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以车为核心的轨道交通列控产品安全平台设计

2021-03-29迟宝全侯丽君

电气化铁道 2021年1期
关键词:车车列控信号系统

迟宝全,侯丽君,吴 松

0 引言

基于通信技术的列车自动控制系统(以下称CBTC)产品通常可以分为产品应用部分和产品平台部分,CBTC 体系安全也由功能安全和技术安全两部分组成,其中产品应用需满足功能安全要求,产品平台需满足技术安全要求,二者相辅相成,密不可分,共同指引产品开发的方向。通常情况下,基于统一的产品平台开发CBTC 产品,可以在一定程度上提高产品性能和工程化效率,降低使用成本和维护成本。

1 CBTC 产品应用和产品平台的发展方向

CBTC 产品经历了十余年的发展,已经形成了成熟稳定的产品架构,如图1 所示。其中,传统CBTC 的产品应用包括几个核心安全子系统:轨旁的联锁CBI 和区域控制器ZC,车载设备ATP 和ATO。在CBTC 模式下,CBI 根据ZC 的指令完成信号机和道岔的控制,ZC 根据车载汇报的位置、速度信息计算移动授权并发给车载设备,车载设备根据ZC发送的移动授权计算ATO控车曲线和ATP防护曲线,实现列车自动运行和安全防护。

传统CBTC 的产品安全平台通常分为轨旁安全平台和车载安全平台,由于轨旁设备和车载设备在接口、功能、性能和环境指标要求等方面存在一定的差异,出于成本和可实现性考虑,两种产品平台通常是独立设计、分别维护。该做法的优点是安全平台设计实现相对容易,缺点是需要维护多个软硬件版本,而且长期应用的成本较高。

图1 传统CBTC 系统架构

随着列控技术的不断发展,在传统CBTC 的基础上,列控系统出现了一些新的发展方向,如互联互通、全自动无人驾驶FAO、车车通信,以及多种信号制式,如有轨电车、跨座式单轨、悬挂式空轨、APM(自动旅客捷运系统)、市域铁路等。相应地,产品应用对产品平台也提出了新的发展需求,这些需求包括但不限于:

(1)兼容欧标、美标,满足不同信号制式的需求;

(2)支持RSSP-I/II 安全协议,满足互联互通标准的需求;

(3)支持CANOpen、MVB、TRDP,满足车辆总线接口IEC 61375 标准的需求;

(4)支持模块化、独立控制、灵活配置、快速组网,满足车辆信号融合的需求;

(5)支持卫星定位、雷达防撞、多传感器融合,满足列车测速定位和自动防护的需求;

(6)支持大数据量通信、大运算量,性能卓越,满足车车通信的需求;

(7)诊断维护功能智能化,满足信号系统智能运维的需求;

(8)低成本、低功耗、小型化、全电子化,满足轨旁设备一体化和全电子化的需求;

(9)硬件资源丰富,可扩展性强,满足定制化和工程化的需求;

(10)高可靠性,长产品生命周期,满足无人驾驶的需求。

本文所介绍的产品平台在满足安全性和可靠性的前提下,主要考虑车车通信以及车辆与信号系统深度融合的相关需求,并根据列控产品的演进方向,提出一种通用的产品平台设计方案。

2 以车为核心的下一代列控产品特点

基于车车通信的下一代列控系统结构如图2所示,其主要特点之一是以车为核心,列车自主运行,轨旁设备简化为受控于车载设备的目标控制器或电子执行单元。车载设备相比以前更加智能化,承担了联锁控制和安全防护全部功能,通过预定、使用和释放的方式共享线路资源,通过车车通信,后车可以直接获取前车的位置、速度、状态信息,实现列车追踪,减少了与轨旁设备的交互环节,降低了追踪间隔,提高了行车效率。同时,由于系统简化了轨旁设备,优化了系统内部接口,从而降低了系统复杂度,提高了系统实时性和可靠性,降低了实现难度和全生命周期的维护成本。

图2 基于车车通信的下一代列控系统架构

基于车车通信的下一代列控系统的另一个主要特点是车辆与信号系统的深度融合(图3)。所有信号设备(如ATP 和ATO 等)和车辆设备(如TCMS、牵引系统、制动系统、门控制系统、空调系统、火灾报警系统、旅客信息系统等)都作为通信节点纳入车辆网络统一管理,同时充分利用车辆和信号系统的速度传感器,提高速度信号的可靠性和冗余性。该方案摒弃了传统的信号车载设备与车辆的特殊接口设计,取消传统车载信号系统的内部独立网络,从列车全系统出发,将列车所有功能(含所有安全功能,如列控、牵引、制动、车门控制等)进行一体化设计,进一步降低了设备成本,提高了系统的性能和可靠性。

图3 车辆与信号系统深度融合示意图

3 以车为核心的下一代列控产品平台

如前文所述,以车为核心的下一代列控产品平台边界及可配置性必须满足车辆和轨旁设备的通用接口需求,并在不同的应用场景下实现灵活配置,该产品平台的通用接口包括但不限于:外部通信接口、诊断维护接口、信标接口、车辆接口、轨旁接口、安全输入输出接口等。该产品通用功能包括但不限于:初始化上电自检、输入输出管理、系统内同步管理、安全表决管理、系统间同步切换管理、外部安全通信管理、在线自检管理、故障管理、诊断维护管理、周期调度与监控管理、时钟管理、用户接口管理等。

以车为核心的下一代列控产品平台的外部接口及可配置方案设计如图4—图6 所示。

图4 轨道交通列控通用安全产品平台

图5 车载安全产品平台

图6 轨旁通用产品平台

除了外部接口需兼容轨旁和车载信号系统的需求之外,该产品平台的内部通信架构还需满足车辆与信号系统深度融合的需求,该产品平台的通用模块包括但不限于:诊断维护单元、通信管理单元、安全计算单元、离散I/O 单元、模拟I/O 单元、自动驾驶单元、电子执行单元等。

该产品平台由高度可复用的抽象化的外设单元和标准化的控制模块组成,所有模块和外设单元均基于以太网安全总线实现信息交互,并需要满足最高安全等级SIL4 要求。在该系统中,通信协议完全基于EN 50159 标准开发,物理层采用100 M高速以太网,可实现双网冗余管理。在所有模块的通信管理方面,可根据设备的类型和ID 灵活分配IP,实现快速组网和实时通信。产品平台基于以太网的分布式架构也使得该车载信号产品更加容易直接接入车辆网络,实现车辆与信号系统的一体化设计。

为了实现产品平台的通用性,所有安全模块均采用统一的核心板卡和平台软件实现,拥有独立的系统调度、在线自检、仲裁服务、时钟管理、模块通信、存储管理、I/O 管理、故障管理等功能,该产品平台的分层结构如图7 所示。

图7 通用轨交产品平台分层结构

4 结语

车车通信作为下一代列控产品的发展方向,其产品平台相对于传统的CBTC 系统平台而言,除了安全性和可靠性的要求之外,还需要更灵活的扩展性和可配置性,以满足车辆信号一体化以及轨旁系统小型化和全电子化的要求。本文介绍了一种以车为核心的列控产品平台设计方案,该产品平台完全实现自主研发并通过独立第三方SIL4 等级安全认证。下一步该产品平台将通过适当的扩展,应用于车车通信以及各种多制式列控项目中。

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