城市轨道交通信号系统冗余技术分析

龙源期刊网城市轨道交通信号系统冗余技术分析作者：刘文君来源：《科技信息·下旬刊》2017年第06期摘要：城市轨道交通是城市交通的主要构成部分，提高信号系统运行的稳定性，是确保城市轨道交通能够安全运行的关键。本文分析了城市轨道交通信号系统的特点。从软件与硬件两方面，对系统的冗余技术的类型进行了阐述。重点探讨了各类型冗余技术的应用方法，经仿真实验，证实了冗余技术的应用价值。关键词：城市轨道交通；通信干扰；冗余技术前言：随着城市化进展速度的不断加快，城市人口数量逐渐增多，道路交通压力逐渐增大。地铁等城市轨道交通的出现，有效缓解了路面交通的压力，提高了人民出行的便利性。信号系统为城市轨道交通系统的重要组成部分，运行过程中，如出现了故障，将会对乘客的安全造成较大的影响。将冗余技术应用到城市轨道交通信号系统的设计过程中，是提高系统应用安全性的主要途径。1城市轨道交通信号系统的特点城市轨道交通信号系统的特点，主要体现在以下方面：（1）客流量大：城市轨道交通每日承担的客流量较大，能够有效缓解公路交通的压力，解决由车流量过大而导致的空气污染过于严重的问题，对城市的健康发展具有积极意义。（2）列车运量大[1]：城市轨道交通的运量大，如信号系统难以准确的采集列车行车速度等参数，很容易导致车速过高，或车辆到站不准时的问题发生，对乘客的安全性及可靠性造成影响。（3）交通线路短：城市轨道交通线路短，站与站之间的距离小。信号系统需具有自动调控的功能，以将车辆与车辆之间的距离，维持在安全的范围内，提高行车的安全性。（4）联锁关系简单：城市轨道交通信号系统的联锁关系相对简单，加之无交通岔道，信号机数量少，系统联锁机构出现故障的几率较高[2]。需加强对联锁设备设计问题的重视，将冗余技术应用到城市轨道交通信号系统软件与硬件的设计过程中，以增强系统的性能，提高系统应用的可靠性。2城市轨道交通信号系统冗余技术类型2.1冗余技术的概念冗余技术又称储备技术，要求将并联模型应用到各类型系统的设计过程中，实现对系统的自动化控制，以使系统运行的可靠性得以提升[3]。冗余技术为计算机容错技术的一种，包括工作冗余与后背冗余两部分内容。工作冗余中，长期处于运行中的系统单元可平均承担工作，龙源期刊网以提高系统的整体容错能力。与之相比，后背冗余则要求设计备用的单元待机，以确保当系统设备出现故障时，备用机械能够随之运行，确保系统的性能能够正常发挥。2.2系统冗余技术分类城市轨道交通信号系统冗余技术，包括硬件冗余技术及软件冗余技术两种[4]。具体如下：2.2.1硬件冗余技术城市轨道交通信号系统中，硬件冗余指在分析系统各硬件发生故障的几率的基础上，为故障率较高的硬件设计冗余硬件，以在该硬件发生故障时，达到容错目的的一项技术。根据信号系统中设备类型以及功能的不同，可将冗余硬件分为系统级硬件、功能级硬件、逻辑级硬件等多种类型。当系统级硬件出现故障时，相应冗余硬件可随之作出反应，代替故障件完成其功能。功能级及逻辑级冗余硬件的实现原理，与系统级硬件的原理一致。三取二冗余、二乘二取二冗余等，为城市轨道交通信号系统常用的冗余技术。经实践证实，上述技术的应用效果较好。2.2.2软件冗余技术软件冗余技术，指通过重复设计城市轨道交通信号系统中的重要程序的方式，达到容错目的的一项技术。以功能自检测程序为例，该程序的功能在于自动监测系统各硬件及软件的运行情况，判断系统是否存在故障。如该程序出现故障，很容易导致列车的故障无法被发现，进而对行车安全造成影响。以原有的功能自检测程序为基础，重复设计备用程序，将其作为冗余软件，应用到交通信号系统的设计中，可有效解决上述问题。3城市轨道交通信号系统冗余技术的应用3.1硬件冗余技术的应用3.1.1“二取二”冗余技术的应用“二取二”冗余技术，要求采用双机并行的方式实现容错。传统的城市轨道交通信号系统，通常由2台计算机进行控制。2台计算机的输入数据相同。如系统无故障，则两台计算机的数据处理结果同样相同。当2台计算机得出数据处理结果后，系统可实现对处理结果的自动化比较。如处理结果相同，则可随之给出命令，确保列车能够正常运行。如系统某一硬件存在故障时，两台计算机的处理结果往往会存在一定的差异。系统比较器通过对处理结果的比较，可立即发现异常，随之切断计算机的处理过程，锁住控制命令，同时，切断电流，实现预警，使维修人员能够及时发现故障，并将其解决，以提高城市轨道交通运行的安全性。龙源期刊网上述冗余技术中，2台计算机必须相对独立，需能够采用相同的方法，分别对所收集到的数据进行处理。计算机处理后所形成的数据，可经电路发送至比较器中，以供比较器比较。计算机处理数据前，通常会产生相应监视脉冲，判断比较器是否存在故障。如2台计算机的监视脉冲一致，则表明比较器无故障。反之，如比较器未给出无故障回执，则表明比较器存在故障，计算机随之停止运行，切断电源，实现预警，以提醒维修人员对故障给予维修。总结发现，该冗余技术的特点主要体现在以下方面：（1）对计算机性能的要求较高：通过对冗余技术应用流程的观察可以发现，切断电路、实现预警等功能的实现，均需在计算机本身无故障的基础上实现。如计算机存在故障，则全部的容错流程均无法实现。（2）2台计算机必须相互独立，以达到硬件冗余的目的。（3）硬件冗余技术的应用，对成本的要求低，具有较高的价格优势，值得应用。3.1.2“三取二”冗余技术的应用“三取二”技术要求通过三机平行的途径，实现对城市轨道交通信号系统的控制，提高系统运行的安全性。与“二取二”技术不同的是，“三取二”技术对计算机数量的需求较高，应将3台计算机应用到系统的容错控制中，设置6台比较器，分别实现对3台计算机计算数据的比较。通过对3台计算机数据的两两比较，判断系统是否存在故障。当3台计算机全部正常工作、信号系统无故障时，6台比较器比较所得的结果相互一致。当计算机存在故障时，6台比较器中，某一台或某几台的输入信号会随之发生变化。出现信号异常的比较器，电路会随之被切断。但信号无异常的比较器，电路仍正常连接，比较器仍可继续运行。此时，“三取二”将过渡为“二取二”，计算机及信号系统仍处于被控制的状态下，系统运行的安全性，仍可得到保证。3.2软件冗余技术的应用假设城市轨道交通信号系统每一软件，分别包括输入电路2个，为A与B。可以软件冗余技术为基础，设计2个输出电路，即输出电路A与输出电路B。4个电路，均需与计算机程序相连接。计算机程序包括A与B共2个。系统运行过程中，监视器可经计算机程序，实现对输入电路A、输入电路B、输出电路A与输出电路B的控制。通过对程序运行参数的对比，判断该软件是否存在故障。如输入电路A与B，以及输出电路A与B的运行参数一致，则表明系统无故障。反之，则表明系统已处于异常运行状态。此时，比较器电路的输出可显示为零。城市轨道交通信号系统中，联锁逻辑以“故障-安全”为主要运行准则。根据该准则，当比较器带路输出为零时，控制电力随之被切断，系统的运行同样被切断。需注意的是，软件冗余技术中，存储器及CPU等硬件均处于共用的状态。一旦硬件出现故障，很容易对软件的运行参数造成影响。因此，确保2套程序相互独立较为关键。3.3URBALIS系统应用方案设计龙源期刊网系统为例，根据“故障-安全”的原则，对冗余技术的应用效果进行了仿真分析。3.3.1冗余技术的设计方法URBALIS系统的冗余技术，应包括硬件冗余技术与软件冗余技术两种。其中硬件冗余，需以设备冗余为主。软件冗余，则需以通信冗余为主。两项冗余技术的设计方法如下：（1）设备冗余设计：URBALIS系统中，子系统的冗余方式（下转第页）（上接第页）为热备冗余。ZC、LC采用“三取二”技术设计。在原有的ZC与LC设备的基础上，重复设计3台控制器，由6台控制器，作为冗余设备，对系统各硬件的运行情况加以控制。CC为URBALIS系统的重要组成设备，为车载控制器。功能在于对行车的过程进行实时控制。CC一般安装于列车的首尾两部分，系统较为完整。可采用“二乘二取二冗余”的方式，对CC设备的冗余设备加以设计。ATS的功能在于确保热备冗余设备出现故障时，替代该设备，继续完成其所承担的工作。LATS服务器的功能，在于实现对设备的集中化控制。（2）通信冗余设计：URBALIS系统的通信冗余原理，以双重通信为主。要求在复制通信系统各子系统的基础上，使各系统的信息可同时输出。根据子系统类型的不同，信息的传输路径同样不同。核心SDH网络，具有支持双重信息传输的功能。可将其应用到通信冗余设计中，确保两类信息，可经同一网络传输。URBALIS系统中，网络介入设备，由光交换机构成。光网络交换机与SDH节点相连接，可将所收集的信号，分别传输至网络A与网络B中。核心SDH网络，由SDH节点以及光纤等部分构成。光纤与环路相连接。当城市轨道交通信号系统出现故障时，光纤可有效实现对有可能发生物理损坏的设备的保护。考虑到光纤的故障，会对通信系统的安全性造成影响。考虑对光纤进行冗余设计。当光纤发生故障时，环路可在50ms内完成自动配置，以确保通信能够正常实现。3.3.2应用效果评价通过计算的方式，对冗余技术的应用效果进行了观察。得到结果如下：假设硬件冗余中，2台计算机均出现故障的几率为W。则2次危险之间间隔的时间t=MTBF2/（2W）=MTBF2×103/22。可见，个别故障的发生，不会引起过大的风险。假设软件冗余中，2套软件程序出现故障的几率为10-3。则2次危险之间间隔的时间t=MTBF×103（MTBF代表计算机平均故障间隔时间）。可见，二次电路无法以完全独立的状态存在，故障隐患仍存在。但与传统的城市轨道交通信号系统相比，发生故障的几率仍较低，应用价值较高。结论：综上，通过对城市轨道交通信号系统冗余技术的研究发现，现有技术的缺陷主要体现在故障率高、安全性差方面。交通领域可将以“二取二”及“三取二”技术为代表的硬件冗余技术，及龙源期刊网相应的软件冗余技术应用到系统的设计过程中，对故障率较高的硬件及软件进行重复设计，以使系统运行的稳定性及安全性得以提升，使乘客的安全得到保证。参考文献：[1]郭志军.关于进一步提高城市轨道交通信号系统电源设备可靠性的探讨[J].通讯世界，2017，（17）：259-261.[2]牛英明，曹红升，岳磊.城市轨道交通信号系统全生命周期维护管理技术支持系统功能需求研究[J].城市轨道交通，2015，（04）：52-62.[3]肖宝弟.城市轨道交通信号系统自主化整体技术解决方案——MTC-I型基于通信的列车控制系统研发与应用[J].现代城市轨道交通，2014，（01）：11-17.[4]张伟，高凡.黑盒测试技术在城市轨道交通信号系统监理验收中的研究与应用[J].铁路计算机应用，2012，21（12）：56-59.