高速磁浮列车运行控制系统列车定位的安全分析*

陈义军 徐中伟 赵华华 李章杨 楚彭子

(1.同济大学磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海；2.同济大学电子与信息工程学院，201804，上海；3.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海∥第一作者，高级工程师)

列车安全定位必须保证提供正确的列车位置信息，并具有高精密度[1]。与传统轮轨列车不同，高速磁浮列车使用了长定子直线电机驱动列车运行，故其通过检测长定子直线同步电机的齿槽数来获取相对位置信号，并通过检测轨道旁固定位置的定位标志板获取绝对位置信号，再将这两类信号结合形成完整的定位信息[2]。

高速磁浮列车的定位系统通过冗余接口通道发送到列车运行控制系统的原始定位数据，必须经过安全防护，以满足速度曲线监控、停车点步进及强制停车等安全行为的需要。

从对磁浮列车定位技术的既有研究[2-10]来看，高速磁浮列车运行控制系统列车定位的安全分析尚缺乏系统性研究。本文主要通过故障树的方法，刻画高速磁浮列车运行控制系统列车定位的安全模型，并详细分析安全模型涉及的主要安全防护过程。

1 列车运行控制系统与车辆定位系统的接口关系

磁浮列车的两节端车都有1套独立的定位系统.每套定位系统包括4个独立的定位通道，共同构成冗余结构。列车运行控制系统的车载子系统在两节端车各有1台VSC(车载安全计算机，即VSC1和VSC2)，构成主备关系，并分别与1套定位系统对接。

VSC与每1个定位通道之间的通信方式是全双工串行通信接口。定位通道通过串行接口将定位信息传送给VSC。VSC对这些多通道定位数据进行校验处理后得到唯一、准确、安全的定位数据，再传送给列车运行控制系统的地面子系统。

每个定位通道包括1个用于获取相对定位信号的齿槽计数器，1个用于获取绝对定位信号的定位标志板读码器及1个用于向VSC传输定位数据的ORT(定位电子部件)。每个VSC均与4个定位通道相连。VSC与单个定位通道的接口关系如图1所示。

图1 VSC与单个定位通道的接口关系

2 建立安全模型

本文采用故障树的形式，以定位系统不安全事件作为顶事件，建立安全模型，如图2所示。对列车运行控制系统的VSC而言，判断定位系统处于安全状态的2个基本条件是：必须成功完成插入运行，且有效定位通道数大于1。

图2 列车运行控制系统列车定位的安全模型

定位系统中不安全状态所涉及的事件如表1所示。

表1 定位系统中不安全状态所涉及的事件

3 主要安全防护过程

3.1 行车方向信息的校验

VSC对行车方向信息的校验是通过检查线路相关的行车方向、列车朝向及车辆相关的行车方向是否一致来实现的。

VSC从ORT定位数据中获取线路相关的行车方向。线路相关的行车方向与参考位置的变化有关。参考位置里程增加的方向为线路方向相关的正方向，反之则为负方向。

列车朝向作为车辆参数数据，由列车运行控制系统在登录列车时指定，并由VSC保存。列车朝向指的是端车1的朝向，分为正方向和负方向。若端车1所在的里程大于端车2所在的里程，则列车朝向为正方向；反之，则为负方向。

车辆相关的行车方向由VSC从列车运行控制系统分区发送的设置列车运行方向命令中得到。车辆相关的行车方向指驾驶方向：端车1向前行驶为行驶方向向前，用DD1表示；端车1向后行驶为行驶方向向后，用DD2表示。

车辆相关的行车方向、列车朝向及线路相关行车方向的对照表如表2所示。

表2 行车方向对照表

3.2 速度信息的校验及计算

VSC根据4个相关联的ORT定位通道接收到的速度信息来确定车辆运行速度。通过判断速度值是否位于安全速度范围内，对每个ORT定位通道所接收速度信息进行校验。

安全的速度范围由最小车辆运行速度vmin和最大车辆运行速度vmax来确定，可能的实际速度则称之为公称速度vnom。对速度信息的校验主要是检验vnom是否位于[vmin,,vmax]，如图3所示。其中，vmax和vmin是根据前一个测量周期对应的速度值，以及最大车辆加速度或最大制动加速度作线性外推(extrapolation)得到的。

图3 速度范围的确定

对1个ORT通道而言，如果速度值不在安全速度范围内，则标记通道失效。当VSC将各定位通道的速度组合起来形成vnom时，失效的ORT通道将不参与计算。

3.3 参考位置信息的校验

在列车经过一组定位标志板时，由ORT中的读码器读取定位标志板的代码信息，然后作为参考位置的代码信息。

在预定进路时，VSC保存相关的参考位置集合，然后VSC根据当前位置确定校验用的参考位置。对参考位置的校验就是判断确定出的参考位置与期望的参考位置是否相符，如图4所示。

图4 参考位置与相对位置

当车辆通过参考位置时，VSC根据4个ORT定位通道的数据生成参考位置代码。当ORT开始上电时，参考位置的代码为0。ORT需要完全通过定位标志板才会更新参考位置代码，在没有经过新的定位标志板的时候，发送上一次的参考位置代码。当有效的“故障-安全”定位通道通过相同的参考位置时，就称之为参考位置同步化，从而这个参考位置成为有效的参考位置。

在列车运行过程中，列车的一部分ORT通道在完全经过定位标志板后更新其参考位置，而另一部分ORT通道未经过定位标志板，仍为原参考位置。所以对该列车用于校验的参考位置应包含当前参考位置信息和下一参考位置信息。需判断ORT参考位置应为前一参考位置或下一参考位置；若满足该条件，则该参考位置有效，否则标记定位数据无效。

3.4 相对位置信息的校验

ORT发送的相对位置数据以齿槽计数的形式表示。1个齿槽的长度是固定的(上海磁浮列车示范运营线为86 mm)。列车经过1组定位标志板后，齿槽计数会清零。相对位置代表列车在进路方向离开上一个定位标志板的距离，如图4所示。VSC对相对位置信息的校验是需要为每个ORT通道计算2次测量瞬间的列车实际位移，再判断该位移是否在处于1个安全区间内。

列车相对位移范围的确定如图5所示。令dnom表示公称距离，dmax表示允许的最大距离，dmin表示允许的最小距离，列车相关的运行方向为DD1。

图5 列车相对位移范围的确定

计算dnom需获取2次测量瞬间的列车位置信息。鉴于参考位置为定位通道安装位置的偏移距离，故需要将参考位置信息换算为列车中心点的绝对位置：

式中：

P——列车中心点的绝对位置，为非负数；

Pinit——初始列车登录位置或重定位时列车中心点的绝对位置，为非负数；

Plrf——定位标志板中心点对应的绝对位置，通过配置的工程数据查表获取，为非负数；

Sr——相对位移，且Sr=相对位置齿槽计数×86 mm；

Sort——ORT定位通道的安装位置到车辆中心的距离，每个定位通道的Sort值是固定的；

Sd——由定位延时造成的列车位置偏差；Sd为列车速度乘以定位延时；当线路相关行车方向为正方向时Sd为正值，反之则Sd为负值。

Sort的正负取决于车辆朝向及ORT定位通道所属的端车；对于位于端车1的ORT，如果列车朝向为正，则采用正号，否则采用负号；对于位于端车2的ORT，如果列车朝向为正，则采用负号，否则采用正号。

假设在上一个测量周期的绝对位置为P0，当前的测量周期的绝对位置为P, 则：

dnom=|P-P0|

判定数据有效性的检查条件为：dnom必须属于速度的安全区间[dmin,dmax]，P-P0的正负符号必须与线路相关行驶方向的正负符号相同。其中，dmin=vminΔt，dmax=vmaxΔt，vmax和vmin分别是从速度信息校验过程中获取的最大速度值和最小速度值，Δt为2次测量瞬间的时间差。

若出现无效数据，则将产生该无效数据的定位通道标记为无效定位通道。VSC判定数据的有效性后，有效定位通道的数据平均值即为最终的列车中心点的绝对位置P。

3.5 插入运行

在插入运行时，车辆必须通过并检测2个参考位置。在检测到第2个参考位置之前，还必须至少改变1次运行方向。这是为了查看方向确定功能是否已经失效。

插入运行有3种实现方式，如图6所示[8]。

图6 插入运行的实现方式

4 结语

对高速磁浮列车运行控制系统而言，列车定位功能是行车安全的关键性功能，其对磁浮列车的安全运行有着至关重要的影响。

车辆定位系统产生的定位信息只有在经过列车运行控制系统的安全检验后，才能保证位置信息、速度信息和行驶方向等定位信息是可信的。列车运行控制系统对定位信息中行驶方向信息的校验是通过车辆相关行车方向、线路相关行车方向及列车朝向来完成的，对速度信息的校验是通过判断速度值是否位于安全速度范围内来完成的，对参考位置信息的校验是判断确定出的参考位置与期望的参考位置是否相符来完成的，对相对位置信息的校验是通过检查列车的位移是否处于一个安全区间内。

总之，只有满足足够数量的有效定位通道，并且成功完成插入运行的条件下，高速磁浮列车运行控制系统才认为定位系统处于安全状态，其生成和使用的定位数据是安全的、可信的。