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        城市軌道和高速鐵路列車的通用車載安全平臺研究

        2021-01-06 12:31:08王新忠
        黑龍江交通科技 2020年11期
        關(guān)鍵詞:模擬量以太網(wǎng)高速鐵路

        王新忠

        (北京和利時公司,北京 100176)

        0 引 言

        列車控制系統(tǒng)是高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)的重要技術(shù)裝備之一。城市軌道交通車載列控系統(tǒng)和高速鐵路車載列控系統(tǒng)的接口存在很多差異。本文將研究高速鐵路列車和城市軌道列車在不同應(yīng)用場景和不同車型的接口需求,并實現(xiàn)一個可靈活配置的通用車載安全平臺,滿足高速鐵路和城市軌道交通列車應(yīng)用。

        1 系統(tǒng)功能需求

        我國高速鐵路及城市軌道交通線路所處的環(huán)境和運用要求不同,造成車型種類繁多、需求復(fù)雜、接口變化多樣,進(jìn)行通用車載安全平臺的研究,可滿足不同接口需求的應(yīng)用場景。

        1.1 功能需求組成

        通用車載安全平臺需具備的功能如下。

        (1)電源供電功能—將車輛提供的電源轉(zhuǎn)換為24 V電源,用于平臺系統(tǒng)內(nèi)部各個模塊供電。

        (2)核心邏輯處理功能—實現(xiàn)與車輛及外設(shè)的接口處理、算法實現(xiàn)、安全比較功能(二取二)、采集接口、輸出接口和通信接口等功能進(jìn)行封裝。

        (3)輸入信號采集功能—具備實時獲取輸入信號采集功能。

        (4)信號輸出功能—具備對外輸出功能,提供驅(qū)動外部繼電器動作的控制信號。

        (5)通信功能—包括普通以太網(wǎng)、MVB、CAN、RS422、實時以太網(wǎng)(TRDP)等多種接口形式。

        (6)靈活配置功能—硬件采用模塊化設(shè)計,可根據(jù)車輛接口及應(yīng)用場景需要選擇對應(yīng)模塊搭建系統(tǒng)。

        1.2 冗余功能

        通用車載安全平臺所包含的電源模塊、核心邏輯處理模塊、輸入/輸出模塊、通信接口模塊等功能模塊均應(yīng)具備冗余結(jié)構(gòu)。當(dāng)通用車載安全平臺的上述功能模塊的某個功能發(fā)生故障時,應(yīng)能切換至其對應(yīng)冗余結(jié)構(gòu)模塊繼續(xù)運行而不對系統(tǒng)運行產(chǎn)生任何影響。

        1.3 失效防護(hù)功能

        核心邏輯處理、安全輸入/安全輸出、安全通信功能作為通用車載安全平臺的安全相關(guān)功能,應(yīng)具有符合SIL-4級要求的失效防護(hù)功能。

        2 系統(tǒng)接口需求分析

        車輛的接口決定了通用車載安全平臺所需要具備的接口。通過實地調(diào)研國內(nèi)高速鐵路和城市軌道交通多種列車的接口,作為通用車載安全平臺設(shè)計接口的需求依據(jù)。所需提供的接口及數(shù)量如下所述:

        (1)供電接口:支持24 V(有軌電車)、74 V(內(nèi)燃機車)和110 V(動車及其他車型)三種供電接口;(2)安全數(shù)字量輸入接口:16路;(3)非安全數(shù)字量輸入接口:20路;(4)安全數(shù)字量輸出接口:8路;(4)非安全數(shù)字量輸出接口:24路;(6)RS485接口:8路;(7)RS422接口:8路;(8)Can接口:2路;(9)模擬量速傳采集接口:4路;(10)模擬量加速度傳感器接口:4路;(11)模擬量AO/PWM輸出接口:2路;(12)以太網(wǎng)接口:6路;(13)BTM天線接口:2路;(14)MVB車輛總線接口:2路;(15)實時以太網(wǎng)(TRDP)接口:2路。

        3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)及實現(xiàn)

        結(jié)合通用車載安全平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了”二乘二取二”結(jié)構(gòu),單系滿足SIL-4要求,雙系滿足冗余冗余可靠性要求。

        系統(tǒng)包括功能完整且相互獨立運行的兩系(A系、B系)。根據(jù)不同的車輛接口和其所承載的不同應(yīng)用場景需求,通用車載安全平臺可進(jìn)行不同的硬件及軟件配置。

        3.1 單系結(jié)構(gòu)

        平臺單系劃分為ATP、ATO和通信等子系統(tǒng),如圖1所示。上述三個子系統(tǒng)均包括安全計算機模塊和對應(yīng)的接口模塊,實現(xiàn)的原理相同。三個子系統(tǒng)之間通過系統(tǒng)總線進(jìn)行通信。

        圖1 通用車載安全平臺單系結(jié)構(gòu)組成

        此外,通用車載安全平臺單系內(nèi)還包含電源子系統(tǒng)、防護(hù)轉(zhuǎn)接子系統(tǒng)和對外的繼電器子系統(tǒng)等輔助性子系統(tǒng),分別完成電源接入、電磁干擾防護(hù)和輸入輸出接入功能。

        3.2 二取二結(jié)構(gòu)

        按照安全完整性等級要求,通用車載安全平臺的安全計算機模塊采用“二取二”的安全結(jié)構(gòu),接口模塊則按輸入輸出雙通道隔離調(diào)理電路設(shè)計,以ATP子系統(tǒng)為例,包括ATP(安全計算機模塊)和看門狗模塊。

        ATP安全計算機模塊劃分為通道1和通道2兩部分,兩通道實現(xiàn)的功能和原理完全一致,且相互隔離。兩通道通過同步脈沖實現(xiàn)兩通道CPU的同步,兩通道通過光耦隔離的通信鏈路實現(xiàn)兩通道CPU的通信,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳和表決功能,構(gòu)成二取二結(jié)構(gòu)。

        看門狗模塊是各子系統(tǒng)均需包含的接口模塊,設(shè)計為兩通道、且相互獨立,兩通道各有獨立的輸入、輸出通道,本子系統(tǒng)的所有輸出均受看門狗電路控制??撮T狗電路故障時,關(guān)斷輸出。

        ATO子系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與ATP子系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)基本一致。

        通信子系統(tǒng)除包含安全計算機模塊和看門狗模塊外,還支持包含輸入輸出模塊和通信模塊等。

        3.3 接口模塊

        硬件模塊采用3U標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計,設(shè)計不同種類的接口模塊。根據(jù)承載的不同應(yīng)用場景,為通信子系統(tǒng)配置不同的接口模塊,接口模塊的名稱及接口資源如下。

        安全數(shù)字量輸入模塊:16路輸入

        安全數(shù)字量輸出模塊:8路輸出

        非安全數(shù)字量輸入模塊:20路輸入

        非安全數(shù)字量輸出模塊:24路輸出

        模擬量輸入模塊:4路速傳模擬量輸入,4路加速度計模擬量輸入

        模擬量輸出模塊:2路電流型或電壓型模擬量輸出,2路PWM輸出

        通信模塊:8路RS422,8路RS485

        通信擴展模塊:6路以太網(wǎng)接口

        車輛總線模塊:2路MVB接口,2路實時以太網(wǎng)接口,2路Can接口

        4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)及實現(xiàn)

        結(jié)合系統(tǒng)硬件架構(gòu),軟件共劃分為三個軟件,分別是ATP軟件、ATO軟件和通信軟件,這里的三個軟件均是指平臺層軟件,通過承載不同的應(yīng)用軟件實現(xiàn)具體應(yīng)用功能,滿足不同應(yīng)用場景需求。

        4.1 軟件分層設(shè)計

        通用車載安全平臺的平臺層軟件為采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計,具備清晰的層次劃分,分層關(guān)系為自下而上提供接口,上層軟件不得為下層軟件提供接口,層與層之間沒有耦合關(guān)系。從下到上依次為硬件層、通用層、專用層和應(yīng)用接口層,最上層為所承載的應(yīng)用層軟件。

        4.1 配置數(shù)據(jù)設(shè)計

        由于不同應(yīng)用場景和不同車輛的接口要求不同,需設(shè)計專用的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行適配配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)設(shè)計內(nèi)容包括如下幾點:

        (1)配置文件的版本,用于數(shù)據(jù)正確性驗證;

        (2)配置的的硬件模塊類型,根據(jù)需求選擇配置不同硬件模塊;

        (3)模塊的對外接口類型,如輸入輸出、RS485、RS422、以太網(wǎng)、MVB等;

        (4)對應(yīng)接口地址,包括設(shè)備地址或IP地址;

        (5)對應(yīng)通信接口協(xié)議配置不同的通信協(xié)議及其安全協(xié)議;

        (6)接口通訊周期,設(shè)置軟件中對應(yīng)線程的執(zhí)行周期。

        5 典型應(yīng)用

        基于通用車載安全平臺,通過配置不同子系統(tǒng)、不同硬件模塊和軟件通信協(xié)議,可滿足多種應(yīng)用場景。高速鐵路ATP系統(tǒng)應(yīng)用場景配置了ATP子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)兩個子系統(tǒng),其中ATP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車自動防護(hù)邏輯處理,通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與外設(shè)通信交互。通信子系統(tǒng)的功能包括測速測距算法實現(xiàn)、安全輸入輸出等多種接口的處理。

        6 結(jié)束語

        本文提出了適用高速鐵路和城市軌道交通列車的通用安全平臺研究,梳理出平臺所必須的功能需求及接口需求,并研制出基于“二乘二取二”架構(gòu)的通用車載安全平臺,基于該平臺的高鐵ATP已應(yīng)用于大西線試驗、高速鐵路C3+ATO已實際應(yīng)用于京沈高鐵運營、地鐵VOBC已實際應(yīng)用于中東地鐵項目,并具備應(yīng)用于北京地鐵FAO場景條件。

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