ITCS-K冗余結構車載系統架構分析

周 欣 卡斯柯信號有限公司

1 引言

增強型列車控制系統 (ITCS,Incremental Train Controlsystem)是以車載信號作為列車運行的主體信號，將無線通信、GPS定位、虛擬閉塞等技術融為一體的列控系統。ITCS系統由車載設備、中心設備、軌旁設備三部分組成，三者之間通過數字通信網絡平臺實現數據交換。ITCS系統于1994年開始研發，1998年試運行，2000年正式投入商業運行，2005年引入到青藏線格拉段中運行。

ITCS系統利用既有ATP地面信號系統的電子設備監測線路中的狀態，并將監測到的信息以無線通信的方式發給車載設備。車載設備對接收到的信息進行綜合處理后，在人機交互單元上實時顯示列車運行的各種參數。如果車載設備監測到列車超速，則立即觸發懲罰性制動，使列車停車，從而保證行車安全。

2 ITCS列控系統適用范圍及特點

ITCS列控系統取消了軌道電路、應答器等設備，使現場設備的數量大大減少，不僅降低了系統的初始投資，還降低了后期的運行維護費用及工人的工作量。與既有列控系統相比，ITCS系統在資源配置、系統功能、設備簡化等方面具有最佳的性價比，適用于海拔高、氣壓低、環境惡劣等情況下的單線、低密度線路中。

ITCS列控系統能提高列車的運行時速，進而縮短列車運行的間隔，在保證行車安全的前提下實現旅客列車與貨物列車及不同速度等級間的列車混跑。ITCS列控系統具有結構簡單，可靠性高的優點，易于實現小站無人化管理；采用無線通信方案傳輸相關信息，提高抵御自然災害的能力，具有較強的環境適應性；采用完善的差錯控制技術和高精度經緯度計算方法，易于實現列車的精確定位，與國產計算機連鎖系統有良好的兼容性。

3 ITCS-K型車載設備的系統架構

既有ITCS車載設備屬于單套設備，當設備出現故障時會直接影響行車安全和行車效率。因此，需要在繼承既有ITCS車載設備功能的前提下，增加多串口轉換單元，并對其硬件架構及接口進行升級改造，使之成為具有冗余結構ITCS-K型雙套車載設備。

ITCS-K型雙套化車載設備主要由安全計算機(EuroVital Computer,EVC)、列車接口單元(Train Interface Unit,TIU)、車載數據記錄單元 (Data Record Unit,DRU)、人機交互界面(Driver Machine Interface,DMI)、速度傳感器、加速度傳感器、多串口轉換單元（RIOM）、組合導航模塊（GNSSIMU）及天線、衛星導航模塊（GNSS）、列尾裝置 (Head of Train Controller,HOTC)等部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 車載系統的架構圖

3.1 EVC

EVC是作為車載設備的核心控制單元，上電后能以一定的周期從速度傳感器、加速度傳感器、RIOM等單元獲取相應的信息。在此基礎上，根據機車類型、列車類型等參數進行運算，生成動態的速度監控曲線，并在DMI上顯示該曲線。司機根據動態速度監控曲線行車，必要時可自動輸出懲罰性制動，確保行車安全。

3.2 DMI

DMI是司機與車載設備之間的交互接口，采用Profibus總線與EVC進行數據交換。在發車測試和完整性測試過程中，可通過DMI將機車類型、列車類型、車長等必要的參數輸入到EVC中；在列車運行過程中，以文本、語音、圖形等方式向司機顯示列車當前速度、允許速度、目標距離、報警信息等內容。DMI顯示的內容應遵守《CTCS-2/3級列控車載設備人機界面（DMI）顯示暫行規范》（鐵總運[2014]30號）中的規定。

3.3 TIU

TIU作為EVC和列車之間的接口單元，由不同的繼電器組成。列車在運行過程中，EVC可通過TIR單元將相應的控制命令傳給列車單元，同時，列車運行時的狀態信息可通過TIR單元傳送給EVC。

3.4 速度傳感器

速度傳感器一般安裝在列車的非動力軸上，可將車輪轉動的線速度轉為相應頻率的電信號，然后輸送給EVC。為了ITCS系統的可靠性，一般需要采用兩個速度傳感器。

3.5 加速度傳感器

加速度傳感器安裝在機柜底部的合適位置，用來測量列車的加速度。當列車加速度出現異常時，EVC需要對列車的速度做相應的處理。當列車處于加速階段，如果加速度超過最大可能加速度時，則EVC認為列車出現空轉現象，此時速度傳感器需要輸出補償后的速度；當列車處于減速階段，如果減速度超過最大可能減速度，則EVC認為列車出現打滑現象，此時速度傳感器需要輸出補償后的速度。

3.6 數據記錄單元

為分析記錄車載設備的運行狀態及司機駕車的過程，需用DRU記錄車載設備運行時的各種參數，主要包括車載設備的工作模式及狀態、車載設備與地面設備之間的交互信息、以及司機的操作等信息。DRU與EVC通過Profibus總線進行數據交換。

3.7 RIOM單元

RIOM用于實現與HOTC、GNSSIMU、GNSS等設備的串口通信功能。同時，RIOM將接收的GNSSIMU信息按照相應的通信協議進行重新組合，發送給EVC中的SDMU單元。

4 ITCS-K型車載設備的特點

4.1 EVC

既有車載中的車載計算機采用2取2的架構，任一通道出現故障，會立刻宕機，從而導致列車停車。而在ITCS-K型車載設備中，EVC采用3取2的設計架構(每個通道軟硬件結構完全相同，3個通道間具有互相監控以及失效通道隔離的功能)，通道間通過交換數據和輸入信號的軟件表決實現同步功能，輸出進行3取2的硬件表決，數據處理過程如圖2所示。如果任意一個通道發生故障，而其余兩個通道的輸出結果一致，EVC在低可用性下繼續工作，從而使列車繼續正常行駛，不同情況下，EVC的工作情況如表1所示。

圖2 EVC數據處理過程示意圖

表1 不同情況下EVC的工作情況

4.2 RIOM

ITCS-K車載設備默認使用RIOM-A進行串口通信，而RIOM-B為備用設備。因此，RIOM具有冗余結構，使單套車載設備升級為雙套車載設備。當RIOM-A出現故障時，通過FILIO板自動切換到RIOM-B。車載設備在工作過程中，EVC以3s為周期檢測RIOM心跳幀。如果任意周期內未檢測到RIOM的心跳幀，則認為該RIOM發生故障。車載設備上電后要檢測EVC是否與RIOM建立通信，在一定時間內是否收到HOTC、GNSS、GNSSIMU和EMRM的信息。RIOM切換及工作流程如圖3所示。

圖3 RIOM工作流程圖

4.3 DMI

既有ITCS車載設備采用緊湊型機車顯示器(LCD)作為人機交互單元，數據輸入比較麻煩，顯示內容及信息相對簡單，且每次發車測試時均需要對LCD進行檢測。在ITCS-K型車載系統中，采用基于帶GEODE處理器的單機版個人電腦作為人機交互單元，通過19個實體短程按鍵輸入相關數據，采用10.4吋液晶顯示屏（CLD）顯示豐富的內容及信息，且發車測試過程中不需要做DMI檢測。

4.4 DRU

既有ITCS車載設備的運行狀態記錄在CMU中，僅能以文本形式顯示。而ITCS-K型車載的數據則記錄在獨立的數據記錄單元DRU中，符合EN50155的標準，后期數據處理時能采用可視化數據分析軟件。

5 結束語

本文介紹了ITCS系統的適用范圍及特點，在此基礎上重點介紹了ITCS-K型車載設備的系統架構，以及車載設備與既有設備的區別。與既有ITCS車載設備相比，ITCS-K型車載設備具有如下優點：（1）采用具有3取2功能的EVC，提高了車載設備的可靠性。（2）采用DMI作為人機交互界面單元，可以簡化數據的輸入過程，顯示更加豐富信息。（3）具有冗余結構的RIOM使既有車載設備升級為雙套ITCS-K車載設備。(4)DRU極大方便了后續數據的分析與處理。