巴西圣保羅13號線項目車載ATC設(shè)備冗余設(shè)計方案

朱云生

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

巴西圣保羅13號線是圣保羅地鐵公司建設(shè)與運營的首條線路，是南美洲的第一條機場線，連接著圣保羅市中心和瓜魯柳斯機場，全長12.2 km，沿線設(shè)有3個車站，前期提供8列（64輛）城軌車輛，車載信號系統(tǒng)及電臺系統(tǒng)由中國鐵路通信信號股份有限公司提供，為車輛安全駕駛保駕護航，為車輛安全調(diào)度搭建橋梁。

巴西圣保羅信號系統(tǒng)采用通用安全信號應(yīng)用（GSSAP）平臺，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、無線通信、TAG標(biāo)簽的臺階式列車自動運行控制系統(tǒng)。車載信號系統(tǒng)通過速度傳感器、加速度計獲取列車的速度及加速度，從而計算出列車的速度位置信息，通過車載TAG讀取器獲取地面站臺TAG定位信息，對列車位置進(jìn)行建立及校正，通過軌道電路讀取器（Track Circuit Reader，TCR）獲取地面軌道電路傳輸?shù)南匏傩畔ⅰ＼囕d信號系統(tǒng)根據(jù)測速測距單元計算的速度位置信息、地面發(fā)送的限速信息進(jìn)行列車速度防護，根據(jù)司機操作，對列車運行進(jìn)行監(jiān)控及防護，并將列車相關(guān)運行信息通過人機接口設(shè)備（DMI）顯示給司機，提示司機安全駕駛列車。

2 車載系統(tǒng)介紹

巴西圣保羅13號線車載信號系統(tǒng)設(shè)備主要包括車載列車自動控制系統(tǒng)（ATC）、車載列車自動駕駛（Automatic train Operation，ATO）、車載DMI、車載TCR、車載TAG、車載無線訪問節(jié)點（Access Point，AP）、速度傳感器、加速度計等設(shè)備以及車輛控制操作器件等，其中車載ATC車載控制單元（On-Board Controller Unit，OBCU)板卡功能如表1所示。

表1 車載ATC各板卡功能Tab.1 Functions of onboard ATC OBCU boards

在巴西圣保羅13號線項目中，車輛編組為8編，車載設(shè)備分別在首尾兩端各安裝1套，硬件上互為獨立。由于既有條件限制，只具備速度傳感器和加速度計的首尾冗余功能，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發(fā)生故障，需要司機在列車停穩(wěn)后，手動切換冗余開關(guān)進(jìn)行切換。

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

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

3 冗余方案設(shè)計

基于既有車載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，通過增加硬件板卡、修改接口電路以及適配修改車載ATC、TCR軟件，以實現(xiàn)車載ATC冗余功能。

車載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。

車載ATC冗余后采用熱備冗余的方式監(jiān)控列車運行，即當(dāng)車載主控板、輸入板、輸出板、網(wǎng)卡板、電源板、通信板、車載TCR等任意板卡發(fā)生故障時，車載ATC可以不停車自動切換至備系運行，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，將故障信息傳至車輛列車管理系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS）屏幕顯示并記錄，在ATC記錄數(shù)據(jù)中也會記錄相應(yīng)板卡故障狀態(tài)。列車回庫后，維護人員需根據(jù)記錄數(shù)據(jù)對故障板卡進(jìn)行及時維護。

速度傳感器和加速度計保持既有首尾冗余功能，不做變更。

車載ATC設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載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

車載ATC具備兩個主控單元，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)商確定誰是主系，誰是備系。主系和備系同時工作，同時接收來自輸入板、通信板、網(wǎng)卡板、TCR設(shè)備等數(shù)據(jù)，并單獨處理。主系、備系在工作時的工作狀態(tài)保持一致，主系、備系同時在比較對系發(fā)送過來的關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)，如果雙系狀態(tài)不一致，主系報錯，不影響ATC控車，備系宕機。車載ATC在控制輸出（輸出車輛IO，與外圍設(shè)備通信等）時，通過主系輸出。

當(dāng)主系發(fā)生故障時，主系告知備系自己故障，備系立刻升為主系繼續(xù)控制列車運行，實現(xiàn)列車控制的無縫不停車切換，處理邏輯見圖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)車載ATC上電后，主控板同時接收雙系輸入板（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)車載ATC進(jìn)入冗余狀態(tài)后，通過DMI提示司機進(jìn)入冗余狀態(tài)（顯示“RED”），在DMI的右下角顯示框內(nèi)提示司機車載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)車載ATC進(jìn)入冗余狀態(tài)后，車載ATC應(yīng)通過車載記錄單元記錄相應(yīng)板卡故障狀態(tài)。

3.2 硬件變更

在既有車載硬件基礎(chǔ)上，通過增加硬件板卡和修改接口電路實現(xiàn)車載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，實現(xiàn)車載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，通過增加硬件板卡、修改接口電路及適配修改車載ATC、TCR、DMI軟件，可以實現(xiàn)車載ATC熱備冗余，且相對于首尾冗余的車載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，可以不停車自動切換到備系運行，提高設(shè)備冗余性及系統(tǒng)可用性。