鐵路信號(hào)設(shè)備中冗余技術(shù)的應(yīng)用

王向前

（北京鐵路局北京電務(wù)段，中國(guó) 北京100010）

隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，雙機(jī)熱備機(jī)構(gòu)的信號(hào)設(shè)備在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并以其較高的安全性以及智能性對(duì)每個(gè)單機(jī)進(jìn)行主動(dòng)的故障診斷，有效提高了鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性；因此，為保障我國(guó)鐵路高速運(yùn)行的安全性，必須加強(qiáng)對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)新科技的研究和開發(fā)，重視冗余技術(shù)在其中的運(yùn)行，以便于全面提高鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)裝備水平。

1 基于冗余技術(shù)的鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)概述

1．1 鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)的主要構(gòu)成

基于冗余技術(shù)的鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)主要可以分為四個(gè)構(gòu)成部分，具體表現(xiàn)如下：

（1）用戶層設(shè)備

用戶層設(shè)備主要設(shè)置在調(diào)度所，而其中的用戶主要是指工作于調(diào)度所的相關(guān)調(diào)度人員，主要設(shè)備主要包括鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)服務(wù)器以及相關(guān)的用戶終端設(shè)備。 為確保鐵路運(yùn)行調(diào)度的準(zhǔn)確性和可靠性，鐵路調(diào)度所的每個(gè)調(diào)度臺(tái)都會(huì)設(shè)置獨(dú)立的終端設(shè)備，以便于全面掌握本調(diào)度臺(tái)以及相鄰調(diào)度臺(tái)的行車信息，一旦列車在運(yùn)行期間發(fā)生任何異常情況，都可通過視頻報(bào)警等方式及時(shí)顯現(xiàn)在調(diào)度臺(tái)的終端設(shè)備上。

（2）區(qū)域處理層

該系統(tǒng)層主要設(shè)置在維修段，主要作用是接收由特定管轄區(qū)域監(jiān)控處理層發(fā)送過來(lái)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等相關(guān)技術(shù)對(duì)所接收的信息進(jìn)行整理、分析等相關(guān)的處理工作，之后在信息數(shù)據(jù)處理結(jié)果的基礎(chǔ)上得到相應(yīng)的預(yù)警或者是報(bào)警信息，及時(shí)上傳至用戶層，以便于相關(guān)調(diào)動(dòng)人員都及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理列車運(yùn)行過程中存在的異常情況，保障列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

（3）監(jiān)控處理層

該系統(tǒng)層的主要作用利用相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)所處轄區(qū)內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全過程、全方位的監(jiān)測(cè)，并采集相關(guān)的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步的處理和保存，之后在通過通信網(wǎng)絡(luò)向所在轄區(qū)內(nèi)的處理層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為其提供用于整理、分析的樣本數(shù)據(jù)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)采集層

該系統(tǒng)層是鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)的基層，其主要作用是對(duì)鐵路運(yùn)行軌旁的相關(guān)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如對(duì)列車運(yùn)行兩側(cè)的風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)墜落物等，所涉及到的采集內(nèi)容具有多樣性以及分散性兩方面的特點(diǎn)。

1．2 鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)相關(guān)要求

鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)是高速類車實(shí)現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵性技術(shù)。因此，在鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下三方面的要求：一是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高可靠性，以便于在確保列車順利運(yùn)行的同時(shí)，保障列車運(yùn)行的高效率性和安全性；二是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊化和集成化，以便于將鐵路系統(tǒng)眾多的子系統(tǒng)以及設(shè)備分布有效集合在一起；三是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人機(jī)界面的簡(jiǎn)潔化，以便于調(diào)度員操作，在最短時(shí)間內(nèi)獲取最全面、最精確的列車運(yùn)行信息。

1．3 基于冗余技術(shù)的鐵路信號(hào)雙機(jī)熱備系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路信號(hào)雙機(jī)熱備系統(tǒng)是在冗余技術(shù)及傳統(tǒng)鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的， 是對(duì)傳統(tǒng)鐵路信號(hào)設(shè)備的優(yōu)化和相關(guān)技術(shù)的革新，主要包含以下方面：一是，ARM 微處理器，其能實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路運(yùn)行數(shù)據(jù)信息采集的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性，以便于更好的通過GPRS 實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的遠(yuǎn)程通信控制，不僅具有低能耗的特點(diǎn)，亦具有較高的性能，能滿足現(xiàn)代高速列車運(yùn)行對(duì)安全性和穩(wěn)定性的較高要求；二是，現(xiàn)場(chǎng)總線，主要作用的是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器控制以及廠內(nèi)測(cè)量間數(shù)字通信的高性能化、高可靠性，并以簡(jiǎn)潔化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效提高了配線的利用率，對(duì)環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，并保障系統(tǒng)通信的全面數(shù)字化、智能化，有效提高了高速列車運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

2 冗余技術(shù)在鐵路信號(hào)設(shè)備中的具體應(yīng)用

冗余技術(shù)在鐵路信號(hào)設(shè)備中的具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在雙機(jī)熱備系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，具體表現(xiàn)如下：

2．1 冗余技術(shù)在鐵路信號(hào)雙機(jī)熱備系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（1）冗余技術(shù)在雙機(jī)熱備系統(tǒng)中以太網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

就目前我國(guó)鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成來(lái)講， 一般主要是通過RTL8019AS 網(wǎng)絡(luò)芯片對(duì)系統(tǒng)中的以太網(wǎng)進(jìn)行控制， 保障其各項(xiàng)作用的正常發(fā)揮， 具有較好的兼容性以及多種模式的自動(dòng)檢測(cè)功能，如PNP 模式的自動(dòng)檢測(cè)以及BNC 模式的自動(dòng)檢測(cè)等， 且具有即插即用的特點(diǎn)，較為方便，并支持外接閃爍儲(chǔ)存器的讀寫操作；此外，在利用冗余技術(shù)進(jìn)行以太網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，同樣也考慮到了保護(hù)網(wǎng)絡(luò)接口方面的問題，并通過添加網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的方式來(lái)進(jìn)一步提升冗余技術(shù)在以太網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性，有效保障了列車運(yùn)行的安全性。

（2）冗余技術(shù)在雙機(jī)熱備系統(tǒng)中CAN 總線硬件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

雙機(jī)熱備系統(tǒng)中CAN 總線硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)接口：一是，CAN 接線收發(fā)器，其主要功能是向CAN 總線提供差動(dòng)接收及發(fā)送能力；二是，CAN，總線控制器，其主要功能是實(shí)現(xiàn)總線和微處理器之間的通信。 就我國(guó)鐵路信號(hào)雙機(jī)熱備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀來(lái)看，其一般多選用MCP2510 作為CAN 總線的控制器，該類控制器以其較強(qiáng)的通用性和連接的方便性以及較好的信息管理及濾波作用在鐵路信號(hào)雙機(jī)熱備系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用， 其結(jié)構(gòu)主要由CAN 協(xié)議引擎、SPI 協(xié)議模塊以及SRAM 寄存器、控制邏輯幾部分構(gòu)成，主要工作流程如下：CAN 總線在正常工作過程中， 通過CAN 協(xié)議發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文，并通過SPI 接口操作實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器及緩沖器中的報(bào)文發(fā)送。 在此過程中，一般需要對(duì)CAN 總線中發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行全面的檢測(cè)校驗(yàn)，并與總線硬件構(gòu)成中的濾波器進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)，若成功匹配，則進(jìn)行下一步的報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送。 事實(shí)證明，將MCP250 和冗余技術(shù)應(yīng)用到鐵路信號(hào)設(shè)備中，有效提高了鐵路系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和靈活性。

2．2 冗余技術(shù)在鐵路信號(hào)雙機(jī)熱備系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

冗余技術(shù)在鐵路信號(hào)雙機(jī)熱備系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在CAN 總線驅(qū)動(dòng)程序的應(yīng)用上，主要功能是實(shí)現(xiàn)CAN 總線物理鏈路上報(bào)文的接收和發(fā)送。 在利用SPI 進(jìn)行信號(hào)通信的過程中，主要是通過SCK 引腳微處理器向總線中的控制器提供相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)， 并通過管理SCK 時(shí)鐘信號(hào)，用SO 和SI 來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)移。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述可知，基于冗余技術(shù)的鐵路信號(hào)雙機(jī)熱備系統(tǒng)對(duì)于提高鐵路運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性具有重要的作用。 因此，在鐵路信號(hào)設(shè)備研究和新技術(shù)的應(yīng)用過程中，要加強(qiáng)對(duì)冗余技術(shù)在鐵路信號(hào)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究，以便于在保障高速列車運(yùn)行高效性的同時(shí)，提高其運(yùn)行的可靠性，促進(jìn)我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)的現(xiàn)代化、智能化以及數(shù)字化的發(fā)展。

［1］周松邦.淺析冗余技術(shù)在鐵路信號(hào)設(shè)備中的運(yùn)用[J].技術(shù)與市場(chǎng),2013,（05）.

［2］班屹.冗余技術(shù)在鐵路信號(hào)防災(zāi)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].北京交通大學(xué)碩士研究論文,2011.

［3］馬連川.四模冗余結(jié)構(gòu)在鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,（03）.