轨道电路设备冗余方式探讨

罗能斌

摘  要：文章主要分析对比了当前国内轨道电路系统中发送、接收设备普遍应用的“N+1”“1+1”及“0.5+0.5”冗余结构，重点对“N+1”冗余结构的可靠性进行了计算分析，并根据计算分析结果，对如何提高现场轨道电路系统的可靠性提出了建议。

关键词：轨道电路;冗余;可靠性;N+1

中图分类号：U284.92 文献标志码：A 文章编号：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

轨道电路作为铁路信号基础设备，对保证行车安全、提高运输效率具有至关重要的作用，对其可靠性、安全性的研究历来都是轨道电路研究的重点。随着对设备运行可靠性、安全性的要求越来越高以及技术的不断发展，各种冗余方式也普遍应用于轨道电路发送及接收设备，以最大限度的保证轨道电路的正常工作。本文主要阐述国内目前主要采用的轨道电路发送、接收设备的冗余方式，并对其进行对比分析。

1 “N+1”冗余方式

“N+1”冗余在轨道电路中最典型的应用就是普速ZPW-2000A无绝缘轨道电路及站内电码化发送器。其冗余原理是在最低需求的N台发送器之外再设置第“N+1”台发送器，当所有发送器均正常输出时，发送器内CPU1、CPU2驱动安全与门电路输出，使发送报警继电器FBJ励磁;当N台发送器中有一台发送器出现故障，即该发送器内CPU1、CPU2检测到产生的移频信号中载频、低频或电压幅度不正常，则安全与门无输出，FBJ落下，使+1发送器通过切换电路介入，代替故障发送器，保证轨道电路或电码化的正常工作。

“N+1”冗余的特点是，若N中仅有一台发送器故障，则切换至+1发送器并报警;若+1发送器故障，则+1发送器报警，不影响其他正常使用的发送器;若N中有两台发送器故障，则切换电路中优先级较高的发送器由+1发送器替代，而优先级较低的发送器无法正常切换，该轨道电路呈故障状态。

对工程应用而言，ZPW-2000A系统发送器采用“N+1”冗余系统其最大优点是设备投资成本增加较少但系统可靠性显著提高，其缺点一方面是冗余程度有限，最多只能承受一台设备故障而不影响整体系统的工作，另一方面是切换电路复杂，须对载频、低频、输出电平等条件均切换至+1发送。

2 “1+1”冗余方式

“1+1”冗余方式是指两套设备互为备用，也可将其理解为“N+1”冗余当N=1的一种特殊情况。这种冗余方式在轨道电路中的应用同样比较普遍，如25Hz相敏轨道电路中的双套微电子相敏接收器、客专ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路中的发送器等，均采用这种冗余方式。稍有不同的是对双套微电子相敏接收器而言，其呈双机并联运用模式，正常情况下两套接收器均接收并处理输入信号，共同驱动轨道继电器JWXC-1700，而客专ZPW-2000A发送器则是正常情况下主机接入电路，当主机故障时备机通过FBJ接点切换代替主机工作。

对工程应用而言，“1+1”冗余方式的优点是可靠性高，主机和备机中任意一台设备故障均不会影响整体系统的正常工作，也不会占用其他系统的冗余资源;其缺点是设备投资成本较高，和“N+1”冗余结构相比，发送设备的投资高了一倍。

3 “0.5+0.5”冗余方式

“0.5+0.5”冗余与“1+1”冗余较为相似，从整体冗余结构而言，二者完全一样，不同点在于“1+1”冗余是完全相同且仅用于本系统的两台设备互为主备，以客专ZPW-2000发送器为例，一个区段需两台发送器通过FBJ切换实现冗余;而“0.5+0.5”冗余则是每台设备分主备两部分，以ZPW-2000A接收器为例，本区段接收器分别接收并处理本区段和相邻区段两个区段的轨道电路信号，并将相邻区段接收器对本区段轨道信号的处理结果回传并联至本区段主机输出后共同驱动轨道继电器。

对工程应用而言，“0.5+0.5”冗余的优点是可靠性高，系统平均无故障工作时间和“1+1”冗余一致，同时其一套设备处理两路信息，且对本区段和相邻区段信号的处理共用同一组CPU1、CPU2，设备成本相对“1+1”冗余较低。

4 冗余系统平均故障间隔时间的计算分析

根据马尔可夫模型，可推导出“N+1”冗余系统的平均故障间隔时间MTBF1和“1+1”冗余系统的平均故障间隔时间MTBF2表达式分别为：

参考相关资料中ZPW-2000A发送器故障率λ=1.527*10-4，故障修复时间1/μ分别为1h、2h（有人值守站）和4h、8h（无人值守站）时，可计算出在不同数量发送器情况下的系统平均故障间隔时间，数据如表1所示：

对表1数据进行分析，可得如下结论：（1）对“N+1”冗余结构，若故障修复时间不变，N值越大，则平均故障间隔时间越小;（2）若N值固定，故障修复时间越大，平均故障间隔时间越小;（3）由于“1+1”冗余结构为“N+1”冗余结构当N=1的特殊形式，由表1也可得出，“1+1”冗余结构的平均故障间隔时间显著大于“N+1”冗余结构的平均故障间隔时间。

此外，当前信号设备大修周期一般為15年，轨道电路作为铁路信号的重要基础设备，从冗余设计的目的而言，即使有设备发生故障需要维修更换，也应保证在一个大修周期内系统仍能不间断工作，以免影响铁路运输行车效率。因此，对于“N+1”冗余结构，计算满足15年大修周期内系统不间断工作要求的不同故障修复时间和对应的N值就显得很有必要。

根据上式计算出故障修复时间1/μ分别为1h、2h、4h、8h所对应的N值即可，计算结果如表2所示。

由表2数据可知，若要保证“N+1”冗余结构在理论上满足15年大修周期内不间断工作，其N值不宜选取过大，当然，上述计算采用的故障率λ=1.527*10-4相对较为保守，随着当前电工电子技术的不断发展，产品故障率越来越低，保证“N+1”冗余结构在理论上满足15年大修周期内不间断工作的N值也就越大。

5 结束语

轨道电路作为保障铁路行车安全及效率的重要基础设备，其发送、接收设备的冗余方式与铁路运输效率息息相关。对于设备研发单位而言，应尽可能降低设备故障率，提高设备可靠性，并实现成本可控;对于现场应用单位而言，应尽可能缩短故障修复时间，对于“N+1”系统中N值较大的情况，还应考虑分上、下行分别设置“+1”冗余设备，以提高系统故障间隔时间。

参考文献：

[1]赵自信.ZPW-2000A无绝缘移频自动闭塞系统的技术综述[J].铁路通信信号工程技术，2003（S1）：12-19.

[2]陈永刚，王晓明，林俊亭，等.ZPW-2000A移频自动闭塞设备可靠性分析[J].兰州交通大学学报（自然科学版），2005（1）：26-28.