全電子執(zhí)行模塊軟硬件切換和N+1切換設(shè)計探討

陳亮 李奇 韋啟盟

摘要：文章總結(jié)了目前國內(nèi)外鐵路信號系統(tǒng)中所采用的全電子執(zhí)行模塊的使用情況，在大量應(yīng)用單套設(shè)計的情況下，分析了冗余性設(shè)計的必要性和難點，從而提出了軟切換、硬切換以及N+1切換的不同設(shè)計思路，采用結(jié)構(gòu)化和流程圖方法分別對3種切換方案進行了闡述，同時給出了設(shè)計過程中應(yīng)考慮的關(guān)鍵要素以及需要規(guī)避的一些問題，隨后采用列表的方式對不同方案的特點、適用范圍進行了對比。最后通過歸納總結(jié)，得出了全電子執(zhí)行模塊冗余切換設(shè)計不應(yīng)單一地采用某一種方案，而是要針對不同類型軌旁設(shè)備所需要關(guān)注的重點方向和受影響情況以及容忍程度，采用最適合的切換方案的組合應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞：全電子執(zhí)行模塊??軟切換??硬切換??N+1切換

中圖分類號：U284.721????文獻標識碼：A

Discussion?on?the?Design?of?Hardware?and?Software?Switching?and?N+1?Switching?of?All-Electronic?Execution?Module

CHEN?Liang??LI?Qi??WEI?Qimeng

（Casco?Signal?Co.，Ltd.，?Shanghai，?200071?China）

Abstract：This?paper?summarizes?the?current?use?of?all-electronic?execution?modules?used?in?railway?signal?systems?at?home?and?abroad，?analyzes?the?necessity?and?difficulties?of?redundancy?design?in?the?case?of?the?heavy?use?of?single?set?designs，?and?then?puts?forward?different?design?ideas?of?software?switchover，?hardware?switchover?and?N+1?switchover.?These?three?switching?schemes?are?expounded?respectively?by?using?the?methods?of?structurization?and?flow?charts，?the?key?elements?that?should?be?considered?in?the?design?process?and?some?problems?that?need?to?be?avoided?are?also?given，?and?then?the?characteristics?and?scope?of?application?of?different?schemes?are?compared?by?the?tabular?mode.?Finally，?through?summary，?it?is?concluded?that?the?redundancy?switching?design?of?all-electronic?execution?modules?should?not?adopt?a?single?scheme，?but?should?adopt?the?combination?of?the?most?suitable?switching?schemes?according?to?the?key?direction，?affected?situation?and?tolerance?level?that?different?types?of?trackside?equipment?need?to?pay?attention?to.

Key?Words：All-electronic?executive?module；Software?switchover；Hardware?switchover；N+1?switchover

目前，高鐵和高密度城市軌道交通應(yīng)用的步伐逐漸加快，截至2021年12月31日，我國內(nèi)地已有51個城市開通了地鐵[1]，尤其是隨著無人駕駛（FAO）的應(yīng)用推廣，傳統(tǒng)鐵路信號中大量采用的繼電器接口計算機聯(lián)鎖設(shè)備，由于其設(shè)計施工復(fù)雜、故障點多、無法適應(yīng)智能化網(wǎng)絡(luò)化的要求，因此全電子執(zhí)行模塊憑借高可靠性、高安全性、智能簡便的維護手段受到廣大鐵路信號用戶的青睞。全電子執(zhí)行模塊大量采用無觸點的電子器件替代傳統(tǒng)的繼電器和電纜，同時擁有完善的自我檢測機制，能夠及時發(fā)現(xiàn)隱性故障，提早給出預(yù)警，防患于未然[2]。為了提高系統(tǒng)的可用性，目前各家設(shè)計的全電子模塊均為冗余設(shè)計，文章主要對全電子模塊的冗余切換設(shè)計機制進行探討。

1?國內(nèi)外全電子模塊冗余設(shè)計情況

全電子執(zhí)行模塊最初是從國外開始應(yīng)用的，如西門子、ABB和京三，先后推出了采用全電子化接口的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，體積小、安全可靠性高，深得用戶認可。我國城軌市場的信號系統(tǒng)，一開始基本上是采用國外的幾個主流信號廠家的信號系統(tǒng)總集成，如西門子、西屋、龐巴迪等，因此全電子執(zhí)行模塊也就順理成章地應(yīng)用在了國內(nèi)這些線路上，但無一例外的是這些全電子執(zhí)行模塊均是單套設(shè)計，沒有冗余功能。

我國從1996年開始研制全電子聯(lián)鎖技術(shù)，1999年被納入原鐵道部《鐵路科技發(fā)展計劃項目》。蘭州大成公司率先完成了全電子執(zhí)行單元的研發(fā)，并于2005年5月20日通過了原鐵道部科學(xué)技術(shù)司組織的鑒定，2007年7月6日開通了我國第一個自主化全電子聯(lián)鎖車站-烏魯木齊西客技站，該站以及后續(xù)開通的一些地方鐵路車站同樣也是單套設(shè)計。

雖然全電子模塊的可靠性很高，但是單套設(shè)計的全電子執(zhí)行單元，一旦有任何模塊故障，將直接影響運營，經(jīng)過多年的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗及理論的RAMS分析計算，單機系統(tǒng)的可用性指標僅為99.945%，甚至還沒有傳統(tǒng)的繼電器接口聯(lián)鎖指標高，這顯然是無法滿足我國高鐵和無人駕駛等高可靠性的要求，而冗余設(shè)計的全電子系統(tǒng)在可靠性、可用性、可維修性方面均明顯由于傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖，可用性指標更是達到了99.998%[3]。在《城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)規(guī)范》“第4部分：CI子系統(tǒng)5.2.5（P7）”中，明確提出了電子執(zhí)行模塊硬件應(yīng)冗余設(shè)計[4]。為了提高可用性，國內(nèi)各信號廠商均設(shè)計了不同的冗余設(shè)計方案，這主要是有兩個思路，即并驅(qū)并采和主備切換[5]。并驅(qū)并采是指同一個信號設(shè)備同時連接至冗余的兩個電子執(zhí)行模塊，這兩個模塊不區(qū)分主備，同時對該設(shè)備進行控制，同樣，狀態(tài)也是同時采集并上傳。然而，有一些設(shè)備是不能采用并驅(qū)并采的方案的，因此必須采用主備切換方式，即平常某一個模塊為主，另一個模塊熱備，一旦主模塊故障則通過熱備的電子模塊進行控制及狀態(tài)采集[6]。

2?軟切換和硬切換以及N+1方案設(shè)計

通過前文分析可知，國外和我國最初的全電子執(zhí)行單元均為單套設(shè)計，沒有冗余，這里邊成本的考慮固然是一個方面，但是另一個重要因素是切換方案設(shè)計的復(fù)雜度，下文分別探討軟切換和硬切換冗余設(shè)計方案。

2.1?主備模塊軟切換設(shè)計

這里的軟切換是指不設(shè)置切換設(shè)備或者切換電路，完全采用軟件來決定哪個模塊為主用模塊?；镜那袚Q關(guān)系如圖1所示，在系統(tǒng)中每個模塊均具備主控和備控兩種狀態(tài)，主控狀態(tài)的模塊能夠?qū)壟栽O(shè)備進行控制，如驅(qū)動一個轉(zhuǎn)轍機進行定位或者反位動作，點亮綠燈或者紅燈等，備控模塊雖然也能夠接收到上層應(yīng)用的命令，但是不實際對外輸出，僅在主控模塊故障時才會升級為主控，接替主控模塊的工作。同理，設(shè)備狀態(tài)的采集也是由主控模塊實現(xiàn)，備控模塊或者不對設(shè)備進行采集，或者采集了也不會上傳給上層系統(tǒng)。

軟切換的邏輯設(shè)計最主要的是依賴主備模塊之間的自主協(xié)商，在模塊上電后首先進行自檢，在此過程中對模塊內(nèi)各個器件的工作狀態(tài)、內(nèi)存、寄存器等進行全面的檢查，只有完全通過檢查才會進入下一步，如果發(fā)現(xiàn)有器件檢查不通過則進入故障處理模塊。完成自檢的模塊啟動與另一系的自主協(xié)商過程：通過主備之間的安全通信通道獲取另一系的工作狀態(tài)，若此時對系已經(jīng)是主控狀態(tài)，則本系進入熱備工作狀態(tài)。若對系未知（即等待一定時間后仍無法獲取通信狀態(tài)）或者備系還處于初始化等未投入工作的狀態(tài)時，則主動與仲裁機構(gòu)（此處為通信模塊）進行通信，仲裁設(shè)備經(jīng)過與雙系模塊的交互確認后，指定該模塊是否可以進入主用狀態(tài)。在正常工作過程中，每個模塊仍將持續(xù)監(jiān)測自身的健康狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)故障則主動退出主用模式，同時通知另一系升級為主系，或者由仲裁設(shè)備進行主備切換（當冗余的雙模塊之間失去通信時）。此模式下，雙模塊之間無需設(shè)置固定的優(yōu)先級順序，在整個系統(tǒng)上電時，先工作的一系將首先成為主系，若此模塊無故障則維持在主控狀態(tài)，在主用模塊檢測到自身有故障無法正常工作時則交出控制權(quán)，熱備的一系則自動成為新的主系并維持為主控狀態(tài)，直到下一次故障發(fā)生再進行切換?；厩袚Q邏輯關(guān)系如圖2所示。

這里有兩點需要特別注意，具體如下。

第一，在雙系失去通信的情況下，如何處理主備關(guān)系？筆者建議采用第三方的仲裁機制，比如由通信模塊進行仲裁，能夠獲得通信模塊“認可”的才能作為主控工作。

第二，雙系切換延時的處理。正常工作的模塊一旦故障了，從檢測到故障到采取切換措施，另一系再升級為主控模塊，這期間必然存在一個切換時間。筆者建議由通信模塊對切換的延時進行處理，切換期間通信模塊綜合主備模塊的狀態(tài)將這個切換延時“消化”掉，達到對外部（即上層應(yīng)用）無感切換的目的，但是這里邊有個無法避免的問題，即對外設(shè)的控制會存在短暫的中斷現(xiàn)象，外設(shè)對該中斷的容忍程度將決定對切換延時時效性的關(guān)鍵要求。

2.2?主備模塊硬切換設(shè)計

硬切換是指通過硬件電路或者專門的切換設(shè)備來進行主備模塊的切換，既包含帶反饋的有主備硬件切換設(shè)計，也包含無主備并驅(qū)并采時的強制性硬件切換設(shè)計?；镜那袚Q關(guān)系如圖3所示。圖中左側(cè)為主控模塊，右側(cè)有兩種設(shè)計：一種是作為備控使用，另一種是同樣為主控模塊，即并用模式。無論是主控—備控模式，還是主備并用模式，由于硬件切換裝置已經(jīng)將其與外設(shè)斷開，因此右側(cè)的電子模塊將無法對外設(shè)進行控制，同樣也無法獲取到其狀態(tài)，直至切換裝置動作后才能具備實際的控制和采集功能。

硬件切換的設(shè)計與前面軟件切換的主要區(qū)別在于物理上主備模塊是沒有直接的電氣連接的，通過了類似單刀雙擲的“閘刀”切換電路來選擇將主用模塊的信息應(yīng)用于所控制設(shè)備，甚至可以不區(qū)分主備模塊，而完全交給硬件電路來控制哪個模塊有效。當然，也可以設(shè)置成“單刀三擲”的切換模式，即設(shè)置一個兩方都不控制的“空”狀態(tài)，其控制邏輯如圖4所示。這里以帶反饋的主備并用疊加硬件切換的方案來說明硬切換的設(shè)計思路：在模塊上電以后，與前述軟切換的設(shè)計一致，也首先進入模塊的自檢狀態(tài)，如果自檢通過則直接進入“準主用”模式，同時將此狀態(tài)發(fā)送給“主用狀態(tài)處理模塊”，作為硬件切換電路工作的一個前提條件。同樣的，另一系的模塊自檢通過后也進入“準主用”模式，最終哪一個模塊能夠?qū)嶋H對外獲得控制權(quán)，則由“主用狀態(tài)處理模塊”來決定，得到主用反饋的一系則成為“主用”狀態(tài)。與前述軟切換類似，先投入工作的一系將會獲得實際控制權(quán)，即成為真正的“主用”模式，而另一系則持續(xù)工作在“準主用”狀態(tài)，直到原主用模塊退出或者“主用狀態(tài)處理模塊”實施了直接切換。特別說明的是，此處的“準主用”和“主用”的區(qū)別僅是是否獲得了主用反饋信息，實際上，準主用也同樣是在跟隨驅(qū)動命令進行驅(qū)動控制，同樣在采集外部設(shè)備工作狀態(tài)，即實際上是雙系并用的工作模式。此設(shè)計中雙系模塊之間額外增加了傳輸通道，用以交互模塊的工作狀態(tài)，一方面作為對“主用狀態(tài)處理模塊”反饋的補充，另一方面也處理一些異常情況下的特定邏輯，比如在本模塊進入故障狀態(tài)時，允許另一系進行一些“降級”的功能設(shè)計。

硬件切換我們同樣需要注意以下幾點。

首先，要注意切換的控制條件的設(shè)計。切換電路有手動切換、自動切換等不同方式，全電子執(zhí)行模塊數(shù)量眾多，對切換的及時性要求高，一般均設(shè)計為自動切換方式，切換條件要充分考慮模塊的自身狀態(tài)、外部因素的影響、人為因素等各種切換要件。

其次，對于大電流的設(shè)備，比如轉(zhuǎn)轍機等，應(yīng)充分考慮切換時可能發(fā)生的大電流切斷拉弧、接點使用壽命等因素，選擇合理的器件和采用有效的規(guī)避措施。

2.3?N+1切換設(shè)計

前面提到的軟切換和硬切換的例子都是在主備模塊1+1方式下的切換設(shè)計，N+1切換是一種主用為N，+1為備用的工作模式，這里在鐵路信號中最典型的應(yīng)用是電碼化的N+1冗余設(shè)計。在鐵科信[2020]211號發(fā)布的《列控聯(lián)鎖一體化設(shè)備暫行技術(shù)條件》[7]中，在K.6.5.2中已經(jīng)明確了電子執(zhí)行模塊應(yīng)支持N+1的設(shè)計功能。

在電碼化N+1設(shè)計中，切換的要點是切換反應(yīng)時間和用哪個模塊去控制“+1發(fā)碼器”。下邊我們?nèi)园窜浨袚Q和硬切換兩個思路來設(shè)計方案。

2.3.1?軟切換方法

該切換設(shè)計中采用獨立的“+1電碼化模塊”去控制“+1發(fā)碼器”，使得電碼化模塊與發(fā)碼器數(shù)量一一對應(yīng)，切換方案如圖5所示。

該設(shè)計方案中，系統(tǒng)采集所有發(fā)碼器的工作狀態(tài)（FBJ），在發(fā)現(xiàn)某一個發(fā)碼器故障后，將+1發(fā)碼器切換至故障發(fā)碼器所對應(yīng)的區(qū)段上去，采用+1發(fā)碼器替代故障的發(fā)碼器對軌道區(qū)段發(fā)碼（即圖中“切換控制2”的邏輯電路）。同時，系統(tǒng)應(yīng)及時將故障發(fā)碼器的編碼信息發(fā)送到+1發(fā)碼器的編碼端子上提供正確的低頻信號（圖中“切換控制1”軟件邏輯）。

該方案中最為關(guān)鍵的是“切換控制1”和“切換控制2”這兩個控制邏輯的一致性以及實時性，在電碼化電路中，一旦邏輯不一致，可能造成錯誤的輸出，如果花費很多時間去校核一致性又要影響切換的速度，造成列車落碼，因此只能用于時效性要求不是很高的地方。

2.3.2?硬切換方法

該切換設(shè)計中不單獨設(shè)置“+1電碼化模塊”，針對每一個電碼化模塊均有兩路輸出：主輸出與備用輸出，采用發(fā)碼器的工作狀態(tài)繼電器（FBJ）去控制備用輸出，切換方案如圖6所示。

該設(shè)計方案中，切換是由純硬件電路（FBJ電路）實現(xiàn)的，F(xiàn)BJ采集后僅作為報警使用，不參與切換邏輯。在FBJ電路中，使用不同的繼電器接點區(qū)分編碼和軌傳的應(yīng)用，在某一FBJ落下時，自動切換至“+1發(fā)碼器”上持續(xù)工作。由于只有一個切換控制部位，且是唯一的硬件切換，減少了切換環(huán)節(jié)，既避免了前述兩處切換邏輯的錯誤匹配問題，也提高了切換效率，不足的地方是切換電路較軟切換要復(fù)雜一些。

3?不同切換方案的對比和需要解決的潛在問題

4?結(jié)語

通過前面的總結(jié)和分析，目前全電子模塊的冗余切換設(shè)計有很多不同的設(shè)計思路，其中各自有不同的特點，在全電子模塊設(shè)計開發(fā)中，應(yīng)根據(jù)所控制和采集的設(shè)備的特點來選擇合適的切換方案，如對于反應(yīng)速度要求很高，直接影響司機信號辨認的信號機模塊宜采用主備硬件切換方案，對于電流大、反應(yīng)速度要求不高的轉(zhuǎn)轍機模塊宜選用主備軟件切換方案，對于實時性要求很高且避免錯誤發(fā)碼的電碼化模塊，宜采用N+1硬件切換。

參考文獻

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