。要求能夠對每個渦流制動單元的制動電流進行8級控制，并可以接受和上傳制動單元是否失效和最大制動電流是否滿足等渦流制動的狀態信號到車載安全計算機。

（4）發電與供電功能。要求能夠對受流器的收放功能進行開關控制，可以對車載電網的上電與斷電進行開關和邏輯控制，并能夠接收和上傳受流器與電網的狀態信號到車載安全計算機。

（5）車門控制功能。要求能夠對左側車門和右側車門進行單獨開關控制，并能夠接收和上傳車門的狀態信號到車載安全計算機。

（6）火災處置功能。要求能夠接收和上傳車廂內部以及夾層結構的煙霧和火災探測器的輸出信號到車載安全計算機，并由相應的電路傳遞車載安全計算機的處置命令，如關閉車廂隔離門、關閉空調、切斷有關電源等。

（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警的信號到車載安全計算機。

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視信號，因此，要求車載控制單元以冗余的方式實現。

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程符合“故障—安全”原則。

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

四、結束語

我國對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浩大的工程，針對磁浮交通的研究和開發也具有開發周期長、投資大回報小的特點。

車載控制單元的主要功能是安全可靠進行信息交換。目前廣泛使用冗余技術來提高系統的可靠性安全性。比較成熟的系統模型有雙機熱備系統、三模冗余系統和二取二乘二系統。一般來說，隨著系統復雜程度的增加，系統的可靠度會減小，安全度會增大。但過于復雜的系統給實現也帶來了困難。現有的車載控制單元多采用雙機熱備技術實現，這樣的系統具有結構緊湊、實現相對簡單等優點，但有時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的研究方向。

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