鲍野

【摘 要】高速磁浮列车车载控制单元是高速磁浮列车系统的重要组成部分，是车辆系统中与磁浮列车运行控制系统交换信息的枢纽，直接决定了车辆基本功能能否实现。车载控制单元的功能是配合车载安全计算机完成列车的悬浮、导向、制动、供电和车门的开启关闭等控制任务。车载控制单元接收车载安全计算机的控制信息，并向执行层发出控制命令;同时，车载控制单元提供安全状态信息，由车载安全计算机读入。车载控制单元直接处理与列车安全有关的指令，是对可靠性安全性苛求的计算机控制系统，它要保证控制信息可靠安全地向执行层传递。

【关键词】磁浮;车载控制单元;可靠性安全性

整个人类客运交通发展的历史是一个速度不断提高的历史。20世纪磁浮列车技术的发展使人类地面客运的最高运营速度有可能达到500km/h的新水平。磁浮列车的高速、低噪声、小转弯半径、乘坐安全舒适及低能耗的优点，使得磁悬浮交通技术的发展具有广阔的前景。

高速磁浮列车依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中，实现与地面轨道没有机械接触，再用线性电机驱动，因此克服了传统机车车辆必须通过轮轨机械接触列车牵引的许多弊端，例如轮轨粘着限制、机械噪声和磨损，是一种理想的陆上交通工具。

一、车辆系统

1）车辆系统概述

车辆系统是高速磁浮铁路系统中的一个子系统。通常，高速磁浮列车车辆系统被划分为如下9个主要子系统：

车辆走行机构;车辆悬浮系统;车辆导向系统;车辆发电与供电系统;车辆涡流制动系统;车载控制系统;车载测速定位系统;车载诊断系统;车厢和夹层。

2）车辆系统的基本原理

对于磁浮车辆，悬浮力、导向力和牵引力均来自电磁力，车辆与轨道脱离机械接触。磁浮车辆相关原理如下：

（1）悬浮的基本原理。悬浮的基本原理是利用悬浮架两侧的可控直流电磁铁与导轨之间的吸力来提升车体。在悬浮电磁铁中通入直流电流，悬浮电磁铁与轨道中的铁芯之间产生电磁吸引力将车体浮起。

（2）导向的基本原理。电磁式悬浮列车的导向系统是利用车体上的导向电磁铁对轨道侧面产生侧向吸力使磁浮列车沿着导轨的方向运动，以实现对车辆的导向。

（3）制动的基本原理。磁浮列车每节车有两个涡流制动电磁铁，分布在车辆中部的左右两侧。在牵引系统常用制动失效或其它紧急情况下，启动涡流制动。

二、车辆和运行控制的关系

高速磁浮列车车载控制单元是车辆系统中的一部分，它的基本任务是配合磁浮列车运行控制系统完成列车的悬浮、导向、制动、供电、车门的开启和关闭、乘客紧急和火警等控制任务。所以，研究车辆和运行控制系统的关系有助于我们分析车载控制单元的功能。

高速磁浮列车的每一节车厢中安装一套车载控制单元。在两个端车分别各安装一套车辆安全计算机（VSC）。为了简化分析又不失一般性，我们以三节车厢组成的列车进行研究。

车载控制单元在每节车厢中以安全可靠方式实现，但仅首尾节车载控制单元分别同车载运行控制系统（VOCS）的首尾车辆安全计算机相连。车载控制单元提供的安全状态信息被VOCS的车载安全计算机读入。

在车辆控制系统中，车辆安全计算机属于磁浮列车运行控制系统，车载控制单元属于车辆系统，车辆底层设备接收车载控制单元的控制命令，控制列车执行具体动作。

高速磁悬浮交通系统车辆与运行控制系统的关系具体表现为以下两个方面：控制关系，车辆的基本功能由运行控制系统根据各相关约束条件进行统一指令控制，车辆本身只提供相应的控制信号传输通道;监视关系，车辆的基本状态由运行控制系统统一监视，这些状态信号是运行控制系统采取决策的依据之一。

1）与安全有关的车辆基本控制功能被划分为7类：

a.悬浮功能控制;b.导向功能控制;c.涡流制动功能控制;d.发电与供电功能控制;e.车门功能控制;f.火灾紧急功能控制;g.乘客紧急功能控制。

由车载安全计算机输出的控制指令可能源于三种因素：由运行控制中心或分区控制系统下达的控制指令;由列车驾驶员通过列车操作计算机下达的控制指令;车载安全计算机自主形成的控制指令。

2）与安全有关的车辆基本监控功能，同样也被划分为7类：

a.悬浮功能监视;b.导向功能监视;c.涡流制动功能监视;d.发电与供电功能监视;e.车门控制功能监视;f.火灾紧急功能监视;g.乘客紧急功能监视。

从该渠道获得的安全状态信息将作为运行控制系统决策安全控制指令的依据之一。

三、车载控制单元技术分析

根据上一节对车辆和运行控制系统关系的研究，我们对车载控制单元的功能进行具体的剖析。

车载控制单元向下负责与车辆安全功能有关的命令传递和状态监视。车载控制单元向上提供与车载安全计算机统一的接口。因此，通过车载控制单元，车辆的安全功能可以接受运行控制系统的管理。

1）车载控制单元的任务要求

车载控制单元用于控制和监视车辆的安全功能，这些功能包括：

（1）悬浮功能。要求能够向全部悬浮控制器发送起浮和降落指令，并且可以接受和上传悬浮控制器的工作状态到车载安全计算机。

（2）导向功能。要求能够向全部导向控制器发送启動导向和关闭导向的指令，并且可以接收和上传导向控制器的工作状态到车载安全计算机。

（3）涡流制动功能。要求能够对每个涡流制动单元的制动电流进行8级控制，并可以接受和上传制动单元是否失效和最大制动电流是否满足等涡流制动的状态信号到车载安全计算机。

（4）发电与供电功能。要求能够对受流器的收放功能进行开关控制，可以对车载电网的上电与断电进行开关和逻辑控制，并能够接收和上传受流器与电网的状态信号到车载安全计算机。

（5）车门控制功能。要求能够对左侧车门和右侧车门进行单独开关控制，并能够接收和上传车门的状态信号到车载安全计算机。

（6）火灾处置功能。要求能够接收和上传车厢内部以及夹层结构的烟雾和火灾探测器的输出信号到车载安全计算机，并由相应的电路传递车载安全计算机的处置命令，如关闭车厢隔离门、关闭空调、切断有关电源等。

（7）乘客紧急情况下的处理功能。要求能够接收和上传乘客紧急报警的信号到车载安全计算机。

2）车载控制单元的可靠性安全性要求

由于车载控制单元直接传输车辆安全功能的控制和监视信号，因此，要求车载控制单元以冗余的方式实现。

3）车载控制单元的故障要求

由于车载控制单元直接管理车辆的安全功能，因此，要求车载控制单元的控制过程符合“故障—安全”原则。

由于车载控制单元直接与执行安全功能的设备相连，因此，要求车载控制单元的控制过程符合“故障—隔离”的原则，即某一底层功能设备的故障不会通过车载控制单元影响到其它底层功能设备。

四、结束语

我国对高速磁浮列车车载控制单元的研究处于起步阶段。原因是车载控制单元要以高速磁浮列车的研究作为大的前提和背景。磁浮交通工程是一项浩大的工程，针对磁浮交通的研究和开发也具有开发周期长、投资大回报小的特点。

车载控制单元的主要功能是安全可靠进行信息交换。目前广泛使用冗余技术来提高系统的可靠性安全性。比较成熟的系统模型有双机热备系统、三模冗余系统和二取二乘二系统。一般来说，随着系统复杂程度的增加，系统的可靠度会减小，安全度会增大。但过于复杂的系统给实现也带来了困难。现有的车载控制单元多采用双机热备技术实现，这样的系统具有结构紧凑、实现相对简单等优点，但有时安全性可能难以满足要求。所以，高安全性、低成本的车载控制单元仍是未来的研究方向。

【参考文献】

[1] 吴祥明. 磁浮列车[M]. 上海. 上海科学技术出版社. 2003.3.2-4

[2] 张建民.浅谈引进国外设备应把握的几项内容，铁道通信信号.2002，38（2）：42～42.