CTCS-3級車載系統(tǒng)雙系無擾動切換的可行性研究

孟慶堯葉 峰黃彬彬牛道恒

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100073；

2.北京市高速鐵路軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100073）

CTCS-3級車載系統(tǒng)雙系無擾動切換的可行性研究

孟慶堯1，2葉 峰1，2黃彬彬1，2牛道恒1，2

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100073；

2.北京市高速鐵路軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100073）

為了增強(qiáng)CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備的可靠性，在分析車載設(shè)備的外部接口與內(nèi)部功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合時序狀態(tài)機(jī)的相關(guān)理論分析，提出一種能夠使得CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備主備系無擾動切換的指導(dǎo)方法。針對該方法，結(jié)合相關(guān)功能點(diǎn)，進(jìn)行分析，得出該方法的可行性，此研究成果對指導(dǎo)雙系無擾動切換具有較大的實(shí)用價值。

CTCS-3級ATP車載系統(tǒng)；無擾動切換；雙冗余系統(tǒng)；高可靠性；時序狀態(tài)機(jī)

1 概述

軌道交通的列車控制信號系統(tǒng)，是一個“故障-安全”的高安全等級系統(tǒng)。為了在保持高安全等級的基礎(chǔ)上，保障系統(tǒng)的可靠輸出，會采用冗余的方式提高系統(tǒng)可靠性。

以CTCS-3級列車控制系統(tǒng)為例，車載系統(tǒng)通過無線GSM-R網(wǎng)絡(luò)，獲取行車許可等信息，按照地面控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行車輛運(yùn)行控制。

以國內(nèi)武廣高速鐵路線的ATP車載為例，ATP車載設(shè)備由以下單元/模塊組成［1］。

1）安全計算機(jī)（VC）；

2）軌道電路信息接收單元（TCR）；

3）應(yīng)答器信息接收模塊（BTM）及應(yīng)答器天線；

4）無線通信模塊（RTU）；

5）人機(jī)界面（DMI）；

6）列車接口單元（TIU）；

7）測速測距單元。

其中，安全計算機(jī)VC，作為核心處理設(shè)備，承擔(dān)了ATP車載設(shè)備的核心處理邏輯，是ATP車載設(shè)備最重要的部件。為了保證行車安全，對于核心部件，通過增加冗余比較或者冗余監(jiān)控模塊，來保障核心邏輯處理的安全性。由于增加冗余比較或監(jiān)控模塊，增加了故障點(diǎn)，因此，需要通過另一種冗余來保障可靠性，本文所研究的冗余可靠性增強(qiáng)方式為二乘冗余提高可靠性。圖1所示即為車載ATP設(shè)備的冗余結(jié)構(gòu)示意圖。

2 ATP車載設(shè)備的運(yùn)行原理

如圖2所示，CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備通過與地面的應(yīng)答器信息，得到列車的定位信息、前方線路信息等，并將定位信息通過GSM-R發(fā)送給地面控制設(shè)備RBC。同時，從RBC處獲得發(fā)送給車載設(shè)備的行車許可和限速信息。ATP車載設(shè)備再通過行車許可、限速信息和線路信息，算出目前車輛的允許速度。根據(jù)目前速度傳感器和雷達(dá)測量的實(shí)際列車速度與計算出的允許速度相比，得到當(dāng)前的列車速度控制策略，并實(shí)施速度控制。

圖1 CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備運(yùn)行原理示意圖

CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備的控制有9種模式：待機(jī)模式、目視行車模式、全監(jiān)控模式、引導(dǎo)模式、冒進(jìn)模式、冒后模式、調(diào)車模式、隔離模式和休眠模式。每種模式下的控制策略都不盡相同，各種模式之間又存在復(fù)雜的模式轉(zhuǎn)換條件。

因此，CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備，是一種既與當(dāng)前的速度信息等輸入條件相關(guān)，又與之前的線路信息、控制信息以及模式信息相關(guān)的復(fù)雜信息系統(tǒng)。

3 狀態(tài)機(jī)描述

對于一個時序系統(tǒng)，其狀態(tài)通常可以用有限狀態(tài)機(jī)來進(jìn)行描述。

一般的，一個時序系統(tǒng)當(dāng)前的輸出，不僅與系統(tǒng)當(dāng)前的輸入有關(guān)，而且與系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)。而系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，是由之前的系統(tǒng)輸入和輸出決定，也即需要將過去的信息存儲至當(dāng)前。這些存儲的信號獨(dú)立于輸入信號。

如圖3所示，I1，I2，…，In為輸入，F(xiàn)1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m為輸出，Q1，Q2，…，Qk為用于計算的存儲狀態(tài)，P1，P2，…，Pk為待存儲的前狀態(tài)。時序控制，是用于控制時序邏輯處理的控制信號［2］。

圖3 時序系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)的一般結(jié)構(gòu)圖

一般的，圖3中的輸出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m應(yīng)該是I1，I2，…，In及Q1，Q2，…，Qk的函數(shù)：

在特殊情況下，當(dāng)輸入I1，I2，…，In條件不存在，或者其對輸出不產(chǎn)生影響時，輸出只與狀態(tài)Q1，Q2，…，Qk的相關(guān)，此時，式（1）退化為：

為區(qū)分這兩種時序狀態(tài)機(jī)的不同之處，我們稱：

式（1）所代表的狀態(tài)機(jī)為Mealy機(jī)［3］——與當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入有關(guān)；

式（2）所代表的狀態(tài)機(jī)為Moore機(jī)［4］——與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，與當(dāng)前輸入無關(guān)。

從狀態(tài)機(jī)的角度考慮，CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備是一個復(fù)雜的Mealy狀態(tài)機(jī)。對于這樣一個Mealy狀態(tài)機(jī)，已經(jīng)不能考慮簡單的組合邏輯和時序邏輯處理的區(qū)別，而是當(dāng)前周期邏輯處理與歷史時序存儲信息處理之間的區(qū)別。同時，考慮到冗余結(jié)構(gòu)，CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備的核心設(shè)備安全計算機(jī)的邏輯狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

4 雙系切換分析

針對CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備來講，如果希望實(shí)現(xiàn)主備系的無擾動切換，需要明確無擾動切換的必要條件。

從有限狀態(tài)機(jī)的角度出發(fā)，對于圖4所示的主備系的Mealy狀態(tài)機(jī)，如果希望能夠?qū)崿F(xiàn)無擾動切換，實(shí)際上是希望輸出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m，故障時，輸出F'1，F(xiàn)'2，…，F(xiàn)'m能夠接替進(jìn)行輸出，也就是希望實(shí)現(xiàn)輸出F'1，F(xiàn)'2，…，F(xiàn)'m對輸出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m的自動隨動。

圖4 雙系冗余的CTCS-3級ATP車載設(shè)備邏輯狀態(tài)機(jī)示意圖

對于CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備的Mealy狀態(tài)機(jī)，其功能函數(shù)如式（1）所示是確定的函數(shù)，輸出F'1，F(xiàn)'2，…，F(xiàn)'m對輸出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m的隨動，可以分解為輸入I'1，I'2，…，I'n以及狀態(tài)Q'1，Q'2，…，Q'k對于輸入I1，I2，…，In以及狀態(tài)Q1，Q2，…，Qk的隨動。同時，由于時序存儲信息的邏輯處理，對于主備系來講也是確定的函數(shù)。因此，狀態(tài)Q'1，Q'2，…，Q'k的對于Q1，Q2，…，Qk的隨動，又化解成待存儲的前狀態(tài)P'1，P'2，…，P'k對于P1，P2，…，Pk的隨動。

總結(jié)起來，Mealy狀態(tài)機(jī)的無擾動切換也就是實(shí)現(xiàn)輸入I'1，I'2，…，I'n以及狀態(tài)P'1，P'2，…，P'k對于輸入I1，I2，…，In以及狀態(tài)P1，P2，…，Pk的隨動。同時，由于從輸入到輸出需要一個周期的運(yùn)算，為了保證切換周期的輸出無斷續(xù)，需要把當(dāng)前周期的輸出也隨動輸出。具體的工作情況如圖5所示。圖5中，除了上述的輸入隨動、帶存儲前狀態(tài)隨動、輸出隨動外，還需要注意的一點(diǎn)就是時序控制的同步。

對于輸入的同步隨動，比較容易實(shí)現(xiàn)：將輸入的電平信號和脈沖信號并聯(lián)接入到主備雙系中；對于通信信息來講，針對不同的通信總線特性，可以采用并聯(lián)、監(jiān)聽以及主備間轉(zhuǎn)發(fā)等形式完成。

對于輸出的隨動和時序控制的同步，也可以采用類似輸入同步隨動的方式進(jìn)行。

圖5 Mealy狀態(tài)機(jī)雙系無擾動切換的模型示意圖

對于帶存儲前狀態(tài)，由于CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備的功能復(fù)雜，運(yùn)行模式多樣，內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)多，因此是無擾動切換的難點(diǎn)。對此，需要針對ATP車載設(shè)備的各個功能點(diǎn)進(jìn)行分解，以減少分析復(fù)雜度。

這里結(jié)合圖6針對監(jiān)控曲線計算和速度監(jiān)控功能為例進(jìn)行分析說明。

速度監(jiān)控是將當(dāng)前實(shí)時速度和速度監(jiān)控曲線的允許速度進(jìn)行比較從而決定制動輸出的情況，而當(dāng)前的實(shí)時速度是外部輸入，速度監(jiān)控曲線是經(jīng)過監(jiān)控曲線計算得到的。監(jiān)控曲線計算的功能涉及到的變量有：當(dāng)前線路信息、限速信息、行車許可信息和車輛制動模型等信息。這些信息中，車輛制動模型是固化在程序和配置參數(shù)中的固定信息，線路信息、限速信息和行車許可信息均是之前輸入信息的存儲，沒有相關(guān)存儲信息的時序處理。因此，針對監(jiān)控曲線計算功能，主備系不需要同步隨動存儲前狀態(tài)，只要輸入的線路信息、限速信息、形成許可等信息同步即可按照監(jiān)控曲線計算公式得到監(jiān)控曲線的計算結(jié)果。

這里需要注意的是，如圖6中所示，速度監(jiān)控功能和監(jiān)控曲線的計算過程應(yīng)該同步，同時主備系間的切換控制器也需要周期同步。此外，備系的制動控制信息是否輸出，需要根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由切換控制器功能進(jìn)行控制。

圖6 監(jiān)控曲線計算和速度監(jiān)控狀態(tài)機(jī)雙系無擾動切換的模型示意圖

CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備的其他功能，例如列車測速定位功能、溜逸防護(hù)功能等，均可以按照上述思路進(jìn)行分析，以便確定主備系間需要同步的帶存儲前狀態(tài)。

5 結(jié)論

我國的CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備功能復(fù)雜，目前尚無主備雙系完備的無擾動切換解決方案。本文通過對CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備的外部接口、內(nèi)部功能分析，結(jié)合時序狀態(tài)機(jī)的相關(guān)設(shè)計方法，對CTCS-3級列車控制系統(tǒng)ATP車載設(shè)備主備雙系的無擾動切換解決方法進(jìn)行了研究，并針對個別功能點(diǎn)進(jìn)行了初步設(shè)計分析。通過分析得到，該方法可以解決主備雙系間的無擾動切換問題。

［1］科技運(yùn)［2008］127號 CTCS-3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2008..

［2］吳訓(xùn)威，盧仰堅.Moore機(jī)與Mealy機(jī)之間的轉(zhuǎn)換研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2000，27（2）：219-224.

［3］ Mealy G H. A method for synthesizing sequential counts［J］.Bell System Technical Journal，1955，34（5）：1045-1079.

［4］ Moore E F. Gedanken experiments on sequential machines， in automate studies［M］.Princeton N J：Princeton University Press，1956.

In order to enhance the reliability of CTCS-3 onboard ATP equipment， the paper puts forward a method of non-disturbance switching between main and standby CTCS-3 ATP on-board systems based on functional analysis of external and internal interfaces of the systems and the theory analysis of sequence state machine. The analysis of the relevant functions of the systems shows that the method is feasible and can be applied to guide most kinds of non-disturbance switching between dual redundant systems， which has great practical value.

CTCS-3 onboard ATP system； non-disturbance switching； dual redundant systems； high reliability； sequence state machine

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.06.001

2014-09-11）