地铁车辆LCU冗余技术探讨

魏调忠

（佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

广佛线是城际间的地铁线路，横跨广州、佛山两市五区，自2010年投入运营以来成为了广佛两市间的交通大动脉，为广佛同城发挥了重要的作用。随着2018年底全线的贯通运营，客流量也急剧攀升，也给广佛线的运营提出了更高的要求。

广佛线目前配属列车共计有51列，其中一期27列、二期6列，均采用2动2拖编组。广佛线既有列车低压控制系统采用传统继电器控制的方式，根据功能和应用场景，装有5个厂家共计16种类型的继电器，每列车的继电器数量超过200个，其中有超过600个触点被使用。

继电器是列车控制系统的关键组成部件，其动作频繁并缺乏冗余功能，并且长期在高温、潮湿、振动等环境中工作，故障率高且影响大。广佛一期列车运营10年以来，平均每年继电器故障约30起，占列车正线故障的60%，严重影响了线路的运营服务质量。由于继电器属于被动元件，其不具备故障自检功能，地铁运营单位难以有效地对继电器状态进行检测。目前，仅能通过采取每年定期排查，通过按继电器的重要程度进行分级，采取三年、五年等周期进行定期更换等手段进行计划性维修，不仅维护工作量大，而且维护成本过高。

为解决广佛线既有列车继电器故障高的难点，广佛地铁公司在新增购的18列车中采用LCU技术，并充分提升LCU的冗余性能，保障列车低压控制系统的安全性和稳定性。

1 LCU冗余技术

随着LCU技术的发展，系统的冗余性能也呈现多样化。目前，先进的冗余架构主要分为“双机热备”、“三取二”和“二乘二取二”等3种方式。

1.1 “双机热备”架构

“双机热备”系统由2组功能完全相同且可互换的子系统组成，采用同时上电热备的方式，每个子系统都具有故障检测和诊断功能，其安全性能等级为SIL2［1］。在运行过程中，2个子系统的运行结果不进行比较，当其中一组出现故障将无缝切换到另一组进行正常工作，降低LCU故障对列车的运行影响，其主要控制结构如图1所示。

图1 “双机热备”冗余的控制结构图

1.2 “三取二”架构

“三取二”冗余架构是一种三通道系统，主要由功能完全独立的3组子系统组成，并在输出部分加入表决电路，各系统经过逻辑判断后输出结果由表决器进行判断，只要3个子系统中的任何2个的输出一致，则对外输出或传输运算结果，其安全性能等级为SIL2［2］。

相比“双机热备”，“三取二”冗余架构在增设一组控制单元的基础上增加了运算结果的表决环节，提升了逻辑运算结果的可靠性，其主要控制结构如图2所示。

图2 “三取二”冗余的控制结构图

1.3 “二乘二取二”架构

“二乘二取二”冗余框架是在“双机热备”冗余系统的基础上，通过增设诊断单元形成“二取二”系统，并由两个“二取二”子系统组成“二乘二取二”冗余框架［3］。

“二取二”子系统是指在一套系统上集成2个处理器单元，严格同步，实时比较，只有当2个单元运行一致时，才对外输出或传输运算结果。两个“二取二”子系统间互为热备冗余，构成具有更高冗余性能的特殊双机热备冗余系统，其安全性能等级最高可达SIL4［4］。其主要控制结构如图3所示。

图3 “二乘二取二”冗余的控制结构图

1.4 三种冗余架构对比分析

从结构原理、故障降级、安全等级和成本等方面看，“双机热备”冗余框架能在满足功能需求的前提下提供了基础的冗余功能，成本相对较低；“三取二”冗余框架的安全性相对较高，但“三取二”和“双机热备”冗余系统由于背板不一致，无法兼容；“二乘二取二”冗余框架同时兼顾了系统的安全性和可靠性，同时可与“双机热备”相兼容，但在3个冗余框架中成本最高。

各冗余框架的主要对比如表1所示。

表1 3种冗余架构的对比

2 广佛线增购列车LCU冗余技术与应用

2.1 广佛线增购列车LCU方案

目前，国内地铁列车中应用的LCU一般采用“双机热备”冗余设计，具备A、B两组软硬件完全一致的子系统［5］。在双冗余系统中，如果发生逻辑应用功能异常、软件bug及板卡硬件等偶发故障后，有可能会导致LCU对外的业务功能错误，从而影响列车正常运行，迫使列车退出服务［6］。

为降低“双机热备”冗余框架失效对列车关键控制回路的影响，同时兼顾LCU的可用性和成本，广佛线增购列车采用“双机热备”与“二乘二取二”组合的LCU技术，通过在普通非关键的控制逻辑中采用“双机热备”的冗余框架，在牵引、制动等关键控制逻辑中采用“二乘二取二”的冗余框架，有效地兼顾了系统的安全性和经济性。如图4所示。

图4 广佛增购列车LCU安装及网络拓扑图

2.2 兼容“双机热备”与“二乘二取二”冗余的数字输入输出模块冗余

广佛线增购列车的LCU采用标准机箱结构，结构上采用3U机箱，如图5所示。每个LCU机柜设置IO通道120个（输入68个，输出52个），其中“二乘二取二”输入12路，“双机热备”输入56路；“二乘二取二”输出12路，“双机热备”输出40路。相邻的两块IO板互为冗余，相同类型的IO板卡间有可互换性。

图5 广佛增购列车LCU机箱结构

广佛线增购列车采用“二乘二取二”冗余框架的关键控制逻辑，包含牵引制动指令、牵引安全、紧急制动等9个方面，主要控制回路如表2所示。

表2 广佛线增购列车“二乘二取二”的应用范围

“二乘二取二”冗余框架设计由4个相互独立的CPU、输入输出模块等组成控制单元进行逻辑运算，每2个控制单元为一系，每个CPU的运算结果采用二取二的表决方式进行输出处理，当表决一致时为有效，当表决并不一致时将触发故障自检，如表3所示，同时两个系之间互为双机热备冗余［7］。

表3 “二乘二取二”运算真值表

2.3 电源冗余

如图6所示，每个LCU机箱内配置有两个冗余电源板，分别给机箱内A／B两组板卡供电，并共同为所有通信板卡（包含MVB板、ETH板）供电，避免单个电源板卡故障对整个LCU通信系统的影响［8］。两组电源之间相互独立，采取独立的母线供电并设置独立的空气开关控制。同时，电源板具有输出过／欠压保护、过温保护、输出过载保护、短路保护及故障自恢复等功能。

图6 广佛增购列车LCU电源冗余结构示意图

2.4 主控板冗余

每个LCU机箱均设计有2组主控板，分别负责对应组内各板卡状态的监控，实现逻辑的实时计算、故障保护、通信调度、日志记录以及维护等功能。如果两个主控板逻辑运算结果不一致或某个主控板发生故障时，可根据系统的故障检测情况实时完成A、B组主控板的主从切换，确保LCU运行的安全性和可靠性。

2.5 通信冗余

图7 广佛增购列车LCU通信冗余结构示意图

如图7所示，LCU机箱内部的网络采用CAN总线冗余设计，所有的功能板件均带有两个独立的CAN通信模块，通过背板总线分别连接至两条相互独立的CAN总线上。正常工作状态下，两路CAN总线同时参与通信。当其中任意一个CAN异常时，系统会维持另一路CAN总线运行，确保数据的正确传递。

3 结束语

广佛线增购列车通过采用LCU替代继电器进行低压回路的控制，从根本上杜绝了因继电器卡滞、接触不良等异常导致列车控制失效的情况，提升了列车控制电路的可靠性，并很大程度上降低了列车控制回路中全寿命周期的运维成本。

广佛线增购列车的LCU系统在“双机热备”冗余的基础上，在关键逻辑控制中采用更安全的“二乘二取二”冗余框架，避免了温度异常、电源波动等共因失效导致的系统异常，进一步提升了LCU的安全性和可靠性。此外，广佛线增购列车的LCU在设计上采用双电源冗余供电、CAN总线冗余通信等方式，减少了单点故障对系统功能的影响，提升了地铁列车控制电路的整体可靠性，对提升广佛线的运营安全和服务质量，以及提升乘客的乘车体验发挥着重要的作用。