軌道電路設備冗余方式探討

羅能斌

摘 ?要：文章主要分析對比了當前國內軌道電路系統中發送、接收設備普遍應用的“N+1”“1+1”及“0.5+0.5”冗余結構，重點對“N+1”冗余結構的可靠性進行了計算分析，并根據計算分析結果，對如何提高現場軌道電路系統的可靠性提出了建議。

關鍵詞：軌道電路;冗余;可靠性;N+1

中圖分類號：U284.92 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）28-0123-02

Abstract： This paper mainly analyzes and compares the redundancy structures of "N+1"， "1+1" and "0.5+0.5" which are widely used in the sending and receiving equipment of the domestic track circuit system， and focuses on the calculation and analysis of the reliability of the redundancy structure of "N+1". According to the results of calculation and analysis， some suggestions are put forward on how to improve the reliability of the field track circuit system.

Keywords： track circuit; redundancy; reliability; N+1

軌道電路作為鐵路信號基礎設備，對保證行車安全、提高運輸效率具有至關重要的作用，對其可靠性、安全性的研究歷來都是軌道電路研究的重點。隨著對設備運行可靠性、安全性的要求越來越高以及技術的不斷發展，各種冗余方式也普遍應用于軌道電路發送及接收設備，以最大限度的保證軌道電路的正常工作。本文主要闡述國內目前主要采用的軌道電路發送、接收設備的冗余方式，并對其進行對比分析。

1 “N+1”冗余方式

“N+1”冗余在軌道電路中最典型的應用就是普速ZPW-2000A無絕緣軌道電路及站內電碼化發送器。其冗余原理是在最低需求的N臺發送器之外再設置第“N+1”臺發送器，當所有發送器均正常輸出時，發送器內CPU1、CPU2驅動安全與門電路輸出，使發送報警繼電器FBJ勵磁;當N臺發送器中有一臺發送器出現故障，即該發送器內CPU1、CPU2檢測到產生的移頻信號中載頻、低頻或電壓幅度不正常，則安全與門無輸出，FBJ落下，使+1發送器通過切換電路介入，代替故障發送器，保證軌道電路或電碼化的正常工作。

“N+1”冗余的特點是，若N中僅有一臺發送器故障，則切換至+1發送器并報警;若+1發送器故障，則+1發送器報警，不影響其他正常使用的發送器;若N中有兩臺發送器故障，則切換電路中優先級較高的發送器由+1發送器替代，而優先級較低的發送器無法正常切換，該軌道電路呈故障狀態。

對工程應用而言，ZPW-2000A系統發送器采用“N+1”冗余系統其最大優點是設備投資成本增加較少但系統可靠性顯著提高，其缺點一方面是冗余程度有限，最多只能承受一臺設備故障而不影響整體系統的工作，另一方面是切換電路復雜，須對載頻、低頻、輸出電平等條件均切換至+1發送。

2 “1+1”冗余方式

“1+1”冗余方式是指兩套設備互為備用，也可將其理解為“N+1”冗余當N=1的一種特殊情況。這種冗余方式在軌道電路中的應用同樣比較普遍，如25Hz相敏軌道電路中的雙套微電子相敏接收器、客專ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路中的發送器等，均采用這種冗余方式。稍有不同的是對雙套微電子相敏接收器而言，其呈雙機并聯運用模式，正常情況下兩套接收器均接收并處理輸入信號，共同驅動軌道繼電器JWXC-1700，而客專ZPW-2000A發送器則是正常情況下主機接入電路，當主機故障時備機通過FBJ接點切換代替主機工作。

對工程應用而言，“1+1”冗余方式的優點是可靠性高，主機和備機中任意一臺設備故障均不會影響整體系統的正常工作，也不會占用其他系統的冗余資源;其缺點是設備投資成本較高，和“N+1”冗余結構相比，發送設備的投資高了一倍。

3 “0.5+0.5”冗余方式

“0.5+0.5”冗余與“1+1”冗余較為相似，從整體冗余結構而言，二者完全一樣，不同點在于“1+1”冗余是完全相同且僅用于本系統的兩臺設備互為主備，以客專ZPW-2000發送器為例，一個區段需兩臺發送器通過FBJ切換實現冗余;而“0.5+0.5”冗余則是每臺設備分主備兩部分，以ZPW-2000A接收器為例，本區段接收器分別接收并處理本區段和相鄰區段兩個區段的軌道電路信號，并將相鄰區段接收器對本區段軌道信號的處理結果回傳并聯至本區段主機輸出后共同驅動軌道繼電器。

對工程應用而言，“0.5+0.5”冗余的優點是可靠性高，系統平均無故障工作時間和“1+1”冗余一致，同時其一套設備處理兩路信息，且對本區段和相鄰區段信號的處理共用同一組CPU1、CPU2，設備成本相對“1+1”冗余較低。

4 冗余系統平均故障間隔時間的計算分析

根據馬爾可夫模型，可推導出“N+1”冗余系統的平均故障間隔時間MTBF1和“1+1”冗余系統的平均故障間隔時間MTBF2表達式分別為：

參考相關資料中ZPW-2000A發送器故障率λ=1.527*10-4，故障修復時間1/μ分別為1h、2h（有人值守站）和4h、8h（無人值守站）時，可計算出在不同數量發送器情況下的系統平均故障間隔時間，數據如表1所示：

對表1數據進行分析，可得如下結論：（1）對“N+1”冗余結構，若故障修復時間不變，N值越大，則平均故障間隔時間越小;（2）若N值固定，故障修復時間越大，平均故障間隔時間越小;（3）由于“1+1”冗余結構為“N+1”冗余結構當N=1的特殊形式，由表1也可得出，“1+1”冗余結構的平均故障間隔時間顯著大于“N+1”冗余結構的平均故障間隔時間。

此外，當前信號設備大修周期一般為15年，軌道電路作為鐵路信號的重要基礎設備，從冗余設計的目的而言，即使有設備發生故障需要維修更換，也應保證在一個大修周期內系統仍能不間斷工作，以免影響鐵路運輸行車效率。因此，對于“N+1”冗余結構，計算滿足15年大修周期內系統不間斷工作要求的不同故障修復時間和對應的N值就顯得很有必要。

根據上式計算出故障修復時間1/μ分別為1h、2h、4h、8h所對應的N值即可，計算結果如表2所示。

由表2數據可知，若要保證“N+1”冗余結構在理論上滿足15年大修周期內不間斷工作，其N值不宜選取過大，當然，上述計算采用的故障率λ=1.527*10-4相對較為保守，隨著當前電工電子技術的不斷發展，產品故障率越來越低，保證“N+1”冗余結構在理論上滿足15年大修周期內不間斷工作的N值也就越大。

5 結束語

軌道電路作為保障鐵路行車安全及效率的重要基礎設備，其發送、接收設備的冗余方式與鐵路運輸效率息息相關。對于設備研發單位而言，應盡可能降低設備故障率，提高設備可靠性，并實現成本可控;對于現場應用單位而言，應盡可能縮短故障修復時間，對于“N+1”系統中N值較大的情況，還應考慮分上、下行分別設置“+1”冗余設備，以提高系統故障間隔時間。

參考文獻：

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