全電子聯(lián)鎖計軸系統(tǒng)通信冗余技術(shù)方案探討

閆 浩

(中國鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

近年來，地鐵信號自動化無人駕駛技術(shù)發(fā)展迅速，全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)逐漸替代了傳統(tǒng)聯(lián)鎖繼電接觸式控制方式，地鐵信號計軸系統(tǒng)是保障全自動運行降級功能及提高行車效率的重要設(shè)備。從城市軌道交通全電子聯(lián)鎖計軸系統(tǒng)設(shè)備的實際情況出發(fā)，分析數(shù)字接口的計軸系統(tǒng)中繼通信存在板卡故障對通信中斷冗余的影響，從而采用二取二冗余技術(shù)方案，并詳細(xì)介紹計軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、中繼板的原理及應(yīng)用、計軸系統(tǒng)通道技術(shù)方案，提出的二取二冗余技術(shù)可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。為進(jìn)一步提高計軸系統(tǒng)的可靠性，對計軸系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信通道設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，形成雙通道互為冗余傳輸設(shè)置，在實際應(yīng)用中具有重要意義。

1 計軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

計軸系統(tǒng)主要由室內(nèi)和室外設(shè)備組成，室內(nèi)主要由放大板、計軸板、輸出板、復(fù)零板和電源板等單元組成，室外主要由車輪傳感器組成。其中，車輪傳感器、放大板、計軸板、輸出板等，為聯(lián)鎖、監(jiān)測系統(tǒng)提供軌道區(qū)段占用或空閑的信息接口。計軸系統(tǒng)是城市軌道交通信號系統(tǒng)中軌道區(qū)段空閑與占用狀態(tài)軌道檢測信號設(shè)備，常用于正線及場段。計軸系統(tǒng)有外接復(fù)零條件以及與聯(lián)鎖和微機(jī)監(jiān)測等設(shè)備的接口，計軸系統(tǒng)可以通過繼電器接口及安全數(shù)字接口與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)連接。

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)中計軸系統(tǒng)通過安全數(shù)字接口與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)連接，能通過基于安全通信協(xié)議的安全通信與計軸系統(tǒng)交換信息，包括軌道空閑/占用和計軸復(fù)位等，其應(yīng)用結(jié)構(gòu)的組成框圖如圖1所示 。

圖1 計軸系統(tǒng)應(yīng)用框圖(數(shù)字接口)

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)通常采用數(shù)字接口，計軸提供的數(shù)字接口通信由通信板完成，計軸系統(tǒng)機(jī)柜滿配24個區(qū)段，如果單個機(jī)柜設(shè)置滿足計軸區(qū)段配置，此時接口通信則不需要配置中繼板。根據(jù)目前線路設(shè)置情況，單機(jī)柜配置遠(yuǎn)不能滿足功能需求，超出時需要按2個機(jī)柜進(jìn)行配置，數(shù)字接口應(yīng)用需要增配中繼板進(jìn)行通信中繼，將另一個機(jī)柜的信息發(fā)送給主機(jī)的通信板進(jìn)行二乘二取二處理后提供給外部聯(lián)鎖使用。一般每個聯(lián)鎖集中區(qū)所有的計軸機(jī)柜信息匯總到主機(jī)機(jī)柜后，通過主機(jī)機(jī)柜的中繼板(A/B)轉(zhuǎn)發(fā)輸出板(CPUA/B)的數(shù)據(jù)至通信板(A/B)連接到信號系統(tǒng)的安全通信網(wǎng)(A、B雙網(wǎng)，或者紅、藍(lán)雙網(wǎng))的2個交換機(jī)后，再與聯(lián)鎖系統(tǒng)通信。

2 中繼板的作用

計軸系統(tǒng)板卡之間主要采用串口及CAN總線進(jìn)行通信，每個區(qū)段2個板卡(計軸板、輸出板)，每個板卡含2個通道，因此一個區(qū)斷需占用4個通信節(jié)點。當(dāng)采用多個機(jī)柜時，通信節(jié)點數(shù)量增多，超出總線最大值(110)，故多機(jī)柜通信需要增加中繼板作為新的通信節(jié)點擴(kuò)容，故多機(jī)柜通信每個機(jī)柜需要配置中繼板中繼。

中繼板系統(tǒng)原理圖如圖2所示，中繼板作為系統(tǒng)內(nèi)機(jī)柜間信息的中繼傳輸，板卡設(shè)計為雙通道冗余結(jié)構(gòu)，板內(nèi)通道間相互隔離、互不干擾。計軸系統(tǒng)機(jī)柜超出滿配區(qū)段設(shè)置時需要按多個機(jī)柜進(jìn)行配置，數(shù)字接口應(yīng)用需要在新增機(jī)柜內(nèi)增配中繼板進(jìn)行柜間通信中繼，將另一個機(jī)柜的信息發(fā)送給主機(jī)的通信板進(jìn)行二乘二取二處理后提供給外部聯(lián)鎖使用。中繼板采用雙CPU集成核心控制器，軟件采用雙CPU獨立運算相互隔離，2個CPU運算采用的數(shù)據(jù)包括安全采集數(shù)據(jù)、安全輸出數(shù)據(jù)，安全通信數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)，2個CPU分別進(jìn)行一個通道的運算，2個CPU之間具有數(shù)據(jù)比較、同步比較、結(jié)果比較等聯(lián)系，只有運算結(jié)果相同時，才允許輸出。

圖2 中繼板系統(tǒng)原理圖

另外，中繼板按機(jī)柜順序進(jìn)行地址撥碼設(shè)置。數(shù)字接口應(yīng)用時，多臺機(jī)柜級聯(lián)時，需要增加中繼板CON/9，中繼板內(nèi)的撥碼開關(guān)需要按給定的機(jī)柜順序進(jìn)行設(shè)置，從1開始，最大10結(jié)束。撥碼開關(guān)8為低位，其中第1位為奇偶校驗位，“4～8”撥1的個數(shù)為偶數(shù)時撥0，為奇數(shù)時撥1。

3 計軸系統(tǒng)通道技術(shù)方案分析

計軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性將影響到信號設(shè)備的正常工作，進(jìn)而影響到行車的效率和安全，需要根據(jù)后期運行的實際情況選取合適的配置方案。我國城市軌道交通建設(shè)的建設(shè)規(guī)范和準(zhǔn)則未對計軸系統(tǒng)中繼板配置的冗余性質(zhì)作出明確規(guī)定，故不同軌道交通線路的中繼板配置方案可能存在差別。中繼板作為系統(tǒng)內(nèi)機(jī)柜間信息的中繼傳輸，板卡設(shè)計為雙通道冗余結(jié)構(gòu)。通過分析整合運行線路，確定如下的計軸系統(tǒng)通信配置方案。

3.1 單板冗余方案

單板冗余是指計軸系統(tǒng)配置方案中只設(shè)置一套中繼板，計軸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式較為簡單，此方式直接利用板卡的雙通道構(gòu)建通信冗余功能。

單板冗余配置方案如圖3所示。每個計軸機(jī)柜配置一套中繼板，中繼板1/2共用一套ID撥碼作為機(jī)柜號，以區(qū)分不同機(jī)柜，通過單塊中繼板(單板卡撥碼)實現(xiàn)2oo2功能。中繼板的通道A/B同時接入CAN1通道，通道A/B同時接入CAN2通道。單中繼板同步轉(zhuǎn)發(fā)計軸主系統(tǒng)通道a/b的數(shù)據(jù)，單塊中繼板實現(xiàn)2oo2。中繼板板內(nèi)兩通道互為冗余，通信板對收到的計軸區(qū)段(通道a，b)數(shù)據(jù)進(jìn)行二取二處理。在這種配置方案當(dāng)中，若中繼板板卡出現(xiàn)故障問題時，板卡二取二2oo2不通過，設(shè)備導(dǎo)向安全占用，不能實現(xiàn)單板卡故障冗余。

圖3 單板冗余方案

3.2 雙板冗余方案

雙板冗余指計軸系統(tǒng)配置方案中設(shè)置2套中繼板，此方案分別利用板卡一個通道構(gòu)建通信冗余功能。

雙板板冗余配置方案如圖4所示。每個計軸機(jī)柜配置2套中繼板，計軸系統(tǒng)通信通過2塊獨立的中繼板(2套獨立的撥碼)實現(xiàn)二取二2oo2功能。中繼板1的通道A同時接入CAN1和CAN2通道，中繼板1的通道B不接入CAN總線中；中繼板2的通道B同時接入CAN1和CAN2通道，中繼板2的通道A不接入CAN總線中，中繼板12同步轉(zhuǎn)發(fā)計軸主系統(tǒng)通道a/b的數(shù)據(jù)。以機(jī)柜1計軸區(qū)段為例，通過雙通道將區(qū)段信息發(fā)給通信板，此技術(shù)方案，若其中一塊中繼板板卡出現(xiàn)故障問題時，CAN總線可實現(xiàn)雙通道通信，但是另一塊中繼板只能實現(xiàn)板內(nèi)單通道通信，板卡2oo2不通過，不能實現(xiàn)單板卡故障冗余，僅實現(xiàn)板內(nèi)單通道通信。

圖4 雙板冗余方案

3.3 雙板二取二方案

雙板二取二方案中，此方案利用中繼板的2通道構(gòu)建通信二取二功能，每個機(jī)柜配置2塊中繼板設(shè)置，設(shè)置方案如圖5所示。

圖5 雙板二取二方案

中繼板板卡采用內(nèi)部雙通道冗余，中繼板12共用一套ID撥碼作為機(jī)柜號，同一機(jī)柜的2塊中繼板供電不同，以區(qū)分其他機(jī)柜。通過2塊獨立的中繼板(2套獨立的撥碼)實現(xiàn)2oo2功能。中繼板板內(nèi)兩通道互為冗余，中繼板的通道A接入CAN1通道，通道B接入CAN2通道。中繼板1僅轉(zhuǎn)發(fā)計軸主系統(tǒng)通道a的數(shù)據(jù)，中繼板2僅轉(zhuǎn)發(fā)計軸主系統(tǒng)通道b的數(shù)據(jù)，2塊中繼板1和2實現(xiàn)2oo2。通信板對收到的計軸區(qū)段(通道a，b)數(shù)據(jù)進(jìn)行二取二處理。以機(jī)柜1計軸區(qū)段為例，通過雙通道將區(qū)段信息發(fā)給通信板，在這種技術(shù)方案中，若其中一塊中繼板板卡出現(xiàn)故障問題時，板卡2oo2不通過，設(shè)備導(dǎo)向安全占用，不能實現(xiàn)單板卡故障CAN總線通道冗余，僅能實現(xiàn)板內(nèi)單通道故障冗余。

3.4 雙板二取二冗余方案

雙中繼板二取二冗余是指計軸系統(tǒng)配置方案中多機(jī)柜級聯(lián)每個機(jī)柜設(shè)置2套中繼板，此方案分別利用中繼板的2通道構(gòu)建通信冗余及二取二功能，設(shè)置方案如圖6所示。

圖6 雙板二取二冗余方案

中繼板設(shè)計采用雙通道相互獨立隔離，且具備2套相互獨立撥碼開關(guān)。中繼板1的通道1A轉(zhuǎn)發(fā)計軸主系統(tǒng)通道a的數(shù)據(jù)，中繼板1的通道1B轉(zhuǎn)發(fā)計軸主系統(tǒng)通道b的數(shù)據(jù)；中繼板2的通道1A轉(zhuǎn)發(fā)計軸主系統(tǒng)通道a的數(shù)據(jù)，中繼板2的通道1B轉(zhuǎn)發(fā)計軸主系統(tǒng)通道b的數(shù)據(jù)，單塊中繼板1(2套獨立的撥碼開關(guān))即可實現(xiàn)2oo2。以機(jī)柜1計軸區(qū)段為例，通過雙通道將區(qū)段信息發(fā)給通信板，在這種技術(shù)方案中，中繼板1傳輸CAN1數(shù)據(jù)，中繼板2傳輸CAN2數(shù)據(jù)，2塊中繼板實現(xiàn)相互冗余，若其中一塊中繼板板卡出現(xiàn)故障問題時，也可實現(xiàn)雙通道冗余功能，實現(xiàn)通信板對收到的計軸區(qū)段(通道a，b)數(shù)據(jù)進(jìn)行二取二及冗余處理。

4 國內(nèi)計軸系統(tǒng)中繼板設(shè)置現(xiàn)狀

目前從深圳已開通的全電子聯(lián)鎖計軸系統(tǒng)地鐵線路設(shè)置情況可以看出，已開通的城市軌道交通線路大都采用雙板二取二配置方案，如深圳地鐵20號線。在建線路中有部分工程正在進(jìn)行雙板二取二冗余配置方案的嘗試。由于信號系統(tǒng)的安全性，其使用的設(shè)備必須有成熟穩(wěn)定的運行業(yè)績，雖然雙板二取二冗余配置理念可行，符合軌道交通故障安全的發(fā)展方向，但目前對雙板二取二冗余配置技術(shù)仍處在研究和嘗試階段，建議城市軌道交通在初設(shè)階段就開始研討可行性，項目實施階段信號系統(tǒng)與其他系統(tǒng)接口方案需要慎重考慮，以免影響線路正常開通運營。

5 可靠性分析

上述4種技術(shù)方案核心部分在于中繼板設(shè)備，當(dāng)多機(jī)柜配置的中繼板出現(xiàn)故障問題時，與中繼板相連接的通信板會出現(xiàn)通信中斷的問題，從而導(dǎo)致計軸系統(tǒng)故障對信號聯(lián)鎖系統(tǒng)造成影響。雙中繼板二取二配置方案的冗余網(wǎng)絡(luò)完全按雙套設(shè)備配置，正常情況下2個網(wǎng)絡(luò)互為冗余，提高了系統(tǒng)可靠性，對冗余網(wǎng)絡(luò)來說，沒有熱備/冷備之說，2個網(wǎng)絡(luò)同時工作。當(dāng)某個機(jī)柜的中繼板故障時，僅影響本通道該網(wǎng)絡(luò)的通信，對另一個網(wǎng)絡(luò)通信沒有任何影響，從而保證計軸系統(tǒng)中繼通信的穩(wěn)定性及可靠性。雙中繼板二取二配置方案的最大優(yōu)點在于其有完整的可靠運行開通線路，如上海10號線、深圳地鐵20號線，盡管其可靠性低于雙中繼板二取二冗余方案，但由于設(shè)備電路簡單的原因，其發(fā)生故障的概率也相對較低。系統(tǒng)或設(shè)備采用具備單機(jī)脫系能力的硬件安全冗余結(jié)構(gòu)，按照故障-安全原則設(shè)計，中繼板冗余設(shè)備之間實現(xiàn)無擾切換，切換不影響對在線列車的正常監(jiān)控功能，并具有較高的可用性和可維護(hù)性，中繼板二取二的結(jié)構(gòu)是一套冗余的網(wǎng)絡(luò)。冗余設(shè)備中的一套設(shè)備完全不能工作時，另一套仍然可以無擾工作，并且具有相同的性能，單個處理通道的故障不會導(dǎo)致該通道不能提供正常的服務(wù)。雙中繼板二取二冗余方案的優(yōu)勢體現(xiàn)在雙重保障方面，一塊中繼板故障僅影響其中一路CAN總線數(shù)據(jù)異常，另一塊中繼板與通信板仍然能夠正常地輸出區(qū)段數(shù)據(jù)，因其通道互為冗余，設(shè)備滿足故障-安全的原則，并具有較高的可用性和可維護(hù)性，在故障導(dǎo)向安全性優(yōu)于前3種方案。

6 結(jié)語

信號系統(tǒng)是城市軌道交通指揮列車運行，保證列車安全運行的關(guān)鍵設(shè)備，而計軸系統(tǒng)則為信號系統(tǒng)提供列車定位，因次計軸系統(tǒng)的可靠運行對行車安全及行車效率起到了直接的影響作用。計軸系統(tǒng)多發(fā)的故障為室外計軸受擾及板卡故障，板卡故障多通過現(xiàn)場更換備用板卡實現(xiàn)故障處理。本文通過對比單板卡和雙板卡技術(shù)方案，給出適用于全自動運行下計軸系統(tǒng)中繼傳輸?shù)耐ㄐ欧桨浮１疚慕o出了4種通信的技術(shù)方案，并分析了各自的優(yōu)缺點，推薦采用雙中繼板二取二冗余技術(shù)方案的配置。雙中繼板二取二冗余技術(shù)方案相較于其他3種技術(shù)方案，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定上提高了一定可用性，但在城軌領(lǐng)域尚未有實際的工程應(yīng)用先例和經(jīng)驗，而信號系統(tǒng)又是涉及行車安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，為降低整個系統(tǒng)的實施風(fēng)險，確保達(dá)到可靠性指標(biāo)，滿足運營要求和工程工期要求，該項研究成果正等待主管部門擇時安排開展“場段”現(xiàn)場試驗，以便于驗證其穩(wěn)定性及安全性，并進(jìn)一步改進(jìn)完善，促使該項研究成果在正線信號系統(tǒng)中得到廣泛的推廣及應(yīng)用。