朱云生

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

巴西圣保羅13號(hào)線是圣保羅地鐵公司建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的首條線路，是南美洲的第一條機(jī)場(chǎng)線，連接著圣保羅市中心和瓜魯柳斯機(jī)場(chǎng)，全長(zhǎng)12.2 km，沿線設(shè)有3個(gè)車(chē)站，前期提供8列（64輛）城軌車(chē)輛，車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)及電臺(tái)系統(tǒng)由中國(guó)鐵路通信信號(hào)股份有限公司提供，為車(chē)輛安全駕駛保駕護(hù)航，為車(chē)輛安全調(diào)度搭建橋梁。

巴西圣保羅信號(hào)系統(tǒng)采用通用安全信號(hào)應(yīng)用（GSSAP）平臺(tái)，這是一套基于二乘二取二架構(gòu)的安全冗余系統(tǒng)，是基于軌道電路、無(wú)線通信、TAG標(biāo)簽的臺(tái)階式列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)。車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)速度傳感器、加速度計(jì)獲取列車(chē)的速度及加速度，從而計(jì)算出列車(chē)的速度位置信息，通過(guò)車(chē)載TAG讀取器獲取地面站臺(tái)TAG定位信息，對(duì)列車(chē)位置進(jìn)行建立及校正，通過(guò)軌道電路讀取器（Track Circuit Reader，TCR）獲取地面軌道電路傳輸?shù)南匏傩畔?。?chē)載信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)測(cè)速測(cè)距單元計(jì)算的速度位置信息、地面發(fā)送的限速信息進(jìn)行列車(chē)速度防護(hù)，根據(jù)司機(jī)操作，對(duì)列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控及防護(hù)，并將列車(chē)相關(guān)運(yùn)行信息通過(guò)人機(jī)接口設(shè)備（DMI）顯示給司機(jī)，提示司機(jī)安全駕駛列車(chē)。

2 車(chē)載系統(tǒng)介紹

巴西圣保羅13號(hào)線車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備主要包括車(chē)載列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）、車(chē)載列車(chē)自動(dòng)駕駛（Automatic train Operation，ATO）、車(chē)載DMI、車(chē)載TCR、車(chē)載TAG、車(chē)載無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)（Access Point，AP）、速度傳感器、加速度計(jì)等設(shè)備以及車(chē)輛控制操作器件等，其中車(chē)載ATC車(chē)載控制單元（On-Board Controller Unit，OBCU)板卡功能如表1所示。

表1 車(chē)載ATC各板卡功能Tab.1 Functions of onboard ATC OBCU boards

在巴西圣保羅13號(hào)線項(xiàng)目中，車(chē)輛編組為8編，車(chē)載設(shè)備分別在首尾兩端各安裝1套，硬件上互為獨(dú)立。由于既有條件限制，只具備速度傳感器和加速度計(jì)的首尾冗余功能，且采用的是溫備切換的方式，即當(dāng)速度傳感器或加速度計(jì)發(fā)生故障，需要司機(jī)在列車(chē)停穩(wěn)后，手動(dòng)切換冗余開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。

現(xiàn)階段車(chē)載ATC主控設(shè)備不具備冗余功能，車(chē)載ATC設(shè)備非冗余結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)載ATC非冗余結(jié)構(gòu)Fig.1 Onboard ATC non redundant structure diagram

3 冗余方案設(shè)計(jì)

基于既有車(chē)載ATC硬件和軟件，在不修改既有軟件核心控制功能、保證系統(tǒng)安全性的前提下，通過(guò)增加硬件板卡、修改接口電路以及適配修改車(chē)載ATC、TCR軟件，以實(shí)現(xiàn)車(chē)載ATC冗余功能。

車(chē)載ATC冗余的板卡包括：主控板、TCR板、網(wǎng)卡板、輸入板、輸出板、電源板及通信板。

車(chē)載ATC冗余后采用熱備冗余的方式監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行，即當(dāng)車(chē)載主控板、輸入板、輸出板、網(wǎng)卡板、電源板、通信板、車(chē)載TCR等任意板卡發(fā)生故障時(shí)，車(chē)載ATC可以不停車(chē)自動(dòng)切換至備系運(yùn)行，保障系統(tǒng)具有更高的可用性。

當(dāng)主控板、輸入板、輸出板、TCR、網(wǎng)卡板、通信板發(fā)生故障時(shí)，將故障信息傳至車(chē)輛列車(chē)管理系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS）屏幕顯示并記錄，在ATC記錄數(shù)據(jù)中也會(huì)記錄相應(yīng)板卡故障狀態(tài)。列車(chē)回庫(kù)后，維護(hù)人員需根據(jù)記錄數(shù)據(jù)對(duì)故障板卡進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。

速度傳感器和加速度計(jì)保持既有首尾冗余功能，不做變更。

車(chē)載ATC設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車(chē)載ATC冗余結(jié)構(gòu)Fig.2 Onboard ATC redundant structure diagram

3.1 熱備冗余方案切換原理

車(chē)載ATC具備熱備冗余功能，下面介紹雙系熱備基本原理。

3.1.1 主控板熱備

車(chē)載ATC具備兩個(gè)主控單元，即主控板-A和主控板-B。當(dāng)主控板-A和主控板-B上電后，雙系主控板協(xié)商確定誰(shuí)是主系，誰(shuí)是備系。主系和備系同時(shí)工作，同時(shí)接收來(lái)自輸入板、通信板、網(wǎng)卡板、TCR設(shè)備等數(shù)據(jù)，并單獨(dú)處理。主系、備系在工作時(shí)的工作狀態(tài)保持一致，主系、備系同時(shí)在比較對(duì)系發(fā)送過(guò)來(lái)的關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)，如果雙系狀態(tài)不一致，主系報(bào)錯(cuò)，不影響ATC控車(chē)，備系宕機(jī)。車(chē)載ATC在控制輸出（輸出車(chē)輛IO，與外圍設(shè)備通信等）時(shí)，通過(guò)主系輸出。

當(dāng)主系發(fā)生故障時(shí)，主系告知備系自己故障，備系立刻升為主系繼續(xù)控制列車(chē)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)列車(chē)控制的無(wú)縫不停車(chē)切換，處理邏輯見(jiàn)圖3所示。

圖3 熱備冗余工作流程Fig.3 Hot standby redundancy workflow chart

3.1.2 板卡熱備

車(chē)載ATC的輸入板、輸出板、通信板、網(wǎng)卡板、TCR板的熱備原理一致，下面以輸入板為例進(jìn)行介紹。

當(dāng)車(chē)載ATC上電后，主控板同時(shí)接收雙系輸入板（左輸入板和右輸入板）的數(shù)據(jù)，主控板同時(shí)監(jiān)控雙系輸入板（左輸入板和右輸入板）狀態(tài)，如果其中一系輸入板（左輸入板或右輸入板）故障，主控板則直接使用工作正常的輸入板的數(shù)據(jù)，處理邏輯如圖4所示。

圖4 熱備冗余板卡工作流程Fig.4 Hot standby redundant board workflow chart

3.1.3 熱備顯示與記錄

當(dāng)車(chē)載ATC進(jìn)入冗余狀態(tài)后，通過(guò)DMI提示司機(jī)進(jìn)入冗余狀態(tài)（顯示“RED”），在DMI的右下角顯示框內(nèi)提示司機(jī)車(chē)載ATC進(jìn)入冗余狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 ATC冗余狀態(tài)顯示Fig.5 ATC redundancy status display

當(dāng)車(chē)載ATC進(jìn)入冗余狀態(tài)后，車(chē)載ATC應(yīng)通過(guò)車(chē)載記錄單元記錄相應(yīng)板卡故障狀態(tài)。

3.2 硬件變更

在既有車(chē)載硬件基礎(chǔ)上，通過(guò)增加硬件板卡和修改接口電路實(shí)現(xiàn)車(chē)載ATC冗余功能，硬件變更如表2所示。

表2 設(shè)備冗余變更表Tab.2 Equipment redundancy changes

3.3 軟件變更

在既有車(chē)載軟件基礎(chǔ)上，在不修改既有軟件核心控制功能、保證系統(tǒng)安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)車(chē)載ATC冗余功能，主要涉及ATC主控板、DMI及TCR的軟件修改。

4 結(jié)論

在既有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)增加硬件板卡、修改接口電路及適配修改車(chē)載ATC、TCR、DMI軟件，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)載ATC熱備冗余，且相對(duì)于首尾冗余的車(chē)載ATC系統(tǒng)，可以提供更高的設(shè)備冗余性及系統(tǒng)可用性。

車(chē)載ATC設(shè)備采用熱備冗余方式，主系設(shè)備故障后，可以不停車(chē)自動(dòng)切換到備系運(yùn)行，提高設(shè)備冗余性及系統(tǒng)可用性。