高速磁悬浮列车车辆热冗余车载控制系统

1.一种高速磁悬浮列车车辆热冗余车载控制系统，在首车(I)和尾车(N)分别配置有列车级第一车载安全计算机(I)和第二车载安全计算机(II)，每节车(i)配置有两个车辆级第一车载控制单元(i1)、和第二车载控制单元(i2)，其特征在于每节车(i)还配置了一个电缆分配单元(i3)，该电缆分配单元(i3)一端连接第一车载控制单元(i1)和第二车载控制单元(i2)，另一端连接底层功能设备，包括悬浮(i4)、导向(i5)、制动(i6)、供电(i7)、车门(i8)、火灾处理(i9)、乘客紧急报警(i10)的功能设备；相邻车(i)之间相应的第一车载控制单元(i1)和第二车载控制单元(i2)分别以第一级联总线(3)和第二级联总线(4)的方式连接；首车(1)的第一车载控制单元(11)和第二车载控制单元(12)还与第一车载安全计算机(I)相连，尾车(N)的第一车载控制单元(N1)和第二车载控制单元(N2)还与第二车载安全计算机(II)相连。
2.根据权利要求1所述的高速磁悬浮列车车辆热冗余车载控制系统，其特征在于：所述第一车载安全计算机(I)、第二车载安全计算机(II)采用三选二的容错体系配置，并实行同步运行，第一车载安全计算机(I)和第二车载安全计算机(II)之间自动切换。
3.根据权利要求1或2所述的高速磁悬浮列车车辆热冗余车载控制系统，其特征在于所述底层功能设备(i4、i5、i6、i7、i8、i9、i10)与第一级联总线(3)和第二级联总线(4)之间具有光电和电气隔离。

高速磁悬浮列车车辆热冗余车载控制系统\n技术领域\n：本发明与高速磁悬浮车辆有关，特别是一种高速磁悬浮列车车辆热冗余车载控制系统。\n背景技术\n：车载控制系统用于控制和监视车辆的安全功能。车载控制系统向下负责与车辆安全功能有关的命令传递和状态监视。车载控制系统向上提供与车载安全计算机的统一接口。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，并且可以接收和上传悬浮控制器的工作状态到车载安全计算机。\n(2)导向功能要求能够向全部导向控制器发送启动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。\n(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，并可以接收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。\n(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，并能接收和上传受流器与电网的状态信号到车载安全计算机。\n(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，并能接收和上传车门的状态信号到车载安全计算机。\n(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。\n(7)乘客紧急报警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。\n对于以上7个方面安全功能的控制必须万无一失，车载控制的失效将直接导致车辆安全功能的失控，从而影响车辆系统的安全。\n目前德国TR08车辆的基本车载控制方案是：首车和尾车各配置1台列车级的安全计算机，安全计算机采用三选二的容错体系结构。每节车配置了2个车辆级的车载控制单元。它们与安全计算机通过总线级联的方式传递信号。车载控制单元向下直接与低层设备连接。通过“先入为主”的方式确定主控安全计算机，即列车操作员先登录的安全计算机为主控安全计算机。对底层设备的控制命令总是由主控安全计算机发出，通过级联总线和车载控制单元传递到底层受控设备。底层设备的状态信号通过车载控制单元和级联总线，总是传送到首车的车载安全计算机。\n这种方案可以满足一般情况下的车载控制要求，但存在如下问题：①主控安全计算机是通过人工登录的方式确定的，也就是说，在主控安全计算机失效的条件下，主控权不能够自动实时地切换到另一台安全计算机，这将导致车辆安全功能的完全失控；②受其车载控制单元电路设计的限制，底层设备的状态信号只能传送到首车的车载安全计算机，故当首车的车载安全计算机失效后，运行控制系统将无法获得车辆安全功能的状态信号。\n发明内容\n：本发明要解决的技术问题包括：①通过同步运行技术确保主控权可以在首车安全计算机和尾车安全计算机之间自动实时切换，我们称这一特点为热冗余；②通过双向总线级联电路，实现底层设备状态信号的双向传递，保证首尾安全计算机均可以得到底层设备的安全状态信号；③通过电气隔离电路，使车载控制系统的控制过程符合“故障——隔离”原则，即某一底层功能设备的故障不会通过车载控制系统影响到其它底层功能设备。\n本发明的技术解决方案：一种高速磁悬浮列车车辆热冗余车载控制系统，在首车和尾车分别配置有列车级第一车载安全计算机和第二车载安全计算机，每节车配置有两个车辆级第一车载控制单元和第二车载控制单元，其特点在于每节车还配置了一个电缆分配单元，该电缆分配单元一端连接第一车载控制单元和第二车载控制单元，另一端连接底层功能设备，包括悬浮、导向、制动、供电、车门、火灾处理、乘客紧急报警的功能设备；而且相邻车之间的相应的第一车载控制单元和第二车载控制单元分别以第一级联总线和第二级联总线的方式连接；首车的第一车载控制单元和第二车载控制单元还与第一车载安全计算机相连，尾车的第一车载控制单元和第二车载控制单元还与第二车载安全计算机相连。\n上述车载安全计算机采用三选二的容错体系配置，并实行同步运行，两车载安全计算机之间自动切换。\n上述底层功能设备与级联总线之间具有光电和电气隔离。\n附图说明\n：图1是本发明高速磁悬浮列车车辆热冗余车载控制系统硬件结构框图；图2是本发明车载控制系统的命令信号流程图；图3是车载控制系统的状态信号流程图。\n图中：I-第一车载安全计算机          II-第二车载安全计算机1-首车          N-尾车        i-第i节车i1-第i节车第一车载控制单元    i2-第i节车第二车载控制单元i3-第i节车电缆分配单元i4-第i节车悬浮设备            i5-第i节车导向设备i6-第i节车制动设备            i7-第i节车供电设备i8-第i节车车门控制设备        i9-第i节车火灾处置设备i10-第i节车乘客紧急报警设备   3-第一级联总线4-第二级联总线  其中i＝1、2……N具体实施方式：先请参阅图1，本发明高速磁悬浮车辆热冗余车载控制系统，在首车1和尾车N配置有列车级第一车载安全计算机I和第二车载安全计算机II，每节车i配置有车辆级第一车载控制单元i1和第二车载控制单元i2，每节车i还配置了一个电缆分配单元i3，该电缆分配单元i3具有本质冗余特性，该电缆分配单元i3一端连接第一车载控制单元i1和第二车载控制单元i2，另一端连接各功能设备：悬浮设备i4、导向设备i5、制动设备i6、供电设备i7、车门控制设备i8、火灾处置设备i9和乘客紧急报警设备i10；相邻车i之间的相应的第一车载控制单元i1和第二车载控制单元i2分别以第一级联总线3和第二级联总线4方式连接；首车1的第一车载控制单元11和第二车载控制单元12还与第一车载安全计算机I相连，尾车N的第一车载控制单元N1和第二车载控制单元N2还与第二车载安全计算机II相连。\n所说第一车载安全计算机I和第二车载安全计算机II采用三选二的容错体系配置，确保二台计算机正常工作，同时首尾车第一车载安全计算机I和第二车载安全计算机II实行同步进行，并且有软件控制，使第一车载安全计算机I和第二车载安全计算机II之间自动切换，保证运行可靠。\n基于上述体系结构的车载控制系统具有如下特点：①任何由车载安全计算机发出的命令信号都存在2条独立的通道到达底层功能设备，任何底层功能设备的状态信号都存在2条独立的通道到达车载安全计算机。\n②级联的方式确保了车载控制单元在功率消耗方面只作为本节车的负载，增加列车的编组数不会增加车载安全计算机的直接负载，因此，车载控制系统对编组数目没有约束。\n③车载控制系统仅在端部车和车载安全计算机有数字接口，这确保了车辆安全功能控制与运行控制系统之间界面的清晰，也确保了车辆安全功能控制的统一性。\n④通过把车载控制系统与车载安全计算机的数字接口转换到具有操作界面的调试设备，可以获得车辆系统的自治性调试，这对于大型系统的集成十分重要。\n第一车载安全计算机I与第二车载安全计算机II为热冗余同步体系结构，具体特点是：(1)在第一车载安全计算机I与第二车载安全计算机II均正常的条件下，由第一车载安全计算机I负责对车载控制系统实施管理，但第二车载安全计算机II的软件系统(包括数据)与第一车载安全计算机I的软件系统(包括数据)处于同步运转状态。\n(2)在第一车载安全计算机I失效的情况下，主控权无缝切换到第二车载安全计算机II，即由第二车载安全计算机II负责对车载控制系统实施管理。\n在由第一车载安全计算机I负责对车载控制系统实施管理时，车载控制系统的命令信号流程和状态信号流程分别如图2和图3所示。\n正常情况下，车载安全计算机完成如下功能：①以运行控制中心的命令为基础，通过算法形成对车辆安全功能的底层控制命令；②把车辆的安全状态信号整理归纳，进一步由车载传输计算机等发送给运行控制中心，作为运行控制中心的决策依据之一。二者存在循环依赖关系。\n在车辆与运行控制中心的通讯被中断的时候，车载安全计算机将自主地完成对车辆的安全控制，使车辆在可以达到的最近停车点安全停车。\n车载控制单元：车载控制单元是各节车的信号枢纽，每节车配置2个完全相同的第一车载控制单元和第二车载控制单元。\n车载控制单元具有以下功能：①实现相邻车之间信号的级联，确保本节车的车载控制单元的功率消耗由本节车提供，而非总线提供；②把具有级联特点的总线与本节车的底层设备通过光电原理或互感原理等方式隔离开来，以做到总线与底层设备之间故障隔离；③把需要控制多个相同底层设备的同一总线信号实施合理的分配；④完成总线信号和底层设备输入输出信号的物理匹配，如信号制式、电压电流等级等。\n综上所述，本发明具有如下技术效果：①由于同步运行技术确保主控权可以在第一车载安全计算机和第二车载安全计算机之间自动实时切换，即实现了列车主控安全计算机的热冗余，因此，在一台安全计算机失效的条件下，列车安全功能不会出现失控状态。\n②由于双向总线级联电路实现了底层设备状态信号的双向传递，从而保证第一车载安全计算机和第二车载安全计算机均可以得到底层设备的安全状态信号，因此，在一台安全计算机失效的情况下，运行控制系统仍然可以得到车辆安全功能的全部状态信号。\n③由于设置了电气隔离电路，使车载控制系统的控制过程符合“故障——隔离”原则，即某一底层功能设备的故障不会通过车载控制系统影响到其它底层功能设备。