摘 要：電氣控制系統(tǒng)對(duì)地鐵的高效、平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義，但是目前電氣控制系統(tǒng)存在相應(yīng)速度慢、功耗高等問題，因此本文對(duì)地鐵電氣控制模塊進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)方面，本文以STM32芯片為核心設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了相應(yīng)的算法模型設(shè)計(jì)。最后對(duì)地鐵電氣控制模塊進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果顯示，在本文設(shè)計(jì)的電氣控制模塊下，功耗明顯降低，響應(yīng)速度明顯加快，可以更好地保障地鐵安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：地鐵；電氣系統(tǒng)；控制模塊；仿真測(cè)試

中圖分類號(hào)：U 231" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地鐵在城市交通系統(tǒng)中具有重要作用，不僅是主流公路交通系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，也極大提升了運(yùn)輸效率、節(jié)省了交通系統(tǒng)的占地空間[1]。因此，很多一線城市新一線城市，都在進(jìn)行地鐵建設(shè)或者擴(kuò)大原有地鐵的規(guī)模。地鐵系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包含了車體系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，其中電氣控制是非常關(guān)鍵的組成部分[2]。一方面電氣控制單元，實(shí)現(xiàn)了各種形式能量和電能間的轉(zhuǎn)換，另一方面電氣控制輔助其他子系統(tǒng)完成預(yù)定的操作，有力地支撐了地鐵運(yùn)輸任務(wù)的完成[3]。因此，本文設(shè)計(jì)了地鐵系統(tǒng)的電氣控制模塊和單元，以提高地鐵運(yùn)輸性能和運(yùn)輸效率。具體的設(shè)計(jì)工作包括電氣控制單元的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)以及性能測(cè)試和仿真。

1 地鐵電氣控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

1.1 電氣系統(tǒng)總體功能

地鐵系統(tǒng)的構(gòu)成非常復(fù)雜，涉及車體子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)等。各個(gè)子系統(tǒng)的邊界區(qū)分不嚴(yán)格，在物理空間的架構(gòu)下，各個(gè)子系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)交疊。電氣子系統(tǒng)獨(dú)立為一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)嵌入其他子系統(tǒng)中，例如車體的運(yùn)動(dòng)控制需要電氣電路或某些電氣單元，這樣各個(gè)子系統(tǒng)就形成了交叉。

本文的重點(diǎn)研究對(duì)象是電氣子系統(tǒng)，尤其是電氣控制模塊部分。電氣控制模塊的主要作用是從地鐵控制系統(tǒng)接收控制指令或預(yù)先設(shè)定好的控制程序，并根據(jù)這些指令和程序形成自己的控制機(jī)制，對(duì)電氣模塊、電器元件和電線路進(jìn)行控制，進(jìn)而完成預(yù)定的任務(wù)，因此地鐵電氣控制系統(tǒng)的主要功能既包括和控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，也包括和車體系統(tǒng)進(jìn)行能量交換，其總體功能如圖1所示。

1.2 電氣設(shè)備分類

地鐵系統(tǒng)里常見的電氣設(shè)備包括供配電設(shè)備、照明設(shè)備和通信設(shè)備。地鐵車站的供配電設(shè)備主要包括高壓變電站、配電室和配電箱等。高壓變電站將高壓電網(wǎng)的電壓降低后轉(zhuǎn)換為適用于地鐵車站的中、低壓電能，配電室將高壓電能輸送至車站各個(gè)分配電箱，而分配電箱將電能供應(yīng)給車站內(nèi)部各個(gè)設(shè)備。其中，配電箱主要由進(jìn)線柜、配電柜和儀表柜等組成，其目的在于合理分配電流和保障車站用電安全、穩(wěn)定。

地鐵車站的照明設(shè)備主要包括室內(nèi)照明、室外照明和緊急照明等。室內(nèi)照明主要采用LED燈具和熒光燈具等，以達(dá)到舒適、均勻、高效的照明效果。室外照明主要采用LED投光燈、熒光燈和路燈等，以提供安全、可靠的照明保障。緊急照明設(shè)備則在突發(fā)情況下提供關(guān)鍵的照明服務(wù)，以保證車站投運(yùn)的正常運(yùn)行。

地鐵車站的通信設(shè)備主要包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)等。綜合監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控車站各個(gè)區(qū)域的安全情況，防盜報(bào)警系統(tǒng)能夠在車站內(nèi)發(fā)生突發(fā)事件的情況下及時(shí)預(yù)警、報(bào)警，廣播系統(tǒng)發(fā)布車站內(nèi)各種運(yùn)行狀態(tài)的廣播信息，PIS系統(tǒng)發(fā)布列車運(yùn)行時(shí)刻表、停車位置等相關(guān)信息。

本文對(duì)電氣控制模塊的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)照明、通信等電器設(shè)備的，旨在降低這些設(shè)備造成的電能消耗，并使電氣控制具備實(shí)時(shí)性。

1.3 電氣控制模塊硬件設(shè)計(jì)

為了控制地鐵中的各種電氣設(shè)備，本文給出了電氣控制模塊的硬件設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)以STM32芯片為主。STM32芯片為核心控制器，利用開關(guān)輸入量控制狀態(tài)報(bào)警，并利用開關(guān)量輸出控制一些電氣設(shè)備的啟動(dòng)和停止，此外STM32芯片還與地鐵系統(tǒng)中的觸摸屏、傳感器等保持聯(lián)系，具體的硬件結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

2 地鐵電氣控制模塊的軟件和算法設(shè)計(jì)

地鐵電氣系統(tǒng)以硬件作為控制結(jié)構(gòu)的支撐，還需要配套算法和軟件才能最終實(shí)現(xiàn)控制功能?；趫D2給出的硬件系統(tǒng)框架，需要進(jìn)行的軟件和算法設(shè)計(jì)包括運(yùn)行在STM32芯片上的主控程序軟件、用于傳感器數(shù)據(jù)采集和功能控制的程序軟件、用于觸摸屏顯示和錄入功能控制的程序軟件以及用于電源供電的程序軟件等。各個(gè)程序間的嵌入和連接關(guān)系如圖3所示。

需要指出的是，為了獲得車廂和重要設(shè)備的狀態(tài)信息，地鐵系統(tǒng)會(huì)配置大量傳感器。這些傳感器進(jìn)行信息采集時(shí)通常利用串口總線完成信道建立，以使傳感器和STM32芯片相連接。用于車站信息顯示的電子屏等設(shè)備的顯示數(shù)據(jù)量有限，不需要并行處理，只經(jīng)過串口連接即可。

顯然，地鐵電氣控制模塊最核心的單元是STM32芯片單元，該芯片會(huì)對(duì)各種形式的能量交換進(jìn)行控制，保證實(shí)際發(fā)生功率和各電氣單元額定功率相匹配。該過程的具體形式如公式（1）所示。

（1）

式中：T為地鐵電氣系統(tǒng)工作的持續(xù)時(shí)間系數(shù)；P為地鐵電氣系統(tǒng)所需要的實(shí)際功率大??；t為地鐵電氣系能量交換的某一個(gè)具體時(shí)間點(diǎn)位；K為地鐵電氣系統(tǒng)中兩類功率間的協(xié)調(diào)系數(shù)；Q為地鐵電氣系統(tǒng)所需要的額定功率大小。

車廂內(nèi)的熱量交換是能量交換的一種重要形式，該過程的具體形式如公式（2）所示。

（2）

式中：A為車廂內(nèi)交換的熱量總和；t為熱量交換的某一個(gè)具體時(shí)間點(diǎn)位；p為地鐵車廂內(nèi)的空氣密度；V為地鐵車廂內(nèi)的空氣總體積；C為熱量交換的調(diào)整系數(shù)；D為計(jì)算過程中用到的距離參數(shù)；t1為地鐵車廂內(nèi)熱量交換完成的起始時(shí)間；t2為地鐵車廂內(nèi)熱量交換完成的終止時(shí)間。

3 地鐵電氣控制模塊的性能測(cè)試試驗(yàn)

至此，本文對(duì)地鐵電氣控制模塊進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)、軟件和算法設(shè)計(jì)，并給出了功率匹配、熱量交換等數(shù)學(xué)模型。下文將以試驗(yàn)的形式對(duì)地鐵電氣系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行驗(yàn)證，主要包括2組試驗(yàn)。

第一組試驗(yàn)，在本文設(shè)計(jì)的電氣模塊下，測(cè)試地鐵系統(tǒng)實(shí)際需求功率確定后控制單元的功率響應(yīng)變化曲線，曲線的變化形態(tài)如圖4所示。

以圖4中一個(gè)點(diǎn)的二維坐標(biāo)計(jì)算過程為例，具體計(jì)算方法如下所示。因?yàn)槌浞值臍饬鹘粨Q，引出地鐵空間內(nèi)的空氣密度為p=1.29kg/m3；地鐵車廂的長度為22m，高度為3.8m，寬度為3.0m，可以計(jì)算出地鐵車廂體積為V=250.8m3；熱量交換的調(diào)整系數(shù)C=0.274；地鐵車廂內(nèi)熱量交換完成的終止時(shí)間t2=20s，地鐵車廂內(nèi)熱量交換完成的起始時(shí)間t1=0s；單位時(shí)間內(nèi)車廂內(nèi)交換的熱量總和為2780J，根據(jù)公式（2）可以推導(dǎo)出dt，再將dt代入公式（1）。因?yàn)榈罔F電氣系統(tǒng)所需額定功率為Q=770W，地鐵電氣系統(tǒng)工作的持續(xù)時(shí)間系數(shù)T=1.93，地鐵電氣系統(tǒng)中2類功率間的協(xié)調(diào)系數(shù)K=0.081，根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出當(dāng)t=20s時(shí)系統(tǒng)實(shí)際功率P=755W，所以系統(tǒng)實(shí)際功率需求和額定功率需求并不吻合，仍需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，系統(tǒng)實(shí)際功率曲線需要進(jìn)一步拉升。圖4曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)均按照上述方法進(jìn)行計(jì)算，從而得到整條功率曲線的變化趨勢(shì)。由此可見，本文第2節(jié)所刻畫的模型和闡述公式，是全文理論計(jì)算和功率曲線生成結(jié)果的依據(jù)。

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)實(shí)際發(fā)生功率時(shí)，如果控制模塊能夠及時(shí)響應(yīng)，迅速將功率曲線拉升至需求功率的位置，就證明這個(gè)控制模塊的性能較好。相反地，在控制模塊的作用下，系統(tǒng)功率需要經(jīng)過較長時(shí)間才能拉升至需求功率的位置，就表明該控制模塊的性能較差。

按照上述標(biāo)準(zhǔn)考察本文設(shè)計(jì)的地鐵電氣控制模塊。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際功率需求快速增大時(shí)，電氣控制模塊能做出及時(shí)響應(yīng)，功率跟隨曲線迅速拉升。但是，這種拉升存在一定的誤差，從而導(dǎo)致實(shí)際功率的幅度超過了需求功率的幅度，產(chǎn)生了超調(diào)。但比較理想的是，本文設(shè)計(jì)的電氣控制模塊會(huì)進(jìn)一步對(duì)功率曲線進(jìn)行調(diào)整，從而從超調(diào)的位置回撤，并逐漸與需求功率相吻合。當(dāng)實(shí)際功率和需求功率接近時(shí)，功率曲線就會(huì)保持平穩(wěn)，不再變化。這也間接證明了本文設(shè)計(jì)的電氣控制模塊的硬件、軟件和算法是有效的，可提高地鐵系統(tǒng)的功率響應(yīng)速度。

第一組試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證在本文設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)和控制軟件下，地鐵系統(tǒng)的滿載運(yùn)行功率情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

在這組試驗(yàn)中，本文選擇具有5節(jié)車廂的地鐵作為研究對(duì)象，分別是車廂1、車廂2、車廂3、車廂4和車廂5。在常規(guī)控制的手段下，5節(jié)車廂的滿載運(yùn)行功率均較大，而在本文設(shè)計(jì)的電氣控制模塊控制下，各節(jié)車廂的滿載運(yùn)行功率明顯降低，從而顯著降低了地鐵系統(tǒng)的能源負(fù)荷，也可以達(dá)到節(jié)能目的。

綜合上述2組試驗(yàn)不難看出，本文設(shè)計(jì)的電氣控制模塊和相應(yīng)軟件可使地鐵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)控制、節(jié)能控制，達(dá)到了令人滿意的效果。

4 結(jié)論

地鐵系統(tǒng)的構(gòu)成非常復(fù)雜，涉及車體子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)等。本文針對(duì)地鐵系統(tǒng)的電氣控制進(jìn)行了系統(tǒng)研究和驗(yàn)證。分析了地鐵系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而給出了基于STM32嵌入式電氣控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了與能量交換、熱能轉(zhuǎn)換工作過程對(duì)應(yīng)的算法模型。在試驗(yàn)過程中，以具有5節(jié)車廂的地鐵系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，以常規(guī)控制方法為參照方法，證明了在本文方法的控制作用下，地鐵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速功率響應(yīng)，并且滿載運(yùn)行功率較低，從而取得了良好的節(jié)能效果，可以更好地輔助地鐵運(yùn)行。

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