京廣高速鐵路CAN通信冗余問題分析

摘要：京廣高速鐵路軌道電路接收器通過CAND、CANE向軌道電路通信盤傳輸“狀態數據幀”，再經過CANA、CANB傳輸給列控中心，列控中心以此為依據判斷軌道電路“占用”和“空閑”。在京廣高鐵聯調聯試期間發現，若通信盤A與軌道移頻柜通道中斷，列控顯示該移頻柜軌道電路全部“紅光帶”。文章對該現象的原因進行了分析并提出了相應的對策。

關鍵詞：CAN通信冗余；狀態數據幀；列控中心；軌道電路通信盤；紅光帶；京廣高速鐵路 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP336 文章編號：1009-2374（2015）14-0121-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.060

1 京廣高鐵ZPW2000軌道電路CAN通信原理

1.1 京廣高鐵ZPW2000軌道電路特點

客運專線采用的是CTCS-3級列車控制系統，其設計時速在300～350km/h，軌道電路仍然承擔著列車占用檢查和后備系統行車許可的重要作用。由于在既有鐵路上ZPW-2000軌道電路運用的很成熟，其技術特點和應用環境也十分符合中國國情。因此，在既有ZPW-2000軌道電路的基礎上，針對客運專線列車運行速度快、列車制動距離長、列車追蹤時間短的特點，研制出了客專ZPW-2000軌道電路，它保留了既有ZPW-2000軌道電路的優點，并針對客運專線的應用進行了適應性改進。

在技術層面上，列控系統通過采集管轄所有閉塞分區軌道繼電器狀態和相鄰列控系統傳送的信息集中進行編碼，再通過CAN總線將編碼信息傳送給發送器，同時采集接收器狀態與軌道繼電器狀態進行一致性比對校驗，因此客專ZPW-2000軌道電路對發送器、接收器增加了CAN通信功能，這也是其最具特色的設計。除此之外，客專ZPW-2000軌道電路優化了補償電容配置，增加了監測和自診斷功能，加大了空心線圈的導線線徑，確保系統更適應客專需求、更便于電務人員維護和操作。

1.2 CAN通信原理及邏輯關系

CAN通信技術實現了無接點低頻編碼和載頻集中控制，這是客專ZPW-2000軌道電路的技術革新。其中通信接口板用來實現列控中心與軌道電路CAN總線通信協議間的互換。如圖1所示，CANA、CANB用于和列控中心主機的數據交換，CANC將發送器、接收器的相關數據參數（功出電壓、功出電流、接收入口主軌道電壓、接收入口小軌道電壓等）發送給微機監測主機，CAND、CANE用于和移頻軌道電路的主備發送器、接收器交換

數據。

圖1 CAN通信原理圖

CAN總線通信采用分時間片，主從式同步傳送方式，即只允許列控中心主機向列控中心主機或向軌道電路通信盤發送數據，或由軌道電路通信盤向列控中心主機發送數據，不允許軌道電路通信盤之間傳輸信息。列控中心主機生成“編碼數據幀”和同步幀，編碼數據幀是指控制發送器輸出信號的載頻編碼數據和低頻編碼數據，同步幀沒有數據用于系統同步，二者都是經由軌道電路通信盤轉發給發送器。接收器生成“狀態數據幀”，即軌道區段當前的占用或空閑信息，通過軌道電路通信盤轉發給列控中心，列控中心通過CANA、CANB與軌道電路通信盤接口，每個軌道電路移頻柜使用一對軌道電路通信盤，軌道電路通信盤通過CAND、CANE與軌道電路移頻柜通信。列控中心A、B系冗余配置，軌道電路通信盤成對冗余配置，CANA與CANB互為冗余，CAND與CANE互為冗余。同時，列控中心A系和B系、成對配置的通信盤、接收器均為雙CPU校驗。例如，發送器狀態數據幀的輸出根據故障-安全原則，接收器故障時按“占用”狀態輸出，且只有CPU1、CPU2同時輸出“空閑”狀態，系統才輸出“空閑”狀態，但是為保證系統的可靠性，主并機只要有一個輸出空閑，結果就輸出空閑狀態。狀態數據幀結果=（CPU1主∩CPU2主）∪（CPU1并∩CPU2并）。

2 京廣高鐵CAN通信“假冗余”問題分析

2.1 CAN通信冗余設計原理

根據CAN通信的連接方式，通信盤A和通信盤B均應向CANA、CANB發送數據，CANA或CANB僅一路通信中斷不影響系統的正常使用。而且，根據《客專列控中心與軌道電路接口規范（報批稿）》4.6.1中規定“若不能從某一通道接收到有效數據時，應自動采用冗余通道接收的數據”。

通信板A的CAND和通信板B的CANE連接主發送器和單數接收器，且兩路CAN通道互為備用；通信板A的CANE和通信板B的CAND連接備發送器和雙數接收器，且兩路CAN通道互為備用。通信接口板與移頻接口柜的通信連接情況，由于發送器“1+1”備用，接收器互為并機，因此兩路CAND和兩路CANE有一路可用即可正常CAN通信。

綜上所述，列控中心與軌道接口盤主用CANA通道，若CANA通信故障，則可通過CANB發送、接收數據。同時，軌道接口盤與軌道電路移頻柜間四條CAN通道（兩條CAND，兩條CANE），只要有一條通道通信正常，則數據可正常傳輸，不會導致軌道紅光帶。

2.2 CAN通信“假冗余”問題分析

京廣高鐵聯調聯試期間，通過列控功能試驗和聯鎖試驗發現：通信盤A與軌道移頻柜通道中斷，即主通道中斷時，列控顯示該移頻柜軌道電路全部“紅光帶”。但是，若通信盤B與軌道移頻柜通道中斷，則設備通信正常不會發生軌道電路“紅光帶”的故障。于是，立即組織對現場CAN通信連接方式及相關配線、板卡進行檢查和分析，發現CAN通信連接方式正確，檢查各部板卡也未發現問題。由此得出結論，京廣高鐵CAN通信系統硬件配置及連接方式符合可靠性設計要求，但是其內部軟件的邏輯處理方式卻未考慮冗余設置，導致主通道中斷就會發生軌道區段“紅光帶”故障。換而言之，即CAN通信冗余設置“表里不一”，可稱之為“假冗余”。

通過軟件邏輯分析，當軌道電路通信盤與移頻柜主通道中斷時，即軌道電路通信盤A與軌道電路移頻柜通信故障，按照目前軌道電路的處理方式，通信盤通過CANA、CANB發送至列控中心的信息包仍都為有效信息包，只是CANA中區段狀態為通信故障。根據《客運專線列控中心列控與軌道電路接口規范（報批稿）》第4.5.2節，列控中心需將區段故障處理成占用狀態。但該接口規范中并未規定在軌道電路上傳的CANA、CANB數據不一致的情況下，列控中心該如何處理。

京廣高鐵列控中心與通信盤A、B均為通信正常且數據校驗正確的情況下，列控中心使用CANA數據進行邏輯判斷，在綜合GJ狀態后，判斷區段是“空閑”還是“占用”狀態。同時，發現目前的通信盤配置為“通信盤A僅向CANA發送數據，通信盤B僅向CANB發送數據。因此，當斷開通信盤A盤與移頻柜的連接時，由于通信盤A收不到軌道電路狀態數據，會向CANA發送軌道電路通信故障狀態。列控中心收到CANA中的通信故障數據后處理為“占用”狀態，確認為有效數據，并不使用CANB的正常數據，且此時采集GJ狀態為“空閑”狀態，則造成列控中心認為“驅動采集不一致”故障，導致軌道“紅光帶”發生。

3 改造方案及建議

解決京廣高鐵“假冗余”問題，僅需要修改“狀態數據幀輸出邏輯關系”即可，而不用修改任何硬件配置，即正常情況下CANA為主用通道，列控中心以CANA通信數據為準，當CANA通信故障時，則以CANB通信數據

為準。

由于《客運專線列控中心列控與軌道電路接口規范》中沒有明確：“軌道電路上傳的CANA、CANB數據不一致的情況下，列控中心該如何處理。”造成列控中心生產廠家處理方式不一，從而片面的提高其系統的安全性，只要主通道故障就判斷為系統故障，大大降低了系統的可靠性。因此，為了杜絕類似問題重復發生，建議明確CANA/B總線冗余處理邏輯，修訂《客運專線列控中心列控與軌道電路接口規范》，修改列控中心通信數據處理方式，并增加關于對CANA、B數據進行冗余處理的原則說明。

4 結語

京廣高鐵CAN通信“假冗余”問題，違背了區間軌道電路的冗余設置原則，大大降低了系統運行的可靠性，一旦發生故障造成大范圍軌道紅光帶故障，而且查找較為困難。因此，必須明確CANB通道為主用通道CANA的冗余通道，確保系統的通道冗余特性。

參考文獻

[1] 鐵道部.客運專線列控中心列控與軌道電路接口規范[S].2009.

[2] 王瑞.CAN總線在列控地面系統中的應用和設計[J].鐵路通信信號工程技術，2008，（6）.

作者簡介：徐寧（1983-），男，河北石家莊人，供職于北京鐵路局石家莊電務段，研究方向：高速鐵路自動化技術。

（責任編輯：黃銀芳）