城市轨道和高速铁路列车的通用车载安全平台研究

王新忠

(北京和利时公司，北京 100176)

0 引 言

列车控制系统是高速铁路和城市轨道交通建设的重要技术装备之一。城市轨道交通车载列控系统和高速铁路车载列控系统的接口存在很多差异。本文将研究高速铁路列车和城市轨道列车在不同应用场景和不同车型的接口需求，并实现一个可灵活配置的通用车载安全平台，满足高速铁路和城市轨道交通列车应用。

1 系统功能需求

我国高速铁路及城市轨道交通线路所处的环境和运用要求不同，造成车型种类繁多、需求复杂、接口变化多样，进行通用车载安全平台的研究，可满足不同接口需求的应用场景。

1.1 功能需求组成

通用车载安全平台需具备的功能如下。

(1)电源供电功能—将车辆提供的电源转换为24 V电源，用于平台系统内部各个模块供电。

(2)核心逻辑处理功能—实现与车辆及外设的接口处理、算法实现、安全比较功能(二取二)、采集接口、输出接口和通信接口等功能进行封装。

(3)输入信号采集功能—具备实时获取输入信号采集功能。

(4)信号输出功能—具备对外输出功能，提供驱动外部继电器动作的控制信号。

(5)通信功能—包括普通以太网、MVB、CAN、RS422、实时以太网(TRDP)等多种接口形式。

(6)灵活配置功能—硬件采用模块化设计，可根据车辆接口及应用场景需要选择对应模块搭建系统。

1.2 冗余功能

通用车载安全平台所包含的电源模块、核心逻辑处理模块、输入/输出模块、通信接口模块等功能模块均应具备冗余结构。当通用车载安全平台的上述功能模块的某个功能发生故障时，应能切换至其对应冗余结构模块继续运行而不对系统运行产生任何影响。

1.3 失效防护功能

核心逻辑处理、安全输入/安全输出、安全通信功能作为通用车载安全平台的安全相关功能，应具有符合SIL-4级要求的失效防护功能。

2 系统接口需求分析

车辆的接口决定了通用车载安全平台所需要具备的接口。通过实地调研国内高速铁路和城市轨道交通多种列车的接口，作为通用车载安全平台设计接口的需求依据。所需提供的接口及数量如下所述：

(1)供电接口：支持24 V(有轨电车)、74 V(内燃机车)和110 V(动车及其他车型)三种供电接口；(2)安全数字量输入接口：16路；(3)非安全数字量输入接口：20路；(4)安全数字量输出接口：8路；(4)非安全数字量输出接口：24路；(6)RS485接口：8路；(7)RS422接口：8路；(8)Can接口：2路；(9)模拟量速传采集接口：4路；(10)模拟量加速度传感器接口：4路；(11)模拟量AO/PWM输出接口：2路；(12)以太网接口：6路；(13)BTM天线接口：2路；(14)MVB车辆总线接口：2路；(15)实时以太网(TRDP)接口：2路。

3 系统硬件架构及实现

结合通用车载安全平台系统结构上采用了”二乘二取二”结构，单系满足SIL-4要求，双系满足冗余冗余可靠性要求。

系统包括功能完整且相互独立运行的两系(A系、B系)。根据不同的车辆接口和其所承载的不同应用场景需求，通用车载安全平台可进行不同的硬件及软件配置。

3.1 单系结构

平台单系划分为ATP、ATO和通信等子系统，如图1所示。上述三个子系统均包括安全计算机模块和对应的接口模块，实现的原理相同。三个子系统之间通过系统总线进行通信。

图1 通用车载安全平台单系结构组成

此外，通用车载安全平台单系内还包含电源子系统、防护转接子系统和对外的继电器子系统等辅助性子系统，分别完成电源接入、电磁干扰防护和输入输出接入功能。

3.2 二取二结构

按照安全完整性等级要求，通用车载安全平台的安全计算机模块采用“二取二”的安全结构，接口模块则按输入输出双通道隔离调理电路设计，以ATP子系统为例，包括ATP(安全计算机模块)和看门狗模块。

ATP安全计算机模块划分为通道1和通道2两部分，两通道实现的功能和原理完全一致，且相互隔离。两通道通过同步脉冲实现两通道CPU的同步，两通道通过光耦隔离的通信链路实现两通道CPU的通信，并实现数据互传和表决功能，构成二取二结构。

看门狗模块是各子系统均需包含的接口模块，设计为两通道、且相互独立，两通道各有独立的输入、输出通道，本子系统的所有输出均受看门狗电路控制。看门狗电路故障时，关断输出。

ATO子系统内部实现结构与ATP子系统实现结构基本一致。

通信子系统除包含安全计算机模块和看门狗模块外，还支持包含输入输出模块和通信模块等。

3.3 接口模块

硬件模块采用3U标准的模块化设计，设计不同种类的接口模块。根据承载的不同应用场景，为通信子系统配置不同的接口模块，接口模块的名称及接口资源如下。

安全数字量输入模块：16路输入

安全数字量输出模块：8路输出

非安全数字量输入模块：20路输入

非安全数字量输出模块：24路输出

模拟量输入模块：4路速传模拟量输入，4路加速度计模拟量输入

模拟量输出模块：2路电流型或电压型模拟量输出，2路PWM输出

通信模块：8路RS422，8路RS485

通信扩展模块：6路以太网接口

车辆总线模块：2路MVB接口，2路实时以太网接口，2路Can接口

4 系统软件架构及实现

结合系统硬件架构，软件共划分为三个软件，分别是ATP软件、ATO软件和通信软件，这里的三个软件均是指平台层软件，通过承载不同的应用软件实现具体应用功能，满足不同应用场景需求。

4.1 软件分层设计

通用车载安全平台的平台层软件为采用分层结构设计，具备清晰的层次划分，分层关系为自下而上提供接口，上层软件不得为下层软件提供接口，层与层之间没有耦合关系。从下到上依次为硬件层、通用层、专用层和应用接口层，最上层为所承载的应用层软件。

4.1 配置数据设计

由于不同应用场景和不同车辆的接口要求不同，需设计专用的配置数据进行适配配置数据。配置数据设计内容包括如下几点：

(1)配置文件的版本，用于数据正确性验证；

(2)配置的的硬件模块类型，根据需求选择配置不同硬件模块；

(3)模块的对外接口类型，如输入输出、RS485、RS422、以太网、MVB等；

(4)对应接口地址，包括设备地址或IP地址；

(5)对应通信接口协议配置不同的通信协议及其安全协议；

(6)接口通讯周期，设置软件中对应线程的执行周期。

5 典型应用

基于通用车载安全平台，通过配置不同子系统、不同硬件模块和软件通信协议，可满足多种应用场景。高速铁路ATP系统应用场景配置了ATP子系统和通信子系统两个子系统，其中ATP子系统负责列车自动防护逻辑处理，通信子系统负责与外设通信交互。通信子系统的功能包括测速测距算法实现、安全输入输出等多种接口的处理。

6 结束语

本文提出了适用高速铁路和城市轨道交通列车的通用安全平台研究，梳理出平台所必须的功能需求及接口需求，并研制出基于“二乘二取二”架构的通用车载安全平台，基于该平台的高铁ATP已应用于大西线试验、高速铁路C3+ATO已实际应用于京沈高铁运营、地铁VOBC已实际应用于中东地铁项目，并具备应用于北京地铁FAO场景条件。