鐵路信號設備中冗余技術的應用

王向前

（北京鐵路局北京電務段，中國 北京100010）

隨著我國高速鐵路運輸業的迅速發展，雙機熱備機構的信號設備在鐵路信號系統中得到了廣泛的應用，并以其較高的安全性以及智能性對每個單機進行主動的故障診斷，有效提高了鐵路信號設備系統運行的穩定性和可靠性；因此，為保障我國鐵路高速運行的安全性，必須加強對鐵路信號設備系統新科技的研究和開發，重視冗余技術在其中的運行，以便于全面提高鐵路信號設備系統的技術裝備水平。

1 基于冗余技術的鐵路信號設備系統概述

1．1 鐵路信號設備系統的主要構成

基于冗余技術的鐵路信號設備系統主要可以分為四個構成部分，具體表現如下：

（1）用戶層設備

用戶層設備主要設置在調度所，而其中的用戶主要是指工作于調度所的相關調度人員，主要設備主要包括鐵路信號設備系統服務器以及相關的用戶終端設備。 為確保鐵路運行調度的準確性和可靠性，鐵路調度所的每個調度臺都會設置獨立的終端設備，以便于全面掌握本調度臺以及相鄰調度臺的行車信息，一旦列車在運行期間發生任何異常情況，都可通過視頻報警等方式及時顯現在調度臺的終端設備上。

（2）區域處理層

該系統層主要設置在維修段，主要作用是接收由特定管轄區域監控處理層發送過來的相關信息數據，并利用計算機技術、數字化技術等相關技術對所接收的信息進行整理、分析等相關的處理工作，之后在信息數據處理結果的基礎上得到相應的預警或者是報警信息，及時上傳至用戶層，以便于相關調動人員都及時發現和處理列車運行過程中存在的異常情況，保障列車運行的安全性和穩定性。

（3）監控處理層

該系統層的主要作用利用相關監測設備對所處轄區內的相關數據信息進行全過程、全方位的監測，并采集相關的樣本數據，進行初步的處理和保存，之后在通過通信網絡向所在轄區內的處理層進行數據傳輸，為其提供用于整理、分析的樣本數據。

（4）現場采集層

該系統層是鐵路信號設備系統的基層，其主要作用是對鐵路運行軌旁的相關設施設備進行數據采集，如對列車運行兩側的風向和風速數據信息進行采集、監測墜落物等，所涉及到的采集內容具有多樣性以及分散性兩方面的特點。

1．2 鐵路信號設備系統相關要求

鐵路信號設備系統是高速類車實現運行穩定性和可靠性的關鍵性技術。因此，在鐵路信號設備系統設計的過程中，其結構應滿足以下三方面的要求：一是，系統結構的高可靠性，以便于在確保列車順利運行的同時，保障列車運行的高效率性和安全性；二是，系統結構設計的模塊化和集成化，以便于將鐵路系統眾多的子系統以及設備分布有效集合在一起；三是結構設計人機界面的簡潔化，以便于調度員操作，在最短時間內獲取最全面、最精確的列車運行信息。

1．3 基于冗余技術的鐵路信號雙機熱備系統構成

鐵路信號雙機熱備系統是在冗余技術及傳統鐵路信號設備系統的基礎上構成的， 是對傳統鐵路信號設備的優化和相關技術的革新，主要包含以下方面：一是，ARM 微處理器，其能實現對鐵路運行數據信息采集的連續性和實時性，以便于更好的通過GPRS 實現對列車運行的遠程通信控制，不僅具有低能耗的特點，亦具有較高的性能，能滿足現代高速列車運行對安全性和穩定性的較高要求；二是，現場總線，主要作用的是實現對機器控制以及廠內測量間數字通信的高性能化、高可靠性，并以簡潔化的結構設計有效提高了配線的利用率，對環境具有較強的適應能力，并保障系統通信的全面數字化、智能化，有效提高了高速列車運行的穩定性和可靠性。

2 冗余技術在鐵路信號設備中的具體應用

冗余技術在鐵路信號設備中的具體應用主要體現在雙機熱備系統的硬件設計和軟件設計兩個方面，具體表現如下：

2．1 冗余技術在鐵路信號雙機熱備系統硬件設計中的應用

（1）冗余技術在雙機熱備系統中以太網硬件設計中的應用

就目前我國鐵路信號設備系統構成來講， 一般主要是通過RTL8019AS 網絡芯片對系統中的以太網進行控制， 保障其各項作用的正常發揮， 具有較好的兼容性以及多種模式的自動檢測功能，如PNP 模式的自動檢測以及BNC 模式的自動檢測等， 且具有即插即用的特點，較為方便，并支持外接閃爍儲存器的讀寫操作；此外，在利用冗余技術進行以太網硬件結構設計的過程中，同樣也考慮到了保護網絡接口方面的問題，并通過添加網絡隔離變壓器的方式來進一步提升冗余技術在以太網硬件結構設計中應用的穩定性和可靠性，有效保障了列車運行的安全性。

（2）冗余技術在雙機熱備系統中CAN 總線硬件設計中的應用

雙機熱備系統中CAN 總線硬件的結構設計主要包括兩個接口：一是，CAN 接線收發器，其主要功能是向CAN 總線提供差動接收及發送能力；二是，CAN，總線控制器，其主要功能是實現總線和微處理器之間的通信。 就我國鐵路信號雙機熱備系統結構設計現狀來看，其一般多選用MCP2510 作為CAN 總線的控制器，該類控制器以其較強的通用性和連接的方便性以及較好的信息管理及濾波作用在鐵路信號雙機熱備系統中得到了廣泛的應用， 其結構主要由CAN 協議引擎、SPI 協議模塊以及SRAM 寄存器、控制邏輯幾部分構成，主要工作流程如下：CAN 總線在正常工作過程中， 通過CAN 協議發送和接收報文，并通過SPI 接口操作實現對寄存器及緩沖器中的報文發送。 在此過程中，一般需要對CAN 總線中發送的報文進行全面的檢測校驗，并與總線硬件構成中的濾波器進行匹配實驗，若成功匹配，則進行下一步的報文數據發送。 事實證明，將MCP250 和冗余技術應用到鐵路信號設備中，有效提高了鐵路系統運行的穩定性和靈活性。

2．2 冗余技術在鐵路信號雙機熱備系統軟件設計中的應用

冗余技術在鐵路信號雙機熱備系統軟件設計中的應用主要體現在CAN 總線驅動程序的應用上，主要功能是實現CAN 總線物理鏈路上報文的接收和發送。 在利用SPI 進行信號通信的過程中，主要是通過SCK 引腳微處理器向總線中的控制器提供相應的時鐘信號， 并通過管理SCK 時鐘信號，用SO 和SI 來實現數據的傳輸和轉移。

3 結語

綜上所述可知，基于冗余技術的鐵路信號雙機熱備系統對于提高鐵路運行的穩定性和安全性具有重要的作用。 因此，在鐵路信號設備研究和新技術的應用過程中，要加強對冗余技術在鐵路信號設備軟件設計和硬件設計中的應用研究，以便于在保障高速列車運行高效性的同時，提高其運行的可靠性，促進我國鐵路運輸業的現代化、智能化以及數字化的發展。

［1］周松邦.淺析冗余技術在鐵路信號設備中的運用[J].技術與市場,2013,（05）.

［2］班屹.冗余技術在鐵路信號防災系統中的應用[J].北京交通大學碩士研究論文,2011.

［3］馬連川.四模冗余結構在鐵路信號控制系統中的應用[J].蘭州交通大學學報,2005,（03）.