城市軌道交通數(shù)字軌道電路系統(tǒng)可靠性與安全性設(shè)計(jì)
摘 要：本文分ATP系統(tǒng)、DTC子系統(tǒng)及各單元電路等幾個(gè)部分闡述了城市軌道交通ATP國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目數(shù)字軌道電路系統(tǒng)提高可靠性與安全性的設(shè)計(jì)方法主題詞：軌道交通、軌道電路、可靠性、安全性
1 概述
國(guó)外軌道交通ATP系統(tǒng)許多都采用軌道電路作為信息傳遞媒介。軌道電路把控制中心發(fā)出的命令傳遞給列車，同時(shí)將列車的位置信息（以軌道電路區(qū)段單位）返回給控制中心，控制中心據(jù)此形成后續(xù)列車的控制命令。軌道電路具備雙重作用：即列車檢知和信息傳遞。以軌道電路作為信息媒介可以簡(jiǎn)化ATP系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨著ATP系統(tǒng)新的控車模式（尤其是一次模式曲線控車方式）的出現(xiàn)，車載系統(tǒng)對(duì)信息量的需求顯著增加，軌道電路信息數(shù)字化應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，車載設(shè)備對(duì)信息連續(xù)性、穩(wěn)定性的要求也相應(yīng)提高。為此，列控信息安全可靠快速傳遞成為新型數(shù)字軌道電路首要解決的問題。
作為ATP系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，從信息傳遞的角度看，數(shù)字軌道電路（Digital Track Circuit，縮寫DTC）在整個(gè)系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，是信息的主要載體，ATP系統(tǒng)信息傳遞流程如下圖。
ATP各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，彼此沒有任何的直接控制功能，子系統(tǒng)間的聯(lián)系只有信息交換，因此信息的安全性與可靠性的設(shè)計(jì)，可局限于通訊信道和端設(shè)備的設(shè)計(jì)。
2.1 通訊信道設(shè)計(jì)
對(duì)于區(qū)控中心和DTC信息交換的物理通道——電纜本身來說，其狀態(tài)可定義為“通”和“斷”，“通”是正常工作狀態(tài)，“斷”則是故障狀態(tài)，因此把“斷”作為安全狀態(tài)（故障輸出狀態(tài)）。在任何導(dǎo)致信息錯(cuò)誤接收時(shí)，接收端都將視為信息中斷，并根據(jù)該狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。同樣，在DTC和車載接收設(shè)備之間的信息傳遞通道——鋼軌線路（也包括設(shè)備）的安全狀態(tài)也定義在“斷”。
為此，需要確定界定故障的條件。區(qū)控中心與DTC之間的聯(lián)系在設(shè)計(jì)通訊協(xié)議（protocol）時(shí)，需要確定通訊周期、信息格式，當(dāng)超出通訊周期時(shí)，通訊仍然中斷或不能正確接收信息，則視為通訊錯(cuò)誤，若連續(xù)出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤，則視為通訊故障，啟動(dòng)相應(yīng)的故障處理程序。為保證信息正確接收，采用應(yīng)答方式對(duì)信息接收進(jìn)行確認(rèn)。
對(duì)通道中傳遞的信息也進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，采用三取二方式（2-out-3），即區(qū)控中心的每個(gè)ICU主機(jī)都發(fā)送一組列控?cái)?shù)據(jù)給DTC，由DTC設(shè)備對(duì)三組數(shù)據(jù)進(jìn)行三取二判決，以此保證列控?cái)?shù)據(jù)的安全。為保證ICU與DTC之間信息交換可靠進(jìn)行，通訊的物理通道采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的通訊環(huán)路任何一處出現(xiàn)電氣斷路，都不影響其正常工作。并且只要有一個(gè)通訊環(huán)工作正常，通訊就能正常進(jìn)行。當(dāng)環(huán)路出現(xiàn)故障時(shí)，有正常的檢測(cè)機(jī)制報(bào)告其狀態(tài)，以便及時(shí)維修。
DTC與車載設(shè)備之間由于信息是單向傳遞的，因此只有在信息編碼調(diào)制過程中約定信息格式。防止信息錯(cuò)誤接收的唯一辦法是對(duì)信息進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，并且規(guī)定接收端只能檢錯(cuò)。
2.2 端設(shè)備
信息傳遞的安全性主要依靠端設(shè)備的安全設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。通訊通道的錯(cuò)誤、故障的檢測(cè)與判定以及故障后的輸出，全部由端設(shè)備來完成。端設(shè)備包括ICU通訊模塊以及DTC通訊板、車載系統(tǒng)的信息接收設(shè)備。ICU通訊模塊采用的是三取二結(jié)構(gòu)，以此獲得高可靠性和高安全性。DTC通訊板以及車載信息接收設(shè)備采用的是雙二取二（2-out-2）結(jié)構(gòu)，安全性由單個(gè)設(shè)備保證，而可靠性則由雙系統(tǒng)熱備或并行工作實(shí)現(xiàn)。
3 軌道電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)
DTC系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須兼顧安全性、可靠性。安全性由單元設(shè)備及通訊協(xié)議、校驗(yàn)互校機(jī)制的設(shè)置來保證，以系統(tǒng)的備份提高可靠性。
3.1 通訊
DTC內(nèi)部通訊機(jī)制采用與區(qū)控中心通訊相同的接口方式，由通訊板完成對(duì)下層DTC收發(fā)設(shè)備的通訊調(diào)度，DTC機(jī)柜內(nèi)部采用雙環(huán)通訊網(wǎng)，通訊板及下層設(shè)備的通訊接口均為2-out-2結(jié)構(gòu)。采用與區(qū)控中心相類似的通訊協(xié)議。信道中的數(shù)據(jù)分兩類，ICU發(fā)來的命令是三重冗余數(shù)據(jù)，DTC收發(fā)設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)采用2-out-2方式。這種方式減少了通訊板的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤隨之下降。
3.2 雙機(jī)系統(tǒng)
DTC系統(tǒng)采用雙機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。故障率比較高的電子設(shè)備均為雙重系，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、失效率（故障率）較低的傳輸設(shè)備則為單一設(shè)備。發(fā)送設(shè)備如發(fā)送板、功放板采用熱備方式，切換開關(guān)為繼電器，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，繼電器失磁，轉(zhuǎn)換到備機(jī)輸出，經(jīng)維修恢復(fù)正常后，工作在備機(jī)狀態(tài)。設(shè)備在備機(jī)狀態(tài)下同樣具有自檢功能。接收板和通訊板采用并行工作方式，兩個(gè)接收板獨(dú)立工作，各自向通訊板報(bào)告檢測(cè)到的軌道電路狀態(tài)及自身工作情況，通訊板只要收到有一個(gè)軌道電路區(qū)段空閑標(biāo)志，就認(rèn)為該區(qū)段空閑。通訊板只要有一個(gè)工作正常，即可承擔(dān)起ICU與DTC的信息交換任務(wù)。這些設(shè)備自身都具備自檢功能（功放板的檢測(cè)由發(fā)送板完成）。
3.3 校驗(yàn)、互校機(jī)制
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入了校驗(yàn)和互校的機(jī)制。區(qū)控中心發(fā)出命令經(jīng)通訊板傳遞到DTC系統(tǒng)單元設(shè)備時(shí)，單元設(shè)備要對(duì)該命令進(jìn)行檢查，首先對(duì)收到的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行三取二處理，然后將結(jié)果與預(yù)先約定的內(nèi)容比較，檢查是否一致，若出現(xiàn)命令誤送（合法的碼字，但對(duì)象錯(cuò)誤）或碼錯(cuò)誤，都能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。發(fā)送設(shè)備向鋼軌傳遞的命令信息，在室內(nèi)也有一條通路傳送至接收設(shè)備，接收設(shè)備將經(jīng)軌道傳送來的信息與此加以比較，以確定軌道區(qū)段的空閑/占用，同時(shí)可以判斷發(fā)送端送出的信息是否有錯(cuò)誤。另外，單元電路內(nèi)部的2-out-2結(jié)構(gòu)，也存在校驗(yàn)和互校機(jī)制。
3.4 故障輸出
DTC的信息輸出有兩種工作模式，即正常工作模式和測(cè)試模式（或稱安全模式）。當(dāng)發(fā)送設(shè)備及通訊正常時(shí)，DTC工作在正常工作模式。通訊板或發(fā)送設(shè)備出現(xiàn)故障，包括與區(qū)控中心的通訊故障出現(xiàn)時(shí)，立即轉(zhuǎn)入測(cè)試模式。測(cè)試模式只對(duì)軌道電路內(nèi)部檢測(cè)、調(diào)試起作用，不帶任何控車信息，車載設(shè)備接收到此命令，將立即停車。當(dāng)接收設(shè)備故障時(shí)，給出的軌道區(qū)段標(biāo)志為占用狀態(tài)。
4 單元電路設(shè)計(jì)
構(gòu)建一個(gè)安全可靠的系統(tǒng)，單元設(shè)備的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，將直接影響系統(tǒng)的性能。
4.1 設(shè)計(jì)原則
1． 故障安全原則
當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，其輸出必須不危及行車安全。設(shè)備結(jié)構(gòu)大多采用2-out-2方式。DTC通訊板、發(fā)送板、接收板均采用此種結(jié)構(gòu)，輸出之前需要相互比較或檢查監(jiān)督，當(dāng)任一出現(xiàn)故障時(shí)，均停止工作，輸出倒向安全側(cè)。
2． 易故障模塊分離原則
將易故障的模塊分離設(shè)計(jì)，有利于故障設(shè)備的維修，從而提高系統(tǒng)的可用性。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，有些模塊故障率比較高，例如功放，為了提高發(fā)送設(shè)備的可靠性，將功放獨(dú)立設(shè)計(jì)成板，并針對(duì)功放的弱點(diǎn)強(qiáng)化設(shè)計(jì)，降低了功放的故障率。另一方面為發(fā)送設(shè)備的故障維修節(jié)省了時(shí)間，單位時(shí)間內(nèi)可用性也得以提高。
3．模塊通用化設(shè)計(jì)原則
將功能相同（或相近）的部分設(shè)計(jì)成通用模塊，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通訊板、發(fā)送板和接收板均使用微處理器，而且都采用2-out-2結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中將2-out-2結(jié)構(gòu)的CPU 板分離出來單獨(dú)設(shè)計(jì)，并且采用相同的微處理器。這種方法雖然功能方面不一定是最優(yōu)的設(shè)計(jì)，但整體上系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)單化，減少了設(shè)計(jì)的出錯(cuò)可能。另外，各種帶通訊功能的單元板的接口模塊也是統(tǒng)一設(shè)計(jì)的。
4.2 元器件選擇
通過對(duì)元器件的選擇達(dá)到優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、降低設(shè)備的復(fù)雜度和故障率之目的。一般說來，大規(guī)模集成電路的故障率都比較低，而且數(shù)字電路比模擬電路的穩(wěn)定性要好的多。因此盡量采用大規(guī)模集成電路，減少集成電路的數(shù)量；盡量采用數(shù)字信號(hào)處理方式，減少模擬集成電路芯片的使用。芯片、元件降額使用可以提高穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用壽命。
4.3 防沖擊設(shè)計(jì)提高可用性
在實(shí)際運(yùn)用中，牽引電流是影響DTC工作穩(wěn)定性的重要因素之一，除了在一些參數(shù)方面進(jìn)行細(xì)致選擇外，在電路設(shè)計(jì)中根據(jù)部件的承受能力分級(jí)設(shè)計(jì)防沖擊電路，弱化甚至消除大信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的破壞，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。同時(shí)由于沖擊和列車的牽引控制電路產(chǎn)生的高頻干擾的存在，在信號(hào)頻帶范圍內(nèi)，有一定量的噪聲干擾，除增加DTC信號(hào)能量以提高信噪比外，采用數(shù)字信號(hào)處理方式可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
5 總結(jié)
DTC系統(tǒng)是個(gè)全新的系統(tǒng)，它是在已有的國(guó)內(nèi)信號(hào)技術(shù)特別是軌道電路技術(shù)成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)、通訊技術(shù)以及微電子技術(shù)自主研制的，在研制過程中，對(duì)其安全性和可靠性采取了一定的措施，并考慮了設(shè)備的綜合成本因素，力求達(dá)到最合理的性價(jià)比，最終的結(jié)果還有待于在實(shí)際運(yùn)用中進(jìn)一步檢驗(yàn)。
文章出處：中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì)首屆中青年專家論文集
原文作者：洪多才（中國(guó)鐵路通信信號(hào)集團(tuán)公司研究設(shè)計(jì)院）
