城市軌道和高速鐵路列車的通用車載安全平臺(tái)研究

王新忠

(北京和利時(shí)公司，北京 100176)

0 引 言

列車控制系統(tǒng)是高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)的重要技術(shù)裝備之一。城市軌道交通車載列控系統(tǒng)和高速鐵路車載列控系統(tǒng)的接口存在很多差異。本文將研究高速鐵路列車和城市軌道列車在不同應(yīng)用場(chǎng)景和不同車型的接口需求，并實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靈活配置的通用車載安全平臺(tái)，滿足高速鐵路和城市軌道交通列車應(yīng)用。

1 系統(tǒng)功能需求

我國(guó)高速鐵路及城市軌道交通線路所處的環(huán)境和運(yùn)用要求不同，造成車型種類繁多、需求復(fù)雜、接口變化多樣，進(jìn)行通用車載安全平臺(tái)的研究，可滿足不同接口需求的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.1 功能需求組成

通用車載安全平臺(tái)需具備的功能如下。

(1)電源供電功能—將車輛提供的電源轉(zhuǎn)換為24 V電源，用于平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊供電。

(2)核心邏輯處理功能—實(shí)現(xiàn)與車輛及外設(shè)的接口處理、算法實(shí)現(xiàn)、安全比較功能(二取二)、采集接口、輸出接口和通信接口等功能進(jìn)行封裝。

(3)輸入信號(hào)采集功能—具備實(shí)時(shí)獲取輸入信號(hào)采集功能。

(4)信號(hào)輸出功能—具備對(duì)外輸出功能，提供驅(qū)動(dòng)外部繼電器動(dòng)作的控制信號(hào)。

(5)通信功能—包括普通以太網(wǎng)、MVB、CAN、RS422、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(TRDP)等多種接口形式。

(6)靈活配置功能—硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)車輛接口及應(yīng)用場(chǎng)景需要選擇對(duì)應(yīng)模塊搭建系統(tǒng)。

1.2 冗余功能

通用車載安全平臺(tái)所包含的電源模塊、核心邏輯處理模塊、輸入/輸出模塊、通信接口模塊等功能模塊均應(yīng)具備冗余結(jié)構(gòu)。當(dāng)通用車載安全平臺(tái)的上述功能模塊的某個(gè)功能發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能切換至其對(duì)應(yīng)冗余結(jié)構(gòu)模塊繼續(xù)運(yùn)行而不對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。

1.3 失效防護(hù)功能

核心邏輯處理、安全輸入/安全輸出、安全通信功能作為通用車載安全平臺(tái)的安全相關(guān)功能，應(yīng)具有符合SIL-4級(jí)要求的失效防護(hù)功能。

2 系統(tǒng)接口需求分析

車輛的接口決定了通用車載安全平臺(tái)所需要具備的接口。通過實(shí)地調(diào)研國(guó)內(nèi)高速鐵路和城市軌道交通多種列車的接口，作為通用車載安全平臺(tái)設(shè)計(jì)接口的需求依據(jù)。所需提供的接口及數(shù)量如下所述：

(1)供電接口：支持24 V(有軌電車)、74 V(內(nèi)燃機(jī)車)和110 V(動(dòng)車及其他車型)三種供電接口；(2)安全數(shù)字量輸入接口：16路；(3)非安全數(shù)字量輸入接口：20路；(4)安全數(shù)字量輸出接口：8路；(4)非安全數(shù)字量輸出接口：24路；(6)RS485接口：8路；(7)RS422接口：8路；(8)Can接口：2路；(9)模擬量速傳采集接口：4路；(10)模擬量加速度傳感器接口：4路；(11)模擬量AO/PWM輸出接口：2路；(12)以太網(wǎng)接口：6路；(13)BTM天線接口：2路；(14)MVB車輛總線接口：2路；(15)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(TRDP)接口：2路。

3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

結(jié)合通用車載安全平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了”二乘二取二”結(jié)構(gòu)，單系滿足SIL-4要求，雙系滿足冗余冗余可靠性要求。

系統(tǒng)包括功能完整且相互獨(dú)立運(yùn)行的兩系(A系、B系)。根據(jù)不同的車輛接口和其所承載的不同應(yīng)用場(chǎng)景需求，通用車載安全平臺(tái)可進(jìn)行不同的硬件及軟件配置。

3.1 單系結(jié)構(gòu)

平臺(tái)單系劃分為ATP、ATO和通信等子系統(tǒng)，如圖1所示。上述三個(gè)子系統(tǒng)均包括安全計(jì)算機(jī)模塊和對(duì)應(yīng)的接口模塊，實(shí)現(xiàn)的原理相同。三個(gè)子系統(tǒng)之間通過系統(tǒng)總線進(jìn)行通信。

圖1 通用車載安全平臺(tái)單系結(jié)構(gòu)組成

此外，通用車載安全平臺(tái)單系內(nèi)還包含電源子系統(tǒng)、防護(hù)轉(zhuǎn)接子系統(tǒng)和對(duì)外的繼電器子系統(tǒng)等輔助性子系統(tǒng)，分別完成電源接入、電磁干擾防護(hù)和輸入輸出接入功能。

3.2 二取二結(jié)構(gòu)

按照安全完整性等級(jí)要求，通用車載安全平臺(tái)的安全計(jì)算機(jī)模塊采用“二取二”的安全結(jié)構(gòu)，接口模塊則按輸入輸出雙通道隔離調(diào)理電路設(shè)計(jì)，以ATP子系統(tǒng)為例，包括ATP(安全計(jì)算機(jī)模塊)和看門狗模塊。

ATP安全計(jì)算機(jī)模塊劃分為通道1和通道2兩部分，兩通道實(shí)現(xiàn)的功能和原理完全一致，且相互隔離。兩通道通過同步脈沖實(shí)現(xiàn)兩通道CPU的同步，兩通道通過光耦隔離的通信鏈路實(shí)現(xiàn)兩通道CPU的通信，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳和表決功能，構(gòu)成二取二結(jié)構(gòu)。

看門狗模塊是各子系統(tǒng)均需包含的接口模塊，設(shè)計(jì)為兩通道、且相互獨(dú)立，兩通道各有獨(dú)立的輸入、輸出通道，本子系統(tǒng)的所有輸出均受看門狗電路控制。看門狗電路故障時(shí)，關(guān)斷輸出。

ATO子系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與ATP子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)基本一致。

通信子系統(tǒng)除包含安全計(jì)算機(jī)模塊和看門狗模塊外，還支持包含輸入輸出模塊和通信模塊等。

3.3 接口模塊

硬件模塊采用3U標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)不同種類的接口模塊。根據(jù)承載的不同應(yīng)用場(chǎng)景，為通信子系統(tǒng)配置不同的接口模塊，接口模塊的名稱及接口資源如下。

安全數(shù)字量輸入模塊：16路輸入

安全數(shù)字量輸出模塊：8路輸出

非安全數(shù)字量輸入模塊：20路輸入

非安全數(shù)字量輸出模塊：24路輸出

模擬量輸入模塊：4路速傳模擬量輸入，4路加速度計(jì)模擬量輸入

模擬量輸出模塊：2路電流型或電壓型模擬量輸出，2路PWM輸出

通信模塊：8路RS422，8路RS485

通信擴(kuò)展模塊：6路以太網(wǎng)接口

車輛總線模塊：2路MVB接口，2路實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口，2路Can接口

4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

結(jié)合系統(tǒng)硬件架構(gòu)，軟件共劃分為三個(gè)軟件，分別是ATP軟件、ATO軟件和通信軟件，這里的三個(gè)軟件均是指平臺(tái)層軟件，通過承載不同的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用功能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。

4.1 軟件分層設(shè)計(jì)

通用車載安全平臺(tái)的平臺(tái)層軟件為采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備清晰的層次劃分，分層關(guān)系為自下而上提供接口，上層軟件不得為下層軟件提供接口，層與層之間沒有耦合關(guān)系。從下到上依次為硬件層、通用層、專用層和應(yīng)用接口層，最上層為所承載的應(yīng)用層軟件。

4.1 配置數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

由于不同應(yīng)用場(chǎng)景和不同車輛的接口要求不同，需設(shè)計(jì)專用的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行適配配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括如下幾點(diǎn)：

(1)配置文件的版本，用于數(shù)據(jù)正確性驗(yàn)證；

(2)配置的的硬件模塊類型，根據(jù)需求選擇配置不同硬件模塊；

(3)模塊的對(duì)外接口類型，如輸入輸出、RS485、RS422、以太網(wǎng)、MVB等；

(4)對(duì)應(yīng)接口地址，包括設(shè)備地址或IP地址；

(5)對(duì)應(yīng)通信接口協(xié)議配置不同的通信協(xié)議及其安全協(xié)議；

(6)接口通訊周期，設(shè)置軟件中對(duì)應(yīng)線程的執(zhí)行周期。

5 典型應(yīng)用

基于通用車載安全平臺(tái)，通過配置不同子系統(tǒng)、不同硬件模塊和軟件通信協(xié)議，可滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景。高速鐵路ATP系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景配置了ATP子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，其中ATP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車自動(dòng)防護(hù)邏輯處理，通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與外設(shè)通信交互。通信子系統(tǒng)的功能包括測(cè)速測(cè)距算法實(shí)現(xiàn)、安全輸入輸出等多種接口的處理。

6 結(jié)束語

本文提出了適用高速鐵路和城市軌道交通列車的通用安全平臺(tái)研究，梳理出平臺(tái)所必須的功能需求及接口需求，并研制出基于“二乘二取二”架構(gòu)的通用車載安全平臺(tái)，基于該平臺(tái)的高鐵ATP已應(yīng)用于大西線試驗(yàn)、高速鐵路C3+ATO已實(shí)際應(yīng)用于京沈高鐵運(yùn)營(yíng)、地鐵VOBC已實(shí)際應(yīng)用于中東地鐵項(xiàng)目，并具備應(yīng)用于北京地鐵FAO場(chǎng)景條件。