軌道電路設(shè)備冗余方式探討

羅能斌

摘 ?要：文章主要分析對比了當(dāng)前國內(nèi)軌道電路系統(tǒng)中發(fā)送、接收設(shè)備普遍應(yīng)用的“N+1”“1+1”及“0.5+0.5”冗余結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對“N+1”冗余結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行了計算分析，并根據(jù)計算分析結(jié)果，對如何提高現(xiàn)場軌道電路系統(tǒng)的可靠性提出了建議。

關(guān)鍵詞：軌道電路;冗余;可靠性;N+1

中圖分類號：U284.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）28-0123-02

Abstract： This paper mainly analyzes and compares the redundancy structures of "N+1"， "1+1" and "0.5+0.5" which are widely used in the sending and receiving equipment of the domestic track circuit system， and focuses on the calculation and analysis of the reliability of the redundancy structure of "N+1". According to the results of calculation and analysis， some suggestions are put forward on how to improve the reliability of the field track circuit system.

Keywords： track circuit; redundancy; reliability; N+1

軌道電路作為鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備，對保證行車安全、提高運(yùn)輸效率具有至關(guān)重要的作用，對其可靠性、安全性的研究歷來都是軌道電路研究的重點(diǎn)。隨著對設(shè)備運(yùn)行可靠性、安全性的要求越來越高以及技術(shù)的不斷發(fā)展，各種冗余方式也普遍應(yīng)用于軌道電路發(fā)送及接收設(shè)備，以最大限度的保證軌道電路的正常工作。本文主要闡述國內(nèi)目前主要采用的軌道電路發(fā)送、接收設(shè)備的冗余方式，并對其進(jìn)行對比分析。

1 “N+1”冗余方式

“N+1”冗余在軌道電路中最典型的應(yīng)用就是普速ZPW-2000A無絕緣軌道電路及站內(nèi)電碼化發(fā)送器。其冗余原理是在最低需求的N臺發(fā)送器之外再設(shè)置第“N+1”臺發(fā)送器，當(dāng)所有發(fā)送器均正常輸出時，發(fā)送器內(nèi)CPU1、CPU2驅(qū)動安全與門電路輸出，使發(fā)送報警繼電器FBJ勵磁;當(dāng)N臺發(fā)送器中有一臺發(fā)送器出現(xiàn)故障，即該發(fā)送器內(nèi)CPU1、CPU2檢測到產(chǎn)生的移頻信號中載頻、低頻或電壓幅度不正常，則安全與門無輸出，F(xiàn)BJ落下，使+1發(fā)送器通過切換電路介入，代替故障發(fā)送器，保證軌道電路或電碼化的正常工作。

“N+1”冗余的特點(diǎn)是，若N中僅有一臺發(fā)送器故障，則切換至+1發(fā)送器并報警;若+1發(fā)送器故障，則+1發(fā)送器報警，不影響其他正常使用的發(fā)送器;若N中有兩臺發(fā)送器故障，則切換電路中優(yōu)先級較高的發(fā)送器由+1發(fā)送器替代，而優(yōu)先級較低的發(fā)送器無法正常切換，該軌道電路呈故障狀態(tài)。

對工程應(yīng)用而言，ZPW-2000A系統(tǒng)發(fā)送器采用“N+1”冗余系統(tǒng)其最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資成本增加較少但系統(tǒng)可靠性顯著提高，其缺點(diǎn)一方面是冗余程度有限，最多只能承受一臺設(shè)備故障而不影響整體系統(tǒng)的工作，另一方面是切換電路復(fù)雜，須對載頻、低頻、輸出電平等條件均切換至+1發(fā)送。

2 “1+1”冗余方式

“1+1”冗余方式是指兩套設(shè)備互為備用，也可將其理解為“N+1”冗余當(dāng)N=1的一種特殊情況。這種冗余方式在軌道電路中的應(yīng)用同樣比較普遍，如25Hz相敏軌道電路中的雙套微電子相敏接收器、客專ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路中的發(fā)送器等，均采用這種冗余方式。稍有不同的是對雙套微電子相敏接收器而言，其呈雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)用模式，正常情況下兩套接收器均接收并處理輸入信號，共同驅(qū)動軌道繼電器JWXC-1700，而客專ZPW-2000A發(fā)送器則是正常情況下主機(jī)接入電路，當(dāng)主機(jī)故障時備機(jī)通過FBJ接點(diǎn)切換代替主機(jī)工作。

對工程應(yīng)用而言，“1+1”冗余方式的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，主機(jī)和備機(jī)中任意一臺設(shè)備故障均不會影響整體系統(tǒng)的正常工作，也不會占用其他系統(tǒng)的冗余資源;其缺點(diǎn)是設(shè)備投資成本較高，和“N+1”冗余結(jié)構(gòu)相比，發(fā)送設(shè)備的投資高了一倍。

3 “0.5+0.5”冗余方式

“0.5+0.5”冗余與“1+1”冗余較為相似，從整體冗余結(jié)構(gòu)而言，二者完全一樣，不同點(diǎn)在于“1+1”冗余是完全相同且僅用于本系統(tǒng)的兩臺設(shè)備互為主備，以客專ZPW-2000發(fā)送器為例，一個區(qū)段需兩臺發(fā)送器通過FBJ切換實(shí)現(xiàn)冗余;而“0.5+0.5”冗余則是每臺設(shè)備分主備兩部分，以ZPW-2000A接收器為例，本區(qū)段接收器分別接收并處理本區(qū)段和相鄰區(qū)段兩個區(qū)段的軌道電路信號，并將相鄰區(qū)段接收器對本區(qū)段軌道信號的處理結(jié)果回傳并聯(lián)至本區(qū)段主機(jī)輸出后共同驅(qū)動軌道繼電器。

對工程應(yīng)用而言，“0.5+0.5”冗余的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，系統(tǒng)平均無故障工作時間和“1+1”冗余一致，同時其一套設(shè)備處理兩路信息，且對本區(qū)段和相鄰區(qū)段信號的處理共用同一組CPU1、CPU2，設(shè)備成本相對“1+1”冗余較低。

4 冗余系統(tǒng)平均故障間隔時間的計算分析

根據(jù)馬爾可夫模型，可推導(dǎo)出“N+1”冗余系統(tǒng)的平均故障間隔時間MTBF1和“1+1”冗余系統(tǒng)的平均故障間隔時間MTBF2表達(dá)式分別為：

參考相關(guān)資料中ZPW-2000A發(fā)送器故障率λ=1.527*10-4，故障修復(fù)時間1/μ分別為1h、2h（有人值守站）和4h、8h（無人值守站）時，可計算出在不同數(shù)量發(fā)送器情況下的系統(tǒng)平均故障間隔時間，數(shù)據(jù)如表1所示：

對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得如下結(jié)論：（1）對“N+1”冗余結(jié)構(gòu)，若故障修復(fù)時間不變，N值越大，則平均故障間隔時間越小;（2）若N值固定，故障修復(fù)時間越大，平均故障間隔時間越小;（3）由于“1+1”冗余結(jié)構(gòu)為“N+1”冗余結(jié)構(gòu)當(dāng)N=1的特殊形式，由表1也可得出，“1+1”冗余結(jié)構(gòu)的平均故障間隔時間顯著大于“N+1”冗余結(jié)構(gòu)的平均故障間隔時間。

此外，當(dāng)前信號設(shè)備大修周期一般為15年，軌道電路作為鐵路信號的重要基礎(chǔ)設(shè)備，從冗余設(shè)計的目的而言，即使有設(shè)備發(fā)生故障需要維修更換，也應(yīng)保證在一個大修周期內(nèi)系統(tǒng)仍能不間斷工作，以免影響鐵路運(yùn)輸行車效率。因此，對于“N+1”冗余結(jié)構(gòu)，計算滿足15年大修周期內(nèi)系統(tǒng)不間斷工作要求的不同故障修復(fù)時間和對應(yīng)的N值就顯得很有必要。

根據(jù)上式計算出故障修復(fù)時間1/μ分別為1h、2h、4h、8h所對應(yīng)的N值即可，計算結(jié)果如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，若要保證“N+1”冗余結(jié)構(gòu)在理論上滿足15年大修周期內(nèi)不間斷工作，其N值不宜選取過大，當(dāng)然，上述計算采用的故障率λ=1.527*10-4相對較為保守，隨著當(dāng)前電工電子技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品故障率越來越低，保證“N+1”冗余結(jié)構(gòu)在理論上滿足15年大修周期內(nèi)不間斷工作的N值也就越大。

5 結(jié)束語

軌道電路作為保障鐵路行車安全及效率的重要基礎(chǔ)設(shè)備，其發(fā)送、接收設(shè)備的冗余方式與鐵路運(yùn)輸效率息息相關(guān)。對于設(shè)備研發(fā)單位而言，應(yīng)盡可能降低設(shè)備故障率，提高設(shè)備可靠性，并實(shí)現(xiàn)成本可控;對于現(xiàn)場應(yīng)用單位而言，應(yīng)盡可能縮短故障修復(fù)時間，對于“N+1”系統(tǒng)中N值較大的情況，還應(yīng)考慮分上、下行分別設(shè)置“+1”冗余設(shè)備，以提高系統(tǒng)故障間隔時間。

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