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        以車為核心的軌道交通列控產(chǎn)品安全平臺設(shè)計

        2021-03-29 12:45:38遲寶全侯麗君
        電氣化鐵道 2021年1期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)品設(shè)備管理

        遲寶全,侯麗君,吳 松

        0 引言

        基于通信技術(shù)的列車自動控制系統(tǒng)(以下稱CBTC)產(chǎn)品通常可以分為產(chǎn)品應(yīng)用部分和產(chǎn)品平臺部分,CBTC 體系安全也由功能安全和技術(shù)安全兩部分組成,其中產(chǎn)品應(yīng)用需滿足功能安全要求,產(chǎn)品平臺需滿足技術(shù)安全要求,二者相輔相成,密不可分,共同指引產(chǎn)品開發(fā)的方向。通常情況下,基于統(tǒng)一的產(chǎn)品平臺開發(fā)CBTC 產(chǎn)品,可以在一定程度上提高產(chǎn)品性能和工程化效率,降低使用成本和維護(hù)成本。

        1 CBTC 產(chǎn)品應(yīng)用和產(chǎn)品平臺的發(fā)展方向

        CBTC 產(chǎn)品經(jīng)歷了十余年的發(fā)展,已經(jīng)形成了成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品架構(gòu),如圖1 所示。其中,傳統(tǒng)CBTC 的產(chǎn)品應(yīng)用包括幾個核心安全子系統(tǒng):軌旁的聯(lián)鎖CBI 和區(qū)域控制器ZC,車載設(shè)備ATP 和ATO。在CBTC 模式下,CBI 根據(jù)ZC 的指令完成信號機和道岔的控制,ZC 根據(jù)車載匯報的位置、速度信息計算移動授權(quán)并發(fā)給車載設(shè)備,車載設(shè)備根據(jù)ZC發(fā)送的移動授權(quán)計算ATO控車曲線和ATP防護(hù)曲線,實現(xiàn)列車自動運行和安全防護(hù)。

        傳統(tǒng)CBTC 的產(chǎn)品安全平臺通常分為軌旁安全平臺和車載安全平臺,由于軌旁設(shè)備和車載設(shè)備在接口、功能、性能和環(huán)境指標(biāo)要求等方面存在一定的差異,出于成本和可實現(xiàn)性考慮,兩種產(chǎn)品平臺通常是獨立設(shè)計、分別維護(hù)。該做法的優(yōu)點是安全平臺設(shè)計實現(xiàn)相對容易,缺點是需要維護(hù)多個軟硬件版本,而且長期應(yīng)用的成本較高。

        圖1 傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)架構(gòu)

        隨著列控技術(shù)的不斷發(fā)展,在傳統(tǒng)CBTC 的基礎(chǔ)上,列控系統(tǒng)出現(xiàn)了一些新的發(fā)展方向,如互聯(lián)互通、全自動無人駕駛FAO、車車通信,以及多種信號制式,如有軌電車、跨座式單軌、懸掛式空軌、APM(自動旅客捷運系統(tǒng))、市域鐵路等。相應(yīng)地,產(chǎn)品應(yīng)用對產(chǎn)品平臺也提出了新的發(fā)展需求,這些需求包括但不限于:

        (1)兼容歐標(biāo)、美標(biāo),滿足不同信號制式的需求;

        (2)支持RSSP-I/II 安全協(xié)議,滿足互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)的需求;

        (3)支持CANOpen、MVB、TRDP,滿足車輛總線接口IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)的需求;

        (4)支持模塊化、獨立控制、靈活配置、快速組網(wǎng),滿足車輛信號融合的需求;

        (5)支持衛(wèi)星定位、雷達(dá)防撞、多傳感器融合,滿足列車測速定位和自動防護(hù)的需求;

        (6)支持大數(shù)據(jù)量通信、大運算量,性能卓越,滿足車車通信的需求;

        (7)診斷維護(hù)功能智能化,滿足信號系統(tǒng)智能運維的需求;

        (8)低成本、低功耗、小型化、全電子化,滿足軌旁設(shè)備一體化和全電子化的需求;

        (9)硬件資源豐富,可擴展性強,滿足定制化和工程化的需求;

        (10)高可靠性,長產(chǎn)品生命周期,滿足無人駕駛的需求。

        本文所介紹的產(chǎn)品平臺在滿足安全性和可靠性的前提下,主要考慮車車通信以及車輛與信號系統(tǒng)深度融合的相關(guān)需求,并根據(jù)列控產(chǎn)品的演進(jìn)方向,提出一種通用的產(chǎn)品平臺設(shè)計方案。

        2 以車為核心的下一代列控產(chǎn)品特點

        基于車車通信的下一代列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,其主要特點之一是以車為核心,列車自主運行,軌旁設(shè)備簡化為受控于車載設(shè)備的目標(biāo)控制器或電子執(zhí)行單元。車載設(shè)備相比以前更加智能化,承擔(dān)了聯(lián)鎖控制和安全防護(hù)全部功能,通過預(yù)定、使用和釋放的方式共享線路資源,通過車車通信,后車可以直接獲取前車的位置、速度、狀態(tài)信息,實現(xiàn)列車追蹤,減少了與軌旁設(shè)備的交互環(huán)節(jié),降低了追蹤間隔,提高了行車效率。同時,由于系統(tǒng)簡化了軌旁設(shè)備,優(yōu)化了系統(tǒng)內(nèi)部接口,從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,提高了系統(tǒng)實時性和可靠性,降低了實現(xiàn)難度和全生命周期的維護(hù)成本。

        圖2 基于車車通信的下一代列控系統(tǒng)架構(gòu)

        基于車車通信的下一代列控系統(tǒng)的另一個主要特點是車輛與信號系統(tǒng)的深度融合(圖3)。所有信號設(shè)備(如ATP 和ATO 等)和車輛設(shè)備(如TCMS、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、門控制系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)等)都作為通信節(jié)點納入車輛網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理,同時充分利用車輛和信號系統(tǒng)的速度傳感器,提高速度信號的可靠性和冗余性。該方案摒棄了傳統(tǒng)的信號車載設(shè)備與車輛的特殊接口設(shè)計,取消傳統(tǒng)車載信號系統(tǒng)的內(nèi)部獨立網(wǎng)絡(luò),從列車全系統(tǒng)出發(fā),將列車所有功能(含所有安全功能,如列控、牽引、制動、車門控制等)進(jìn)行一體化設(shè)計,進(jìn)一步降低了設(shè)備成本,提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。

        圖3 車輛與信號系統(tǒng)深度融合示意圖

        3 以車為核心的下一代列控產(chǎn)品平臺

        如前文所述,以車為核心的下一代列控產(chǎn)品平臺邊界及可配置性必須滿足車輛和軌旁設(shè)備的通用接口需求,并在不同的應(yīng)用場景下實現(xiàn)靈活配置,該產(chǎn)品平臺的通用接口包括但不限于:外部通信接口、診斷維護(hù)接口、信標(biāo)接口、車輛接口、軌旁接口、安全輸入輸出接口等。該產(chǎn)品通用功能包括但不限于:初始化上電自檢、輸入輸出管理、系統(tǒng)內(nèi)同步管理、安全表決管理、系統(tǒng)間同步切換管理、外部安全通信管理、在線自檢管理、故障管理、診斷維護(hù)管理、周期調(diào)度與監(jiān)控管理、時鐘管理、用戶接口管理等。

        以車為核心的下一代列控產(chǎn)品平臺的外部接口及可配置方案設(shè)計如圖4—圖6 所示。

        圖4 軌道交通列控通用安全產(chǎn)品平臺

        圖5 車載安全產(chǎn)品平臺

        圖6 軌旁通用產(chǎn)品平臺

        除了外部接口需兼容軌旁和車載信號系統(tǒng)的需求之外,該產(chǎn)品平臺的內(nèi)部通信架構(gòu)還需滿足車輛與信號系統(tǒng)深度融合的需求,該產(chǎn)品平臺的通用模塊包括但不限于:診斷維護(hù)單元、通信管理單元、安全計算單元、離散I/O 單元、模擬I/O 單元、自動駕駛單元、電子執(zhí)行單元等。

        該產(chǎn)品平臺由高度可復(fù)用的抽象化的外設(shè)單元和標(biāo)準(zhǔn)化的控制模塊組成,所有模塊和外設(shè)單元均基于以太網(wǎng)安全總線實現(xiàn)信息交互,并需要滿足最高安全等級SIL4 要求。在該系統(tǒng)中,通信協(xié)議完全基于EN 50159 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā),物理層采用100 M高速以太網(wǎng),可實現(xiàn)雙網(wǎng)冗余管理。在所有模塊的通信管理方面,可根據(jù)設(shè)備的類型和ID 靈活分配IP,實現(xiàn)快速組網(wǎng)和實時通信。產(chǎn)品平臺基于以太網(wǎng)的分布式架構(gòu)也使得該車載信號產(chǎn)品更加容易直接接入車輛網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)車輛與信號系統(tǒng)的一體化設(shè)計。

        為了實現(xiàn)產(chǎn)品平臺的通用性,所有安全模塊均采用統(tǒng)一的核心板卡和平臺軟件實現(xiàn),擁有獨立的系統(tǒng)調(diào)度、在線自檢、仲裁服務(wù)、時鐘管理、模塊通信、存儲管理、I/O 管理、故障管理等功能,該產(chǎn)品平臺的分層結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

        圖7 通用軌交產(chǎn)品平臺分層結(jié)構(gòu)

        4 結(jié)語

        車車通信作為下一代列控產(chǎn)品的發(fā)展方向,其產(chǎn)品平臺相對于傳統(tǒng)的CBTC 系統(tǒng)平臺而言,除了安全性和可靠性的要求之外,還需要更靈活的擴展性和可配置性,以滿足車輛信號一體化以及軌旁系統(tǒng)小型化和全電子化的要求。本文介紹了一種以車為核心的列控產(chǎn)品平臺設(shè)計方案,該產(chǎn)品平臺完全實現(xiàn)自主研發(fā)并通過獨立第三方SIL4 等級安全認(rèn)證。下一步該產(chǎn)品平臺將通過適當(dāng)?shù)臄U展,應(yīng)用于車車通信以及各種多制式列控項目中。

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