全電子聯鎖計軸系統通信冗余技術方案探討

閆 浩

(中國鐵建電氣化局集團第二工程有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

近年來，地鐵信號自動化無人駕駛技術發展迅速，全電子計算機聯鎖系統逐漸替代了傳統聯鎖繼電接觸式控制方式，地鐵信號計軸系統是保障全自動運行降級功能及提高行車效率的重要設備。從城市軌道交通全電子聯鎖計軸系統設備的實際情況出發，分析數字接口的計軸系統中繼通信存在板卡故障對通信中斷冗余的影響，從而采用二取二冗余技術方案，并詳細介紹計軸系統的結構、中繼板的原理及應用、計軸系統通道技術方案，提出的二取二冗余技術可以有效地提高數據傳輸的可靠性。為進一步提高計軸系統的可靠性，對計軸系統數據通信通道設備進行優化，形成雙通道互為冗余傳輸設置，在實際應用中具有重要意義。

1 計軸系統結構分析

計軸系統主要由室內和室外設備組成，室內主要由放大板、計軸板、輸出板、復零板和電源板等單元組成，室外主要由車輪傳感器組成。其中，車輪傳感器、放大板、計軸板、輸出板等，為聯鎖、監測系統提供軌道區段占用或空閑的信息接口。計軸系統是城市軌道交通信號系統中軌道區段空閑與占用狀態軌道檢測信號設備，常用于正線及場段。計軸系統有外接復零條件以及與聯鎖和微機監測等設備的接口，計軸系統可以通過繼電器接口及安全數字接口與計算機聯鎖系統連接。

全電子聯鎖系統中計軸系統通過安全數字接口與計算機聯鎖系統連接，能通過基于安全通信協議的安全通信與計軸系統交換信息，包括軌道空閑/占用和計軸復位等，其應用結構的組成框圖如圖1所示 。

圖1 計軸系統應用框圖(數字接口)

全電子聯鎖系統通常采用數字接口，計軸提供的數字接口通信由通信板完成，計軸系統機柜滿配24個區段，如果單個機柜設置滿足計軸區段配置，此時接口通信則不需要配置中繼板。根據目前線路設置情況，單機柜配置遠不能滿足功能需求，超出時需要按2個機柜進行配置，數字接口應用需要增配中繼板進行通信中繼，將另一個機柜的信息發送給主機的通信板進行二乘二取二處理后提供給外部聯鎖使用。一般每個聯鎖集中區所有的計軸機柜信息匯總到主機機柜后，通過主機機柜的中繼板(A/B)轉發輸出板(CPUA/B)的數據至通信板(A/B)連接到信號系統的安全通信網(A、B雙網，或者紅、藍雙網)的2個交換機后，再與聯鎖系統通信。

2 中繼板的作用

計軸系統板卡之間主要采用串口及CAN總線進行通信，每個區段2個板卡(計軸板、輸出板)，每個板卡含2個通道，因此一個區斷需占用4個通信節點。當采用多個機柜時，通信節點數量增多，超出總線最大值(110)，故多機柜通信需要增加中繼板作為新的通信節點擴容，故多機柜通信每個機柜需要配置中繼板中繼。

中繼板系統原理圖如圖2所示，中繼板作為系統內機柜間信息的中繼傳輸，板卡設計為雙通道冗余結構，板內通道間相互隔離、互不干擾。計軸系統機柜超出滿配區段設置時需要按多個機柜進行配置，數字接口應用需要在新增機柜內增配中繼板進行柜間通信中繼，將另一個機柜的信息發送給主機的通信板進行二乘二取二處理后提供給外部聯鎖使用。中繼板采用雙CPU集成核心控制器，軟件采用雙CPU獨立運算相互隔離，2個CPU運算采用的數據包括安全采集數據、安全輸出數據，安全通信數據和中間數據，2個CPU分別進行一個通道的運算，2個CPU之間具有數據比較、同步比較、結果比較等聯系，只有運算結果相同時，才允許輸出。

圖2 中繼板系統原理圖

另外，中繼板按機柜順序進行地址撥碼設置。數字接口應用時，多臺機柜級聯時，需要增加中繼板CON/9，中繼板內的撥碼開關需要按給定的機柜順序進行設置，從1開始，最大10結束。撥碼開關8為低位，其中第1位為奇偶校驗位，“4～8”撥1的個數為偶數時撥0，為奇數時撥1。

3 計軸系統通道技術方案分析

計軸系統的穩定性將影響到信號設備的正常工作，進而影響到行車的效率和安全，需要根據后期運行的實際情況選取合適的配置方案。我國城市軌道交通建設的建設規范和準則未對計軸系統中繼板配置的冗余性質作出明確規定，故不同軌道交通線路的中繼板配置方案可能存在差別。中繼板作為系統內機柜間信息的中繼傳輸，板卡設計為雙通道冗余結構。通過分析整合運行線路，確定如下的計軸系統通信配置方案。

3.1 單板冗余方案

單板冗余是指計軸系統配置方案中只設置一套中繼板，計軸系統數據傳輸方式較為簡單，此方式直接利用板卡的雙通道構建通信冗余功能。

單板冗余配置方案如圖3所示。每個計軸機柜配置一套中繼板，中繼板1/2共用一套ID撥碼作為機柜號，以區分不同機柜，通過單塊中繼板(單板卡撥碼)實現2oo2功能。中繼板的通道A/B同時接入CAN1通道，通道A/B同時接入CAN2通道。單中繼板同步轉發計軸主系統通道a/b的數據，單塊中繼板實現2oo2。中繼板板內兩通道互為冗余，通信板對收到的計軸區段(通道a，b)數據進行二取二處理。在這種配置方案當中，若中繼板板卡出現故障問題時，板卡二取二2oo2不通過，設備導向安全占用，不能實現單板卡故障冗余。

圖3 單板冗余方案

3.2 雙板冗余方案

雙板冗余指計軸系統配置方案中設置2套中繼板，此方案分別利用板卡一個通道構建通信冗余功能。

雙板板冗余配置方案如圖4所示。每個計軸機柜配置2套中繼板，計軸系統通信通過2塊獨立的中繼板(2套獨立的撥碼)實現二取二2oo2功能。中繼板1的通道A同時接入CAN1和CAN2通道，中繼板1的通道B不接入CAN總線中；中繼板2的通道B同時接入CAN1和CAN2通道，中繼板2的通道A不接入CAN總線中，中繼板12同步轉發計軸主系統通道a/b的數據。以機柜1計軸區段為例，通過雙通道將區段信息發給通信板，此技術方案，若其中一塊中繼板板卡出現故障問題時，CAN總線可實現雙通道通信，但是另一塊中繼板只能實現板內單通道通信，板卡2oo2不通過，不能實現單板卡故障冗余，僅實現板內單通道通信。

圖4 雙板冗余方案

3.3 雙板二取二方案

雙板二取二方案中，此方案利用中繼板的2通道構建通信二取二功能，每個機柜配置2塊中繼板設置，設置方案如圖5所示。

圖5 雙板二取二方案

中繼板板卡采用內部雙通道冗余，中繼板12共用一套ID撥碼作為機柜號，同一機柜的2塊中繼板供電不同，以區分其他機柜。通過2塊獨立的中繼板(2套獨立的撥碼)實現2oo2功能。中繼板板內兩通道互為冗余，中繼板的通道A接入CAN1通道，通道B接入CAN2通道。中繼板1僅轉發計軸主系統通道a的數據，中繼板2僅轉發計軸主系統通道b的數據，2塊中繼板1和2實現2oo2。通信板對收到的計軸區段(通道a，b)數據進行二取二處理。以機柜1計軸區段為例，通過雙通道將區段信息發給通信板，在這種技術方案中，若其中一塊中繼板板卡出現故障問題時，板卡2oo2不通過，設備導向安全占用，不能實現單板卡故障CAN總線通道冗余，僅能實現板內單通道故障冗余。

3.4 雙板二取二冗余方案

雙中繼板二取二冗余是指計軸系統配置方案中多機柜級聯每個機柜設置2套中繼板，此方案分別利用中繼板的2通道構建通信冗余及二取二功能，設置方案如圖6所示。

圖6 雙板二取二冗余方案

中繼板設計采用雙通道相互獨立隔離，且具備2套相互獨立撥碼開關。中繼板1的通道1A轉發計軸主系統通道a的數據，中繼板1的通道1B轉發計軸主系統通道b的數據；中繼板2的通道1A轉發計軸主系統通道a的數據，中繼板2的通道1B轉發計軸主系統通道b的數據，單塊中繼板1(2套獨立的撥碼開關)即可實現2oo2。以機柜1計軸區段為例，通過雙通道將區段信息發給通信板，在這種技術方案中，中繼板1傳輸CAN1數據，中繼板2傳輸CAN2數據，2塊中繼板實現相互冗余，若其中一塊中繼板板卡出現故障問題時，也可實現雙通道冗余功能，實現通信板對收到的計軸區段(通道a，b)數據進行二取二及冗余處理。

4 國內計軸系統中繼板設置現狀

目前從深圳已開通的全電子聯鎖計軸系統地鐵線路設置情況可以看出，已開通的城市軌道交通線路大都采用雙板二取二配置方案，如深圳地鐵20號線。在建線路中有部分工程正在進行雙板二取二冗余配置方案的嘗試。由于信號系統的安全性，其使用的設備必須有成熟穩定的運行業績，雖然雙板二取二冗余配置理念可行，符合軌道交通故障安全的發展方向，但目前對雙板二取二冗余配置技術仍處在研究和嘗試階段，建議城市軌道交通在初設階段就開始研討可行性，項目實施階段信號系統與其他系統接口方案需要慎重考慮，以免影響線路正常開通運營。

5 可靠性分析

上述4種技術方案核心部分在于中繼板設備，當多機柜配置的中繼板出現故障問題時，與中繼板相連接的通信板會出現通信中斷的問題，從而導致計軸系統故障對信號聯鎖系統造成影響。雙中繼板二取二配置方案的冗余網絡完全按雙套設備配置，正常情況下2個網絡互為冗余，提高了系統可靠性，對冗余網絡來說，沒有熱備/冷備之說，2個網絡同時工作。當某個機柜的中繼板故障時，僅影響本通道該網絡的通信，對另一個網絡通信沒有任何影響，從而保證計軸系統中繼通信的穩定性及可靠性。雙中繼板二取二配置方案的最大優點在于其有完整的可靠運行開通線路，如上海10號線、深圳地鐵20號線，盡管其可靠性低于雙中繼板二取二冗余方案，但由于設備電路簡單的原因，其發生故障的概率也相對較低。系統或設備采用具備單機脫系能力的硬件安全冗余結構，按照故障-安全原則設計，中繼板冗余設備之間實現無擾切換，切換不影響對在線列車的正常監控功能，并具有較高的可用性和可維護性，中繼板二取二的結構是一套冗余的網絡。冗余設備中的一套設備完全不能工作時，另一套仍然可以無擾工作，并且具有相同的性能，單個處理通道的故障不會導致該通道不能提供正常的服務。雙中繼板二取二冗余方案的優勢體現在雙重保障方面，一塊中繼板故障僅影響其中一路CAN總線數據異常，另一塊中繼板與通信板仍然能夠正常地輸出區段數據，因其通道互為冗余，設備滿足故障-安全的原則，并具有較高的可用性和可維護性，在故障導向安全性優于前3種方案。

6 結語

信號系統是城市軌道交通指揮列車運行，保證列車安全運行的關鍵設備，而計軸系統則為信號系統提供列車定位，因次計軸系統的可靠運行對行車安全及行車效率起到了直接的影響作用。計軸系統多發的故障為室外計軸受擾及板卡故障，板卡故障多通過現場更換備用板卡實現故障處理。本文通過對比單板卡和雙板卡技術方案，給出適用于全自動運行下計軸系統中繼傳輸的通信方案。本文給出了4種通信的技術方案，并分析了各自的優缺點，推薦采用雙中繼板二取二冗余技術方案的配置。雙中繼板二取二冗余技術方案相較于其他3種技術方案，從系統結構設計穩定上提高了一定可用性，但在城軌領域尚未有實際的工程應用先例和經驗，而信號系統又是涉及行車安全的關鍵系統，為降低整個系統的實施風險，確保達到可靠性指標，滿足運營要求和工程工期要求，該項研究成果正等待主管部門擇時安排開展“場段”現場試驗，以便于驗證其穩定性及安全性，并進一步改進完善，促使該項研究成果在正線信號系統中得到廣泛的推廣及應用。