城市軌道交通數(shù)字軌道電路系統(tǒng)可靠性與安全性設計
摘 要：本文分ATP系統(tǒng)、DTC子系統(tǒng)及各單元電路等幾個部分闡述了城市軌道交通ATP國產(chǎn)化項目數(shù)字軌道電路系統(tǒng)提高可靠性與安全性的設計方法主題詞：軌道交通、軌道電路、可靠性、安全性
1 概述
國外軌道交通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化ATP系統(tǒng)設計。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)對信息量的需求顯著增加，軌道電路信息數(shù)字化應運而生。同時，車載設備對信息連續(xù)性、穩(wěn)定性的要求也相應提高。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)設計相對獨立，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計，可局限于通訊信道和端設備的設計。
2.1 通訊信道設計
對于區(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)）。在任何導致信息錯誤接收時，接收端都將視為信息中斷，并根據(jù)該狀態(tài)產(chǎn)生相應的輸出。同樣，在DTC和車載接收設備之間的信息傳遞通道——鋼軌線路（也包括設備）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)系在設計通訊協(xié)議（protocol）時，需要確定通訊周期、信息格式，當超出通訊周期時，通訊仍然中斷或不能正確接收信息，則視為通訊錯誤，若連續(xù)出現(xiàn)通訊錯誤，則視為通訊故障，啟動相應的故障處理程序。為保證信息正確接收，采用應答方式對信息接收進行確認。
對通道中傳遞的信息也進行冗余設計，采用三取二方式（2-out-3），即區(qū)控中心的每個ICU主機都發(fā)送一組列控數(shù)據(jù)給DTC，由DTC設備對三組數(shù)據(jù)進行三取二判決，以此保證列控數(shù)據(jù)的安全。為保證ICU與DTC之間信息交換可靠進行，通訊的物理通道采用雙環(huán)結構。這種結構的通訊環(huán)路任何一處出現(xiàn)電氣斷路，都不影響其正常工作。并且只要有一個通訊環(huán)工作正常，通訊就能正常進行。當環(huán)路出現(xiàn)故障時，有正常的檢測機制報告其狀態(tài)，以便及時維修。
DTC與車載設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。防止信息錯誤接收的唯一辦法是對信息進行冗余設計，并且規(guī)定接收端只能檢錯。
2.2 端設備
信息傳遞的安全性主要依靠端設備的安全設計來實現(xiàn)。通訊通道的錯誤、故障的檢測與判定以及故障后的輸出，全部由端設備來完成。端設備包括ICU通訊模塊以及DTC通訊板、車載系統(tǒng)的信息接收設備。ICU通訊模塊采用的是三取二結構，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備采用的是雙二取二（2-out-2）結構，安全性由單個設備保證，而可靠性則由雙系統(tǒng)熱備或并行工作實現(xiàn)。
3 軌道電路系統(tǒng)設計
DTC系統(tǒng)在設計時必須兼顧安全性、可靠性。安全性由單元設備及通訊協(xié)議、校驗互校機制的設置來保證，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，由通訊板完成對下層DTC收發(fā)設備的通訊調(diào)度，DTC機柜內(nèi)部采用雙環(huán)通訊網(wǎng)，通訊板及下層設備的通訊接口均為2-out-2結構。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)設備上報的數(shù)據(jù)采用2-out-2方式。這種方式減少了通訊板的設計復雜性，設計錯誤隨之下降。
3.2 雙機系統(tǒng)
DTC系統(tǒng)采用雙機系統(tǒng)結構。故障率比較高的電子設備均為雙重系，結構簡單、失效率（故障率）較低的傳輸設備則為單一設備。發(fā)送設備如發(fā)送板、功放板采用熱備方式，切換開關為繼電器，當設備出現(xiàn)故障時，繼電器失磁，轉(zhuǎn)換到備機輸出，經(jīng)維修恢復正常后，工作在備機狀態(tài)。設備在備機狀態(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，兩個接收板獨立工作，各自向通訊板報告檢測到的軌道電路狀態(tài)及自身工作情況，通訊板只要收到有一個軌道電路區(qū)段空閑標志，就認為該區(qū)段空閑。通訊板只要有一個工作正常，即可承擔起ICU與DTC的信息交換任務。這些設備自身都具備自檢功能（功放板的檢測由發(fā)送板完成）。
3.3 校驗、互校機制
在系統(tǒng)設計中，引入了校驗和互校的機制。區(qū)控中心發(fā)出命令經(jīng)通訊板傳遞到DTC系統(tǒng)單元設備時，單元設備要對該命令進行檢查，首先對收到的三組數(shù)據(jù)進行三取二處理，然后將結果與預先約定的內(nèi)容比較，檢查是否一致，若出現(xiàn)命令誤送（合法的碼字，但對象錯誤）或碼錯誤，都能夠及時發(fā)現(xiàn)。發(fā)送設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備，接收設備將經(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，同時可以判斷發(fā)送端送出的信息是否有錯誤。另外，單元電路內(nèi)部的2-out-2結構，也存在校驗和互校機制。
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試模式（或稱安全模式）。當發(fā)送設備及通訊正常時，DTC工作在正常工作模式。通訊板或發(fā)送設備出現(xiàn)故障，包括與區(qū)控中心的通訊故障出現(xiàn)時，立即轉(zhuǎn)入測試模式。測試模式只對軌道電路內(nèi)部檢測、調(diào)試起作用，不帶任何控車信息，車載設備接收到此命令，將立即停車。當接收設備故障時，給出的軌道區(qū)段標志為占用狀態(tài)。
4 單元電路設計
構建一個安全可靠的系統(tǒng)，單元設備的設計尤為關鍵，將直接影響系統(tǒng)的性能。
4.1 設計原則
1． 故障安全原則
當設備故障時，其輸出必須不危及行車安全。設備結構大多采用2-out-2方式。DTC通訊板、發(fā)送板、接收板均采用此種結構，輸出之前需要相互比較或檢查監(jiān)督，當任一出現(xiàn)故障時，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計，有利于故障設備的維修，從而提高系統(tǒng)的可用性。根據(jù)以往的經(jīng)驗，有些模塊故障率比較高，例如功放，為了提高發(fā)送設備的可靠性，將功放獨立設計成板，并針對功放的弱點強化設計，降低了功放的故障率。另一方面為發(fā)送設備的故障維修節(jié)省了時間，單位時間內(nèi)可用性也得以提高。
3．模塊通用化設計原則
將功能相同（或相近）的部分設計成通用模塊，減少了系統(tǒng)設計的復雜性，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結構，在設計中將2-out-2結構的CPU 板分離出來單獨設計，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)的設計，但整體上系統(tǒng)得到了簡單化，減少了設計的出錯可能。另外，各種帶通訊功能的單元板的接口模塊也是統(tǒng)一設計的。
4.2 元器件選擇
通過對元器件的選擇達到優(yōu)化電路設計、降低設備的復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)定性和延長使用壽命。
4.3 防沖擊設計提高可用性
在實際運用中，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)方面進行細致選擇外，在電路設計中根據(jù)部件的承受能力分級設計防沖擊電路，弱化甚至消除大信號對系統(tǒng)的破壞，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。同時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，在信號頻帶范圍內(nèi)，有一定量的噪聲干擾，除增加DTC信號能量以提高信噪比外，采用數(shù)字信號處理方式可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
5 總結
DTC系統(tǒng)是個全新的系統(tǒng)，它是在已有的國內(nèi)信號技術特別是軌道電路技術成功應用經(jīng)驗的基礎上，結合數(shù)字化技術、通訊技術以及微電子技術自主研制的，在研制過程中，對其安全性和可靠性采取了一定的措施，并考慮了設備的綜合成本因素，力求達到最合理的性價比，最終的結果還有待于在實際運用中進一步檢驗。
文章出處：中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會首屆中青年專家論文集
原文作者：洪多才（中國鐵路通信信號集團公司研究設計院）
