基于首尾冗余的列控車載設備測速測距系統

寧云轉，鮑鵬宇，劉 佳，王 成，顧玲鳳

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

伴隨著軌道交通行業的發展，列車安全控制技術的研究變得尤為重要，而列車安全控制系統的核心設備是列控車載設備。列控車載設備組成如圖1所示。

圖1 車載設備組成Fig.1 Onboard equipment composition

測速測距系統是列控車載設備的重要組成部分和工作前提，它的主要任務是實時向車載主機提供列車的運行方向、速度、加速度、距離、傳感器狀態等信息。因此，測速測距系統的準確、穩定和安全地運行對列車安全控制至關重要。

常見的測速測距系統主要采用多傳感器（如速度傳感器、雷達傳感器、加速度計、衛星等）融合的方式。現有技術中，為降低因測速測距系統故障導致的信號系統故障，提出了首尾冗余測速測距系統的安全冗余定位策略。處理方式是在列車的兩端各安裝一套測速測距系統，列車運行時，首端僅使用本端測速測距系統進行定位，尾端測速測距系統處于休眠狀態，如果首端測速測距傳感器失效，則切換到尾端進行測速測距，如果尾端傳感器也失效，則列車測速測距失效。這種首尾獨立冗余的測速測距系統不能充分利用兩端傳感器的信息，容易因兩端傳感器單點故障導致功能失效，一定程度上影響了列車測速測距系統和控制系統的可用性。本文從系統的角度提出基于多種傳感器融合的首尾冗余的車載設備測速測距系統設計方案，既能有效地降低因單點故障導致的測速測距系統故障，又能避免因測速測距系統故障而導致的信號系統故障，從而實現車頭、車尾測速測距系統的安全冗余。

2 首尾冗余的測速測距系統

2.1 測速測距系統結構

測速測距系統由X個主傳感器（如速傳）、Y個輔助傳感器（如雷達、加速度計、衛星）、接口適配層和測速測距處理單元構成，其中X≥1，Y≥0且X＋Y≥2。傳感器測量到的數據通過接口層傳遞給測速測距處理單元，測速測距處理單元根據傳感器協議進行數據緩存、數據計算、傳感器故障分析以及數據融合，最終將測速測距結果輸出，供主機軟件使用。測速測距系統結構如圖2 所示。

圖2 測速測距系統結構Fig.2 Speed and distance measurement system structure

測速測距系統正常運行的條件是：至少存在兩個有效運行的傳感器，且其中至少一個為主傳感器。若該條件不能滿足，則判定測速測距系統失效。

2.2 首尾冗余的測速測距系統結構

列車首尾冗余測速測距系統是在列車首尾兩端各設置一套測速測距系統，兩套測速測距系統通過通信總線和數字信號相連接。每套測速測距系統具有相同結構和功能，能夠各自獨立運行，為列車提供測速測距信息，并能夠通過通信總線實現信息交互（測速測距處理單元參與計算的數據以及融合后的速度、加速度、位置以及傳感器狀態），從而實現協同工作和切換首尾系統進行列車控制。

首尾冗余環境下，列車正常運行時，由首端的測速測距系統提供列車定位信息，尾端的測速測距系統處于備用狀態。當首端測速測距系統內的某些功能故障時，測速測距系統會立刻切斷故障功能的輸出。如果故障功能影響測速測距系統正常運行，則切換到尾端測速測距系統相應功能，首端測速測距系統的故障功能進入備用狀態。如果列車首尾兩端測速測距系統因傳感器故障導致各自均不滿足系統正常運行條件，但兩端傳感器組合后可以滿足測速測距系統正常運行條件，則可將兩端測速測距系統正常傳感器或數據共享，由控車端的測速測距系統計算，從而輸出測速測距結果進行列車控制。測速測距系統完成切換后，列車仍可以相同的運行狀態運行。首尾冗余的測速測距系統架構如圖3 所示。

圖3 首尾冗余的測速測距系統架構Fig.3 Speed and distance measurement system architecture based on head and tail redundancy

2.3 首尾冗余的測速測距系統切換規則

首尾冗余的測速測距系統，冗余切換需遵循以下規則：

1）如果首端測速測距系統滿足正常運行條件，則由首端的測速測距系統為列車提供定位信息；

2）如果首端測速測距系統故障，尾端測速測距系統滿足正常運行條件，則由尾端的測速測距系統為列車提供定位信息；

3）如果列車首尾兩端測速測距系統均故障，但首尾測速測距系統組合后滿足正常運行條件，則由首端測速測距系統將兩端數據組合、計算后為列車提供定位信息；

4）如果列車兩端的測速測距系統各自或組合后均不滿足測速測距系統正常運行條件，則列車測速測距系統失效；

5）列車運行過程中，主傳感器發生可容忍故障（如速傳空轉打滑）時，測速測距系統不進行首尾切換；

6）允許列車首尾冗余狀態運行至回庫，回庫后需故障恢復方可再次投入運營。

列車出庫前需進行首尾冗余功能檢測，如發現該功能故障，則不啟動首尾冗余功能。工作人員需進行ATP 重啟或進一步檢修，檢測包含以下檢測步驟中的一種或者多種：

1）檢測測速測距系統的各個傳感器是否能夠正常工作；

2）檢測首尾兩端測速測距系統是否能夠正常工作；

3）檢測通信裝置是否能夠有效連接兩端測速測距系統。

測速測距系統中的冗余切換控制模塊在列車運行的整個周期中，包括從列車出庫到運行至回庫或進入故障應急狀態。按照上述冗余切換規則，實時根據測速測距系統各個部件運行情況，調整測速測距系統的工作狀態，具體如圖4 所示。

圖4 測速測距系統冗余切換流程Fig.4 Flow chart of redundant switching of speed and distance measurement system

2.4 首尾冗余的測速測距系統優勢

首尾冗余的測速測距系統具備以下優勢：

1）在原有系統的基礎上增加了首尾測速測距處理單元數據切換功能，降低設備成本，提高設備利用率；

2）首尾兩端測速測距系統在列車運行時始終獨立運行，車頭測速測距系統功能故障時即刻切換至車尾，測速測距數據實時性好，既增強了列車控制功能的可用性，又提高列車運行效率；

3）列車兩端測速測距系統均出現單一功能故障時，允許相互缺失功能彌補，提高了首尾冗余的可用性。

3 結語

本文提出的基于首尾冗余的測速測距系統架構，在不改變、不增加測速測距系統和傳感器數量的前提下，通過將首尾兩端測速測距處理單元的數據共享，使得列車運行時，車頭測速測距系統在出現某些功能故障的情況下仍能正常運行。同時也解決了測速測距系統單一功能故障導致列車停止運行的問題，為列車控制系統提供了一套可靠性高、可用性強的列車測速測距方案。