甘 勇

（中鐵第四勘察設(shè)計院（集團(tuán)）有限公司通號處，430063，武漢∥助理工程師）

城市軌道交通信號系統(tǒng)具有極高的安全可靠要求，不僅要采用高可靠的元件、器件和軟件，而且還要具有故障導(dǎo)向安全的特性。冗余技術(shù)是計算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計中常采用的一種技術(shù)，是提高信號系統(tǒng)可靠性的最有效方法之一。通常會在控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用中采用冗余技術(shù)。即重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間，從而提高系統(tǒng)的安全可靠性。

在GB／T12758—2004《城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件》［1］中，規(guī)定了城市軌道交通信號系統(tǒng)的總則、系統(tǒng)，以及基本功能、技術(shù)要求和環(huán)境條件。主要有：①信號系統(tǒng)及其產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)行可靠性描述，要求采用必要的冗余技術(shù)。②信號系統(tǒng)的平均無故障間隔時間（MTBF）根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成的冗余度確定。③信號系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行可用性描述，要求重要設(shè)備應(yīng)有冗余措施，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有冗余措施，行車指揮中心及車站主要設(shè)備應(yīng)采用有效的冗余技術(shù)，主備系統(tǒng)宜實現(xiàn)無擾切換。④裝備列車自動防護(hù)系統(tǒng)的列車，其實際車速的表示應(yīng)由列車自動防護(hù)系統(tǒng)的車載設(shè)備驅(qū)動，采用車輪轉(zhuǎn)速測定列車速度時，應(yīng)具有輪徑磨耗補(bǔ)償，根據(jù)需要可有車輪空轉(zhuǎn)打滑的檢測能力，測速裝置宜采用冗余技術(shù)。⑤聯(lián)鎖設(shè)備必須符合故障－安全的原則，應(yīng)采用必要的冗余和安全技術(shù)并具有故障診斷和報警能力。⑥電源系統(tǒng)主要功能單元，宜采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)應(yīng)采用冗余措施，具有較高的可靠性，保證信號系統(tǒng)供電可靠。因此合理的冗余設(shè)計將大大提高信號系統(tǒng)的可靠性和安全性。以下就信號系統(tǒng)的冗余方式進(jìn)行分析。

1 軟硬件冗余設(shè)計方案

1.1 軟件冗余設(shè)計方案

軟件冗余方案示意圖見圖1。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)2套輸入電路讀入。在1臺主機(jī)內(nèi)有2套獨立程序：程序A和B同時按照獨立的格式依次對輸入數(shù)據(jù)處理。在正常情況下，2套獨立程序處理的結(jié)果是相同的。經(jīng)過比較器電路進(jìn)行結(jié)果比較，在結(jié)果一致時，經(jīng)2套輸出電路輸出，圖中接點A、B吸起，接通控制電路。在發(fā)生故障時，由于程序A、B的獨立性，致使處理結(jié)果不一致。該結(jié)果導(dǎo)致比較器電路輸出為零，圖中接點A、B落下，切斷控制電路的供電。由于聯(lián)鎖邏輯是遵循故障－安全準(zhǔn)則，所以控制電路失電必然導(dǎo)向安全的結(jié)果。

圖1 帶比較結(jié)果的“一硬二軟”軟件冗余方案示意圖

在軟件冗余方式中，存儲器、CPU等都是共用，則程序編制必須嚴(yán)格獨立。至少應(yīng)該由2人分別獨立編制，以防止一個硬件上的故障使2套程序產(chǎn)生同樣的結(jié)果。從理論上說，2套程序的絕對獨立是不可能的。通常認(rèn)為，每一項硬件故障使2套程序產(chǎn)生同樣錯誤的概率為10－3，則采用“一硬二軟”的軟件冗余方案時2次危險結(jié)果之間的間隔時間為tg＝ MTBF×103，其中MTBF為計算機(jī)的平均故障間隔時間（h）。但該類“一硬二軟”軟件冗余方案所占內(nèi)存空間較大，處理時間較長，輸入電路有一些共用部分（如電源），二次電路不是完全獨立的，孿生性故障隱患仍然存在。

1.2 硬件冗余設(shè)計方案

1.2.1 “二取二”硬件冗余系統(tǒng)原理

圖2為帶有結(jié)果比較的雙機(jī)并行處理的原理圖，稱“二取二”系統(tǒng)。在正常情況下，2臺相同計算機(jī)A、B對輸入數(shù)據(jù)處理結(jié)果相同；該處理結(jié)果經(jīng)比較確認(rèn)后，就使同步器的控制脈沖命令得以通過比較器，輸出電路給出控制命令。發(fā)生故障時，雙機(jī)處理結(jié)果不相同，比較器電路通過同步器切斷計算機(jī)的處理過程，鎖住控制命令的發(fā)出，且通過輸出信號轉(zhuǎn)換電路切斷控制電流，給出故障報警。

2套比較器電路A、B彼此獨立，逐位檢查2臺計算機(jī)處理的一致性。比較器在每收到一次監(jiān)視脈沖后開始工作。計算機(jī)在每一步節(jié)拍之前先給出一個監(jiān)視脈沖，然后檢測一下比較器通道是否暢通。如果上一步節(jié)拍2臺計算機(jī)處理結(jié)果是一致的，則比較器通道暢通。同時，比較器給同步器一個無故障回執(zhí)，同步器收到回執(zhí)之后才給出下一步節(jié)拍脈沖。用該方式實現(xiàn)每一步節(jié)拍后校準(zhǔn)雙機(jī)的一致性。倘若出現(xiàn)不一致，比較器阻塞，不給出無故障回執(zhí)，于是同步器也不給出下一步節(jié)拍脈沖，計算機(jī)停止處理信息，給出故障報警，切斷控制電路的電源。此并行計算機(jī)硬件冗余系統(tǒng)是符合故障－安全準(zhǔn)則的?！岸《庇布哂嘞到y(tǒng)有如下特點：①計算機(jī)本身并不具有故障－安全特性，但圖2所示的帶結(jié)果比較的雙機(jī)并行系統(tǒng)具有故障－安全特性；②2套計算機(jī)在空間上分開，可以用相同程序，即“一軟二硬”硬件冗余；③由于是并行處理，則在處理時間上是最優(yōu)的；④如上所述，個別故障不會出現(xiàn)危險，設(shè)出現(xiàn)雙重故障的概率為W（與前述相同，取10－3），則2次危險結(jié)果之間的間隔時間為tg＝ MTBF2／（2W）＝ MTBF2×103／22；⑤隨著硬件價格的逐步降低，該方式在價格上的優(yōu)勢因其節(jié)省一套軟件而日趨明顯。

圖2 “二取二”硬件冗余方案示意圖

1.2.2 “三取二”硬件冗余系統(tǒng)原理及特點

“二取二”硬件冗余系統(tǒng)很容易擴(kuò)展為安全性、適用性更高的三機(jī)并行系統(tǒng)，即所謂“三取二”系統(tǒng)。圖3為“三取二”硬件冗余系統(tǒng)原理圖。每臺計算機(jī)帶2個硬件比較器，當(dāng)3臺計算機(jī)全部正常工作時，6個比較器電路均獲得一致的結(jié)果，控制命令能正常執(zhí)行。一旦有一臺計算機(jī)故障，例如計算機(jī)Ⅱ故障，于是比較器12、21、23、32因輸入信號不一致而阻斷控制命令，但比較器13及31仍能保證控制電流通過。同時，比較器21和23同時阻斷，經(jīng)與門使計算機(jī)Ⅱ的同步器不給出下一節(jié)拍脈沖，計算機(jī)Ⅱ停止工作，此時整個系統(tǒng)稱為完整的雙機(jī)并聯(lián)運行系統(tǒng)。在一臺計算機(jī)故障時，系統(tǒng)從“三取二”過渡到“二取二”，并不影響信號系統(tǒng)的使用。

2 各種冗余技術(shù)的分析與應(yīng)用

圖3 “三取二”硬件冗余方案示意圖

隨著計算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，其硬件冗余技術(shù)也經(jīng)歷了從雙機(jī)冷備、雙機(jī)準(zhǔn)熱備到雙機(jī)熱備，以及二乘二取二、三取二等過程。雙機(jī)冷備設(shè)2套主機(jī)，主機(jī)運行，備機(jī)關(guān)機(jī)，人工進(jìn)行切換；主機(jī)故障時報警，人工按壓切換按鈕。雙機(jī)準(zhǔn)熱備，主機(jī)進(jìn)行運算，備機(jī)采集主機(jī)狀態(tài)，準(zhǔn)備切換；主機(jī)故障時需要系統(tǒng)間切換，備機(jī)轉(zhuǎn)為工作機(jī)時有“黑屏”、打滅信號等現(xiàn)象。雙機(jī)熱備，2套主機(jī)，2臺主機(jī)進(jìn)行獨立運算，主機(jī)輸出驅(qū)動，備機(jī)不輸出，監(jiān)測主機(jī)狀態(tài)，準(zhǔn)備切換；主機(jī)故障時需要在系統(tǒng)間進(jìn)行切換，為可靠的冗余結(jié)構(gòu)，但需解決輸出電路的隔離問題。二乘二取二，4套主機(jī)，4臺主機(jī)運行，兩系進(jìn)行獨立運算，主系輸出驅(qū)動，備系不輸出，監(jiān)測主系狀態(tài)，準(zhǔn)備切換；主系故障時需要在系統(tǒng)間進(jìn)行切換，為可靠的冗余結(jié)構(gòu)，但需解決兩系輸出驅(qū)動電路的隔離及切換問題，有較完善的同步機(jī)制、容錯性能，但無重構(gòu)技術(shù)。三取二系統(tǒng)，3臺主機(jī)同時進(jìn)行運算，系統(tǒng)對3個輸出結(jié)果判別，2個以上結(jié)果相同輸出驅(qū)動，無需進(jìn)行系統(tǒng)切換；故障時系統(tǒng)降級成為二取二，沒有黑屏現(xiàn)象和信號閃爍的隱患，有較完善的同步和故障機(jī)數(shù)據(jù)重構(gòu)性能，具備帶電拔插功能，方便維修。在城市軌道交通信號系統(tǒng)中，主要行車設(shè)備或子系統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng)必須采用二乘二取二或三取二計算機(jī)冗余技術(shù)；每列車應(yīng)配置三取二或二乘二取二冗余結(jié)構(gòu)的車載設(shè)備，車載設(shè)備如采用二取二模式，兩端ATP設(shè)備應(yīng)該做到互為冗余備用。聯(lián)鎖、ATP（列車自動防護(hù)）子系統(tǒng)等安全設(shè)備的計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)采用三取二或二取二的安全型冗余結(jié)構(gòu)。電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，采用“1＋1”或“N＋M”在線熱備冗余工作技術(shù)，并可熱插拔更換模塊。信號系統(tǒng)軟件應(yīng)有冗余、容錯及糾錯性能，不允許因故障造成系統(tǒng)失控，故障應(yīng)導(dǎo)向安全。為提高信號系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)；ATS（列車自動監(jiān)控）子系統(tǒng)的主要設(shè)備如各類型的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等應(yīng)冗余配置，工作站應(yīng)能互為備用。

下面以URBALISTM系統(tǒng)（ALSTOM 用于大客運量軌道交通解決方案的標(biāo)準(zhǔn)信號系統(tǒng)產(chǎn)品）為例進(jìn)行冗余分析。URBALISTM系統(tǒng)或設(shè)備采用安全冗余結(jié)構(gòu)，按照故障－安全原則設(shè)計，其冗余原則基于設(shè)備冗余和通信冗余。設(shè)備冗余中，子系統(tǒng)采用熱備冗余制式：ZC（軌旁ATP／ATO控制器（區(qū)域控制功能））和LC（軌旁ATP／ATO控制器（線路控制功能））采用“三取二”平臺技術(shù)。CC（車載控制器）是基于單編碼處理器技術(shù)和三取二技術(shù)的車載系統(tǒng)。每列車首尾各設(shè)有一套完整的CC系統(tǒng)，首尾熱備冗余，其中輸入輸出模塊采用三取二結(jié)構(gòu)。CBI（計算機(jī)聯(lián)鎖）采用二乘二取二冗余結(jié)構(gòu)，這樣單個設(shè)備故障不會影響到整個系統(tǒng)的運行。臨時或應(yīng)急控制中心ATS采取冗余配置的服務(wù)器，各調(diào)度工作站互為備用，確保當(dāng)熱備冗余的主機(jī)故障時主備切換具備連續(xù)的顯示及控制功能。所有設(shè)備集中站采用冗余的LATS服務(wù)器及現(xiàn)地操作工作站。通信級冗余中，通信和基礎(chǔ)設(shè)施冗余采用以下原理：雙重通信網(wǎng)絡(luò)（“紅”和“藍(lán)”），各子系統(tǒng)復(fù)制它們的輸出信息，每一個信息都通過紅色和藍(lán)色網(wǎng)絡(luò)兩條路徑傳送，核心SDH（同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)具有足夠的帶寬支持雙重信息。網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備：兩臺光交換機(jī)作為子系統(tǒng)連接SDH節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，一個連到紅網(wǎng)，另一個連到藍(lán)網(wǎng)；核心SDH網(wǎng)絡(luò)由SDH節(jié)點（多路復(fù)用器，相關(guān)板卡采用熱備冗余配置）和光纖組成，光纖以此方式連接創(chuàng)建一個環(huán)路。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以防止普通模式故障，并且對特殊光纖或設(shè)備的物理損壞具有防護(hù)功能。若光纖發(fā)生物理損壞，該環(huán)在50ms內(nèi)會自動重新配置確保通信質(zhì)量不受影響。

由上述分析得出，在城市軌道交通信號系統(tǒng)的冗余設(shè)計中，合理選用冗余技術(shù)方案對城市軌道交通信號系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性產(chǎn)生巨大影響。

［1］GB／T 12758—2004城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件［S］.

［2］吳汶麒.軌道交通運行控制與管理［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.