時速600 km 高速磁浮列車運行控制系統協同控制方案

邱澤宇，鄧志翔，劉新平

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 通信信號研究設計院，武漢 430063）

高速磁浮列車作為新型交通工具，其運行速度接近航空運輸的運行速度，客運容量與高速鐵路（簡稱：高鐵）動車相當。與傳統的輪軌高鐵相比，高速磁浮列車具有噪聲小、速度快、相同運力條件下能耗低、無脫軌風險、安全性高，以及乘坐舒適、方便快捷等優點，能夠較好地滿足人們的出行需求，是未來軌道交通發展的方向[1]。

1 研究背景

現階段，我國正在統籌推進“交通強國”發展戰略。中共中央、國務院發布了《交通強國建設綱要》，提出要強化前沿關鍵科技研發，合理統籌安排時速600 km 級高速磁懸浮系統、時速400 km 級高速輪軌（含可變軌距）客運列車系統、低真空管（隧）道高速列車等技術儲備研發[2]。高速磁懸浮技術研究已掀起一番新熱潮，我國正在開展一批高速磁懸浮技術的研究和工程項目，例如，粵港澳大灣區廣深港高速磁浮鐵路工程、濟南—泰安—曲阜高速磁浮項目，并有望在“一帶一路”倡議的契機下推動磁懸浮技術走出去[3]，因此高速磁浮列車核心技術的研發至關重要。

運行控制系統是高速磁浮列車的中樞控制系統，控制并確保列車的安全運行。由于高速磁浮列車運行控制系統（簡稱：運行控制系統）與傳統的輪軌高鐵列車控制系統存在較大區別[4-5]，除了保證安全距離控制速度外，還需保證列車在軌道上懸浮，司機對高速磁浮列車的控制能力有限，傳統的輪軌高鐵列車控制系統控制模式無法滿足高速磁浮的控制需求[6]，因而，針對高速磁浮列車的運行控制，需要研究新的控制方案。目前，運行控制系統的研究內容主要是速度防護及停車區域設置[7]，而對與其他系統之間接口的研究較少。

為了解決運行控制系統與其他系統之間接口的問題，本文主要研究時速600 km 高速磁浮列車運行控制系統對其他關鍵系統的控制，通過與其他系統的接口，實現運行控制系統的主要功能，為后續開展高速磁浮工程建設奠定基礎。

2 運行控制系統

高速磁浮鐵路包括3 個關鍵系統，分別為車輛系統、牽引供電系統和運行控制系統，其中，車輛系統主要負責高速磁浮列車的懸浮及導向；牽引供電系統主要為高速磁浮列車提供運行所需的牽引動力；運行控制系統主要完成列車調度、安全定位、系統防護及通信等功能。此外，高速磁浮列車還有軌道系統、通信系統、防災系統等。上述系統相互配合，共同完成高速磁浮列車的運行及控制。運行控制系統是一種安全系統，遵循故障-安全原則，具有很高的自動控制和安全防護特性，采用自動或人工方式來實現高速磁浮列車的正常運行。

2.1 運行控制系統架構

運行控制系統為三層架構，分別是中央控制層、分區控制層和車載運行控制層[8]。各控制層之間及控制層內部的通信由通信網連接，其中，中央控制層與分區控制層之間的通信采用運行控制核心網，分區控制層與車載運行控制層之間的通信采用車-地無線通信技術。運行控制系統架構，如圖1 所示。

圖1 運行控制系統架構

2.1.1 中央控制層

中央控制層主要負責全線行車的調度及安全運行，是運行控制系統的“大腦”。中央控制層的主要功能包括制訂列車運行計劃和運行圖、按照行車計劃組織和調度列車的運行、監督整條高速磁懸浮線路的列車運行狀況、對運行控制系統的各個子系統進行自動診斷和報警，并輸出設備故障信息、記錄存儲運行過程的數據進行等。

中央控制層的設備主要布置在中央控制中心，主要包括列車自動調度（ATO，Automatic Train Operation）系統、操作員終端系統（中央操作員終端、站級操作員終端、維修基地操作員終端）、中央診斷終端系統，以及網絡交換機等設施設備，并留有與乘客信息系統及防災系統等交互的接口。

（1）ATO 系統可以降低操作員的工作強度，根據事先設置的行車時刻表，自動實現列車運行調度。

（2）操作員終端主要實現分區控制層的分區控制子系統和ATO 系統的操作和顯示。

（3）中央診斷終端系統顯示所有操作員終端輸出的診斷信息，并向維護人員提供故障診斷和參考信息。

2.1.2 分區控制層

運行控制系統將高速磁浮列車運行范圍劃分為多個運行控制分區，每個運行控制分區包含一個分區控制子系統。各分區控制子系統負責完成列車運行的行駛順序控制、進路防護、道岔防護、牽引切斷等功能，同時還與車載運行控制層的車載運行控制子系統一起，共同實現高速磁浮列車的防護、安全定位、速度曲線監控等功能。各分區控制子系統構成分區控制層，是運行控制系統的實現手段。

運行控制系統與牽引供電系統關系緊密。運行控制分區的劃分與牽引供電分區完全對應，各分區控制子系統設置于各牽引變電站內的信號設備室。每個分區控制子系統包括分區控制計算機、分區安全計算機、分區傳輸計算機、分區牽引切斷模塊、分區道岔模塊等設施設備，其中，分區牽引切斷模塊與牽引供電系統的功率模塊相對應，分區道岔模塊與軌道的道岔設備相對應。

（1）分區控制計算機負責控制對應運行控制分區的高速磁浮列車運行，根據高速磁浮列車、牽引供電系統等相關參數確定高速磁浮列車的運行模式。

（2）分區安全計算機是每個運行控制分區的核心設備，執行軌道防護、進路防護、列車管理、安全操作及顯示、牽引切斷、分區控制子區段劃分、分區交接、速度曲線監控、列車定位等與行車安全相關的功能。

（3）分區傳輸計算機實現各分區控制子系統與車載運行控制子系統之間無線通信的安全連接和數據交換。

（4）分區牽引切斷模塊是運行控制系統對牽引供電系統進行安全監控與防護的關鍵部件，負責在牽引供電系統發生故障或其他運行條件下安全地切斷高速磁浮列車的牽引驅動。

（5）分區道岔模塊負責對道岔的安全控制和防護，包括道岔的鎖閉、解鎖、轉換、位置確認和動力電的安全切斷。

2.1.3 車載運行控制層

車載運行控制層又稱車載運行控制子系統，是高速磁浮列車安全運行的重要保障。主要功能包括開啟和關閉車載電源、強制停車管理、運行模式變更、安全定位、列車懸浮控制、速度曲線監控、渦流制動、車載控制設備的監控、釋放受流器、車門控制等。

每輛高速磁浮列車配置一套車載運行控制子系統，車載運行控制子系統設備主要由采用安全冗余架構的車載安全計算機組成。高速磁浮列車的兩端駕駛室內各設置一套車載安全計算機。列車兩端的車載安全計算機之間通過數據線接口連接，并采取相應的防護措施來實現安全數據傳輸。車載運行控制層設備通過車載傳輸計算機，以及車-地無線電設備實現與分區控制設備之間的通信。

2.2 運行控制系統控制原理

高速磁浮列車的控制方式與傳統輪軌列車存在一定的差異，其運行控制系統與牽引供電系統之間的耦合度和集成度高，與牽引供電系統的接口復雜且緊密。高速磁浮列車的運行控制及安全防護由運行控制系統和牽引供電系統共同完成。運行控制系統將高速磁浮列車的運行范圍劃分為多個運行控制分區，每個運行控制分區范圍與牽引供電分區一一對應，正線每個運行控制分區范圍內只允許對一輛高速磁浮列車提供牽引力。運行控制分區劃分示意如圖2 所示。高速磁浮列車通過地面無線設備及車載無線設備進行高速磁浮列車定位，通過速度防護功能對高速磁浮列車當前位置的速度進行監視，確保高速磁浮列車速度在所設定的速度范圍之內，處于安全駕駛狀態。當高速磁浮列車正常運行時，運行控制系統執行自動駕駛功能，依據列車行車時刻表來確定駕駛參數，自動調度高速磁浮列車運行，無須人工干預。

圖2 運行控制分區劃分示意

運行控制系統的自動駕駛主要依靠中央控制層。當高速磁浮列車正常運行時，中央控制層的ATO 系統根據列車行車時刻表，自動下發進路指令給分區控制子系統，由分區控制子系統完成進路辦理、道岔防護、速度防護曲線計算等功能，并將線路數據、速度防護曲線等信息發送給車載控制子系統。高速磁浮列車接收并處理調度指令或駕駛員控制臺下達的指令，完成對高速磁浮列車的駕駛順序控制。

3 高速磁浮列車系統之間的協同控制

高速磁浮列車各系統間聯系緊密，通過對運行控制系統的構成及原理分析，對高速磁浮列車的控制還需要完成關鍵系統配合，主要體現在軌道控制、列車控制和牽引控制。關鍵系統的統籌管理通過多項聯動，共同保證高速磁浮列車的行車安全。

3.1 軌道控制

軌道控制主要對高速磁浮列車定位及道岔位置進行控制。運行控制系統在管控各個運行控制分區時，通過軌道控制功能將各運行控制分區進一步劃分為多個軌道區段。軌道區段是構成進路的基本單元，軌道區段的占用和出清通過高速磁浮列車定位和與運行控制系統中線路電子地圖的映射計算實現。

運行控制系統根據高速磁浮列車的最大速度限制曲線和制動曲線參數，實時計算高速磁浮列車當前位置到前方停車點的距離，并把計算得到的速度曲線發送給牽引供電系統。相關參數通過分區控制子系統的分區安全計算機獲得，如果高速磁浮列車的停車點在下一個運行控制分區，則相關數據被傳送到下一個運行控制分區的運行控制子系統設備，由下一個運行控制分區的運行控制子系統計算相應速度曲線和制動曲線，實現高速磁浮列車定位及速度防護。

運行控制系統與軌道系統之間的接口位于分區道岔模塊與線路道岔及道岔控制系統處的接口，該接口用于實現運行控制分區內運行控制系統對軌道道岔的移動控制和狀態檢測，實現對道岔的控制。分區道岔模塊是道岔系統控制的最高層。當移動道岔時，分區道岔模塊先向道岔驅動供電單元提供電源釋放命令，然后向道岔控制機發出移動道岔的指令報文指示道岔移動的位置。當道岔移動結束后，分區道岔模塊通過讀取道岔上的位置傳感器判斷道岔是否到位。

3.2 列車控制

列車控制主要對每輛高速磁浮列車的狀態、上線高速磁浮列車數量進行控制。運行控制系統依據高速磁浮列車的運行狀況對高速磁浮列車狀態進行控制，從行車角度來分，列車狀態包括運行、停止和存車這3 種；從牽引供電系統角度來分，列車狀態包括當前和虛擬兩種。

（1）運行狀態指運行控制系統已為高速磁浮列車分配了牽引供電系統，并完成了進路排列，高速磁浮列車可以在通過規定的檢查后懸浮并開始行車。

（2）停止狀態是指運行控制系統對高速磁浮列車進行軌道區段預鎖閉，高速磁浮列車已準備開始運行或剛剛中止運行的狀態，當某個運行控制分區內已有一列高速磁浮列車處于運行狀態時，則該分區的控制設備將允許另有一輛高速磁浮列車處于停止狀態，當某個運行控制分區內沒有高速磁浮列車處于運行狀態時，則該分區控制系統可容許有兩輛高速磁浮列車處于停止狀態。

（3）存車狀態的高速磁浮列車已經在運行控制系統中完成登錄，但運行控制系統沒有為該列車的運行分配任何進路，該列車占用了一個軌道區段，高速磁浮列車的位置和方向等數據已被運行控制系統所獲得。

（4）當前狀態與運行和停止狀態對應。牽引供電系統可以驅動處于當前狀態的高速磁浮列車。

（5）虛擬狀態與存車列車狀態對應。牽引供電系統不可以驅動處于虛擬狀態的高速磁浮列車。

當ATO 系統或調度員發出調度指令后，高速磁浮列車將進入列車狀態調整階段。為此，高速磁浮列車必須在相關系統進行登錄，并且依次發出關門指令、懸浮指令。牽引供電系統也要對高速磁浮列車的牽引指令，使高速磁浮列車進入相應的列車狀態，實現列車控制。

3.3 牽引控制

牽引控制主要對車輛牽引供電系統的狀態進行控制，使牽引供電系統進入相應的運行狀態。由于高速磁浮列車牽引變電站在其供電范圍內只允許驅動一輛高速磁浮列車運行，因此運行控制系統的每個分區控制系統與牽引供電分區一一對應。運行控制系統與牽引供電系統之間的接口位于分區控制層的分區控制計算機及分區牽引切斷計算機內，與牽引控制系統電機控制單元進行數據交換。

在列車運行前，運行控制系統分區控制計算機向牽引控制系統的電機控制單元發送線路數據、車輛參數、停車點、允許的最大速度曲線等信息，牽引控制系統的電機控制單元根據運行控制系統的各類數據信息及最大速度曲線計算該次運行的牽引運行曲線，并按照該曲線控制高速磁浮列車運行。在列車運行期間，運控系統監視列車運行的位置和速度，監測列車速度是否處于由最大速度曲線和最小速度曲線構成的安全速度范圍之內。當高速磁浮列車速度超過最大速度曲線或者低于最小速度曲線時，采取措施使高速磁浮列車能夠安全停在設定的停車點，從而讓高速磁浮列車運行始終處于系統的安全防護之下。

當列車運行速度超過最大速度曲線或者低于最低速度曲線，又或者出現其他影響安全運行的故障時，運行控制系統的分區牽引切斷計算機通過該接口向牽引變流器控制單元及變流器系統發出牽引切斷指令，控制牽引變流器系統切斷電流輸出，從而切斷牽引力，實現對牽引供電系統的控制。

4 運行控制系統與其他系統的接口

運行控制系統完成軌道控制、列車控制和牽引控制后即可實現對高速磁浮列車的基本運行控制，進而實現運行控制系統的主要功能，包括：運行模式控制、列車自動調度、操作與顯示、駕駛順序控制、進路防護、道岔防護、列車防護、安全定位、速度曲線監控、牽引安全切斷、在線診斷、系統通信、時鐘同步、數據安全傳輸與隔離防護等。運行控制系統對其他系統實現控制的方式是通過與其他系統的接口完成數據交換。其他系統主要包括軌道系統、車輛系統、牽引控制系統，如圖3 所示。

圖3 運行控制系統與其他系統的接口

4.1 與軌道系統的接口

運行控制系統與軌道系統之間的接口主要是分區道岔模塊與道岔及道岔控制系統的接口，包括與道岔控制機的接口、與位置及鎖閉傳感器的接口、與道岔驅動供電單元的接口。該接口用于實現分區控制子系統對軌道道岔的移動控制和狀態檢測。

4.2 與車輛系統的接口

4.2.1 車載安全計算機接口

車載安全計算機與車輛的接口主要包括與列車定位系統單元的接口、與車載控制單元仿真模塊的接口、與列車診斷計算機的接口及與列車操作臺緊急停車按鈕。

（1）與定位系統的接口主要是為運行控制系統傳遞高速磁浮列車上定位系統得到的定位數據.

（2）與車載控制單元仿真模塊的接口主要是將運行控制系統的與安全相關的控制命令發給車載控制系統，由車載控制系統執行懸浮、導向、車載供電、開/關車門等指令。

（3）列車診斷計算機的接口主要目的是接受車輛的狀態信息并診斷高速磁浮列車狀態并及時反饋給運控系統。

（4）與列車操作臺緊急停車按鈕的接口是將高速磁浮列車緊急停車的指令發送給運行控制系統，運行控制系統接收到該指令后會控制高速磁浮列車停在當前停車點。

4.2.2 車載傳輸計算機接口

車載傳輸計算機的接口主要包括與牽引供電定位系統的接口及與列車診斷計算機的接口，上述接口主要負責車-地通信，將車輛定位、狀態等數據直接傳輸至軌旁子系統，并將地面的控制信息傳輸至高速磁浮列車。

4.3 與牽引供電系統的接口

（1）分區安全計算機接口

運行控制系統的分區安全計算機與牽引控制系統的電機控制單元之間的存在接口，該接口的目的主要是將控制車輛運行的狀態數據傳送給牽引控制系統電機控制單元。

（2）分區牽引切斷模塊接口

運行控制系統的分區牽引切斷模塊與牽引變流器控制單元之間存在接口，該接口主要作用是當高速磁浮列車運行時出現車速超過最大速度曲線或者低于最低速度曲線等運行故障時，運行控制系統控制牽引變流器系統切斷電流輸出，從而切斷牽引力。

（3）分區傳輸計算機接口

運行控制系統的分區傳輸計算機與牽引控制系統的電機控制單元的接口之間存在接口，該接口主要作用是通過車—地無線電系統向牽引供電系統傳送高速磁浮列車定位數據，完成對牽引供電系統牽引電機的控制。

5 結束語

本文介紹了運行控制系統的構成及原理，通過對高速磁浮列車各系統間接口的研究，得出高速磁浮列車的運行控制需要多個系統的協同配合，才能共同保證高速磁浮列車運行的安全的結論。后續應當積極開展高速磁浮列車運行控制系統核心技術的國產化研究工作，為即將到來的實際工程化應用打下理論和技術基礎。