羅欽洋 方博倫

【摘 要】近年來(lái)，我國(guó)軌道交通行業(yè)飛速發(fā)展，軌道交通行業(yè)需求的不斷增加以及新技術(shù)的提出，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的安全性提出了更高要求。本文設(shè)計(jì)的雙主控冗余方案采用的是1oo2安全架構(gòu)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)和RS485通信的雙主控冗余切換方案，極大提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性。

【關(guān)鍵詞】主控;安全;冗余切換

引言

隨著軌道交通列車控制與服務(wù)業(yè)務(wù)的多樣化發(fā)展，列車通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制系統(tǒng)的可信性和可靠性等安全性要求不斷提升。為滿足需求，最直接有效的方法是對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用主控單元冗余技術(shù)。[1]傳統(tǒng)的主控冗余方案一般是在單通信機(jī)制下實(shí)現(xiàn)1oo2的冗余架構(gòu)，如基于MVB主備冗余的控制網(wǎng)絡(luò)。這種方案只能依據(jù)主控單元是否正常工作來(lái)決定是否進(jìn)行主權(quán)的切換，不能對(duì)主控單元的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、外部獲取數(shù)據(jù)及處理結(jié)果的可信度進(jìn)行判斷，且未提出主控單元對(duì)多通信機(jī)制（如MVB、以太網(wǎng)和RS485等多種通信機(jī)制并存）控制時(shí)的安全冗余方法。

本文設(shè)計(jì)一種基于以太網(wǎng)和RS485通信的雙主控安全冗余架構(gòu)，同時(shí)，兩種通信機(jī)制相互監(jiān)視對(duì)方主權(quán)和故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雙主控的熱備冗余切換，避免了單點(diǎn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)在解決多通信機(jī)制主控冗余問(wèn)題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的安全性。

一、系統(tǒng)架構(gòu)

DTECS-G600平臺(tái)是中車株洲所推出的安全型列車控制與監(jiān)視系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)主要基于6U 機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，能全面承載軌道交通列車TCMS系統(tǒng)的安全功能應(yīng)用需求。G600產(chǎn)品平臺(tái)定位于高安全性的列車控制與監(jiān)視系統(tǒng)（TCMS），其總體架構(gòu)以中央處理單元為核心，車輛控制單元采用1oo2冗余架構(gòu)，I/O信號(hào)處理單元采用2x2oo2安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)，兼顧安全與通用兩個(gè)核心要素，整體功能安全等級(jí)達(dá)到SIL2。本文所設(shè)計(jì)的雙主控安全冗余架構(gòu)應(yīng)用于G600平臺(tái)中央處理單元中。

1.1.1oo2架構(gòu)

正如IEC 61508-6中所述，1oo2系統(tǒng)由并聯(lián)的兩個(gè)通道組成。在正常工作期間，必須兩個(gè)通道同時(shí)提出安全功能要求，系統(tǒng)安全功能才能得到執(zhí)行。[2]任何一個(gè)通道都能夠通過(guò)一種獨(dú)立于另一個(gè)通道的方式獲取另一個(gè)通道的狀態(tài)。如圖1所示。

二、雙主控安全冗余架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的的多通信機(jī)制下1oo2D雙主控安全冗余架構(gòu)

安全冗余架構(gòu)包含2塊PU600控制板也就是2個(gè)主控單元A和B，兩種通信介質(zhì)，RS485總線和以太網(wǎng)還有掛接在RS485總線上和以太網(wǎng)上的PU620（IO網(wǎng)關(guān)板）、交換板（以太網(wǎng)設(shè)備）。

兩塊PU600控制板與機(jī)箱內(nèi)IO網(wǎng)關(guān)板PU620掛接在同一條RS485總線上，主控單元通過(guò)RS485總線與IO網(wǎng)關(guān)板PU620交互IO數(shù)據(jù);同時(shí)，兩個(gè)主控單元通過(guò)以太網(wǎng)連接至機(jī)箱內(nèi)交換板，進(jìn)行雙主控單元冗余交互和對(duì)外以太網(wǎng)通信。

在RS485總線上，主PU600控制板、熱備PU600控制板與PU620（IO網(wǎng)關(guān)板）采用半雙工的通信方式，主從應(yīng)答式交互，即“請(qǐng)求->應(yīng)答”式交互。在以太網(wǎng)子網(wǎng)中，PU600控制板與交換板以及其他以太網(wǎng)設(shè)備以組播形式進(jìn)行交互。

通信周期為20ms，周期內(nèi)依次向備PU600控制板和PU620（交換板）發(fā)送一個(gè)狀態(tài)、控制和請(qǐng)求數(shù)據(jù)，后兩者在本周期內(nèi)依次立即回應(yīng)一個(gè)狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)各設(shè)備的有序通信;PU620（交換板）不會(huì)響應(yīng)主PU600控制板發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)和備PU600控制板發(fā)送的所有數(shù)據(jù)，備PU600控制板監(jiān)視主PU600控制板和PU620（交換板）發(fā)送的所有數(shù)據(jù)。

三、雙主控冗余切換

G600安全平臺(tái)采用雙主控進(jìn)行冗余，當(dāng)任意一塊主控故障時(shí)，另一塊備用主能夠接管機(jī)箱安全任務(wù)，提高系統(tǒng)的冗余性和可用性。兩塊主控板通過(guò)以太網(wǎng)單播進(jìn)行交互，機(jī)箱作主的PU600板周期性的將安全相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)給機(jī)箱從PU600板（默認(rèn)從Port A，當(dāng)Port A故障時(shí)則改為Port B發(fā)送），同時(shí)機(jī)箱作為從的PU600板接收到數(shù)據(jù)后將與自身的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)一致時(shí)則從PU600板發(fā)送1個(gè)正常的應(yīng)答報(bào)文;當(dāng)比對(duì)的報(bào)文編號(hào)不一致時(shí)，則從PU600板發(fā)出1個(gè)重發(fā)請(qǐng)求報(bào)文;當(dāng)編號(hào)一致但計(jì)算結(jié)果不一致時(shí)則從PU600板發(fā)送錯(cuò)誤應(yīng)答報(bào)文，這時(shí)主CPU將重新計(jì)算并發(fā)送。

雙主控通過(guò)外部中斷方式進(jìn)行同步，在同步信號(hào)的作用下，雙主控根據(jù)自身運(yùn)行狀態(tài)，完成身份的確認(rèn)，主控板在機(jī)箱內(nèi)定義三種身份，分別為機(jī)箱控制主，機(jī)箱控制備主，機(jī)箱控制主就緒三種狀態(tài)。

四、總結(jié)與展望

G600平臺(tái)按EN50129標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)過(guò)程管控，建立了至上而下的可靠性分配與可靠性預(yù)計(jì)方法，在車載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、平臺(tái)診斷與維護(hù)技術(shù)等方面保持較高水準(zhǔn)，在功能安全技術(shù)上更是取得突破，已經(jīng)取得SIL2 DAkks證書，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的TCMS平臺(tái)是拉開與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手差距、避免同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。

此平臺(tái)是國(guó)內(nèi)第1個(gè)按照SIL2級(jí)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的安全TCMS平臺(tái)，目前領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手2年以上，德國(guó)DB車采用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也是G600平臺(tái)，這對(duì)我司進(jìn)入海外市場(chǎng)有著非凡的意義，同樣，基于G600平臺(tái)的自動(dòng)駕駛網(wǎng)絡(luò)方案獲得北京業(yè)主的認(rèn)可，已經(jīng)在北京大興機(jī)場(chǎng)線項(xiàng)目裝車上線，后續(xù)將有巨大示范效應(yīng)。車輛自動(dòng)駕駛趨勢(shì)下，基于安全架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能越來(lái)越多，是業(yè)務(wù)擴(kuò)展良機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]CENELEC.EN50128，Railway application——communications，signalling and processing systems——software for railway control and protection system [S]，2001.

[2]周夏芳.基于二乘二取二平臺(tái)的通信設(shè)計(jì)[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2014（11）59-61.

作者簡(jiǎn)介：

羅欽洋（1986-），男，江西萍鄉(xiāng)，漢族，工程師，學(xué)士，研究方向：列車網(wǎng)絡(luò)控制。

（作者單位：株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司）