地鐵車輛LCU冗余技術探討

魏調忠

（佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

廣佛線是城際間的地鐵線路，橫跨廣州、佛山兩市五區，自2010年投入運營以來成為了廣佛兩市間的交通大動脈，為廣佛同城發揮了重要的作用。隨著2018年底全線的貫通運營，客流量也急劇攀升，也給廣佛線的運營提出了更高的要求。

廣佛線目前配屬列車共計有51列，其中一期27列、二期6列，均采用2動2拖編組。廣佛線既有列車低壓控制系統采用傳統繼電器控制的方式，根據功能和應用場景，裝有5個廠家共計16種類型的繼電器，每列車的繼電器數量超過200個，其中有超過600個觸點被使用。

繼電器是列車控制系統的關鍵組成部件，其動作頻繁并缺乏冗余功能，并且長期在高溫、潮濕、振動等環境中工作，故障率高且影響大。廣佛一期列車運營10年以來，平均每年繼電器故障約30起，占列車正線故障的60%，嚴重影響了線路的運營服務質量。由于繼電器屬于被動元件，其不具備故障自檢功能，地鐵運營單位難以有效地對繼電器狀態進行檢測。目前，僅能通過采取每年定期排查，通過按繼電器的重要程度進行分級，采取三年、五年等周期進行定期更換等手段進行計劃性維修，不僅維護工作量大，而且維護成本過高。

為解決廣佛線既有列車繼電器故障高的難點，廣佛地鐵公司在新增購的18列車中采用LCU技術，并充分提升LCU的冗余性能，保障列車低壓控制系統的安全性和穩定性。

1 LCU冗余技術

隨著LCU技術的發展，系統的冗余性能也呈現多樣化。目前，先進的冗余架構主要分為“雙機熱備”、“三取二”和“二乘二取二”等3種方式。

1.1 “雙機熱備”架構

“雙機熱備”系統由2組功能完全相同且可互換的子系統組成，采用同時上電熱備的方式，每個子系統都具有故障檢測和診斷功能，其安全性能等級為SIL2［1］。在運行過程中，2個子系統的運行結果不進行比較，當其中一組出現故障將無縫切換到另一組進行正常工作，降低LCU故障對列車的運行影響，其主要控制結構如圖1所示。

圖1 “雙機熱備”冗余的控制結構圖

1.2 “三取二”架構

“三取二”冗余架構是一種三通道系統，主要由功能完全獨立的3組子系統組成，并在輸出部分加入表決電路，各系統經過邏輯判斷后輸出結果由表決器進行判斷，只要3個子系統中的任何2個的輸出一致，則對外輸出或傳輸運算結果，其安全性能等級為SIL2［2］。

相比“雙機熱備”，“三取二”冗余架構在增設一組控制單元的基礎上增加了運算結果的表決環節，提升了邏輯運算結果的可靠性，其主要控制結構如圖2所示。

圖2 “三取二”冗余的控制結構圖

1.3 “二乘二取二”架構

“二乘二取二”冗余框架是在“雙機熱備”冗余系統的基礎上，通過增設診斷單元形成“二取二”系統，并由兩個“二取二”子系統組成“二乘二取二”冗余框架［3］。

“二取二”子系統是指在一套系統上集成2個處理器單元，嚴格同步，實時比較，只有當2個單元運行一致時，才對外輸出或傳輸運算結果。兩個“二取二”子系統間互為熱備冗余，構成具有更高冗余性能的特殊雙機熱備冗余系統，其安全性能等級最高可達SIL4［4］。其主要控制結構如圖3所示。

圖3 “二乘二取二”冗余的控制結構圖

1.4 三種冗余架構對比分析

從結構原理、故障降級、安全等級和成本等方面看，“雙機熱備”冗余框架能在滿足功能需求的前提下提供了基礎的冗余功能，成本相對較低；“三取二”冗余框架的安全性相對較高，但“三取二”和“雙機熱備”冗余系統由于背板不一致，無法兼容；“二乘二取二”冗余框架同時兼顧了系統的安全性和可靠性，同時可與“雙機熱備”相兼容，但在3個冗余框架中成本最高。

各冗余框架的主要對比如表1所示。

表1 3種冗余架構的對比

2 廣佛線增購列車LCU冗余技術與應用

2.1 廣佛線增購列車LCU方案

目前，國內地鐵列車中應用的LCU一般采用“雙機熱備”冗余設計，具備A、B兩組軟硬件完全一致的子系統［5］。在雙冗余系統中，如果發生邏輯應用功能異常、軟件bug及板卡硬件等偶發故障后，有可能會導致LCU對外的業務功能錯誤，從而影響列車正常運行，迫使列車退出服務［6］。

為降低“雙機熱備”冗余框架失效對列車關鍵控制回路的影響，同時兼顧LCU的可用性和成本，廣佛線增購列車采用“雙機熱備”與“二乘二取二”組合的LCU技術，通過在普通非關鍵的控制邏輯中采用“雙機熱備”的冗余框架，在牽引、制動等關鍵控制邏輯中采用“二乘二取二”的冗余框架，有效地兼顧了系統的安全性和經濟性。如圖4所示。

圖4 廣佛增購列車LCU安裝及網絡拓撲圖

2.2 兼容“雙機熱備”與“二乘二取二”冗余的數字輸入輸出模塊冗余

廣佛線增購列車的LCU采用標準機箱結構，結構上采用3U機箱，如圖5所示。每個LCU機柜設置IO通道120個（輸入68個，輸出52個），其中“二乘二取二”輸入12路，“雙機熱備”輸入56路；“二乘二取二”輸出12路，“雙機熱備”輸出40路。相鄰的兩塊IO板互為冗余，相同類型的IO板卡間有可互換性。

圖5 廣佛增購列車LCU機箱結構

廣佛線增購列車采用“二乘二取二”冗余框架的關鍵控制邏輯，包含牽引制動指令、牽引安全、緊急制動等9個方面，主要控制回路如表2所示。

表2 廣佛線增購列車“二乘二取二”的應用范圍

“二乘二取二”冗余框架設計由4個相互獨立的CPU、輸入輸出模塊等組成控制單元進行邏輯運算，每2個控制單元為一系，每個CPU的運算結果采用二取二的表決方式進行輸出處理，當表決一致時為有效，當表決并不一致時將觸發故障自檢，如表3所示，同時兩個系之間互為雙機熱備冗余［7］。

表3 “二乘二取二”運算真值表

2.3 電源冗余

如圖6所示，每個LCU機箱內配置有兩個冗余電源板，分別給機箱內A／B兩組板卡供電，并共同為所有通信板卡（包含MVB板、ETH板）供電，避免單個電源板卡故障對整個LCU通信系統的影響［8］。兩組電源之間相互獨立，采取獨立的母線供電并設置獨立的空氣開關控制。同時，電源板具有輸出過／欠壓保護、過溫保護、輸出過載保護、短路保護及故障自恢復等功能。

圖6 廣佛增購列車LCU電源冗余結構示意圖

2.4 主控板冗余

每個LCU機箱均設計有2組主控板，分別負責對應組內各板卡狀態的監控，實現邏輯的實時計算、故障保護、通信調度、日志記錄以及維護等功能。如果兩個主控板邏輯運算結果不一致或某個主控板發生故障時，可根據系統的故障檢測情況實時完成A、B組主控板的主從切換，確保LCU運行的安全性和可靠性。

2.5 通信冗余

圖7 廣佛增購列車LCU通信冗余結構示意圖

如圖7所示，LCU機箱內部的網絡采用CAN總線冗余設計，所有的功能板件均帶有兩個獨立的CAN通信模塊，通過背板總線分別連接至兩條相互獨立的CAN總線上。正常工作狀態下，兩路CAN總線同時參與通信。當其中任意一個CAN異常時，系統會維持另一路CAN總線運行，確保數據的正確傳遞。

3 結束語

廣佛線增購列車通過采用LCU替代繼電器進行低壓回路的控制，從根本上杜絕了因繼電器卡滯、接觸不良等異常導致列車控制失效的情況，提升了列車控制電路的可靠性，并很大程度上降低了列車控制回路中全壽命周期的運維成本。

廣佛線增購列車的LCU系統在“雙機熱備”冗余的基礎上，在關鍵邏輯控制中采用更安全的“二乘二取二”冗余框架，避免了溫度異常、電源波動等共因失效導致的系統異常，進一步提升了LCU的安全性和可靠性。此外，廣佛線增購列車的LCU在設計上采用雙電源冗余供電、CAN總線冗余通信等方式，減少了單點故障對系統功能的影響，提升了地鐵列車控制電路的整體可靠性，對提升廣佛線的運營安全和服務質量，以及提升乘客的乘車體驗發揮著重要的作用。