京廣高速鐵路CAN通信冗余問題分析

摘要：京廣高速鐵路軌道電路接收器通過CAND、CANE向軌道電路通信盤傳輸“狀態(tài)數(shù)據(jù)幀”，再經(jīng)過CANA、CANB傳輸給列控中心，列控中心以此為依據(jù)判斷軌道電路“占用”和“空閑”。在京廣高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間發(fā)現(xiàn)，若通信盤A與軌道移頻柜通道中斷，列控顯示該移頻柜軌道電路全部“紅光帶”。文章對該現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的對策。

關(guān)鍵詞：CAN通信冗余；狀態(tài)數(shù)據(jù)幀；列控中心；軌道電路通信盤；紅光帶；京廣高速鐵路 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP336 文章編號：1009-2374（2015）14-0121-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.060

1 京廣高鐵ZPW2000軌道電路CAN通信原理

1.1 京廣高鐵ZPW2000軌道電路特點(diǎn)

客運(yùn)專線采用的是CTCS-3級列車控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)時(shí)速在300～350km/h，軌道電路仍然承擔(dān)著列車占用檢查和后備系統(tǒng)行車許可的重要作用。由于在既有鐵路上ZPW-2000軌道電路運(yùn)用的很成熟，其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境也十分符合中國國情。因此，在既有ZPW-2000軌道電路的基礎(chǔ)上，針對客運(yùn)專線列車運(yùn)行速度快、列車制動距離長、列車追蹤時(shí)間短的特點(diǎn)，研制出了客專ZPW-2000軌道電路，它保留了既有ZPW-2000軌道電路的優(yōu)點(diǎn)，并針對客運(yùn)專線的應(yīng)用進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。

在技術(shù)層面上，列控系統(tǒng)通過采集管轄所有閉塞分區(qū)軌道繼電器狀態(tài)和相鄰列控系統(tǒng)傳送的信息集中進(jìn)行編碼，再通過CAN總線將編碼信息傳送給發(fā)送器，同時(shí)采集接收器狀態(tài)與軌道繼電器狀態(tài)進(jìn)行一致性比對校驗(yàn)，因此客專ZPW-2000軌道電路對發(fā)送器、接收器增加了CAN通信功能，這也是其最具特色的設(shè)計(jì)。除此之外，客專ZPW-2000軌道電路優(yōu)化了補(bǔ)償電容配置，增加了監(jiān)測和自診斷功能，加大了空心線圈的導(dǎo)線線徑，確保系統(tǒng)更適應(yīng)客專需求、更便于電務(wù)人員維護(hù)和操作。

1.2 CAN通信原理及邏輯關(guān)系

CAN通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無接點(diǎn)低頻編碼和載頻集中控制，這是客專ZPW-2000軌道電路的技術(shù)革新。其中通信接口板用來實(shí)現(xiàn)列控中心與軌道電路CAN總線通信協(xié)議間的互換。如圖1所示，CANA、CANB用于和列控中心主機(jī)的數(shù)據(jù)交換，CANC將發(fā)送器、接收器的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)（功出電壓、功出電流、接收入口主軌道電壓、接收入口小軌道電壓等）發(fā)送給微機(jī)監(jiān)測主機(jī)，CAND、CANE用于和移頻軌道電路的主備發(fā)送器、接收器交換

數(shù)據(jù)。

圖1 CAN通信原理圖

CAN總線通信采用分時(shí)間片，主從式同步傳送方式，即只允許列控中心主機(jī)向列控中心主機(jī)或向軌道電路通信盤發(fā)送數(shù)據(jù)，或由軌道電路通信盤向列控中心主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，不允許軌道電路通信盤之間傳輸信息。列控中心主機(jī)生成“編碼數(shù)據(jù)幀”和同步幀，編碼數(shù)據(jù)幀是指控制發(fā)送器輸出信號的載頻編碼數(shù)據(jù)和低頻編碼數(shù)據(jù)，同步幀沒有數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)同步，二者都是經(jīng)由軌道電路通信盤轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)送器。接收器生成“狀態(tài)數(shù)據(jù)幀”，即軌道區(qū)段當(dāng)前的占用或空閑信息，通過軌道電路通信盤轉(zhuǎn)發(fā)給列控中心，列控中心通過CANA、CANB與軌道電路通信盤接口，每個(gè)軌道電路移頻柜使用一對軌道電路通信盤，軌道電路通信盤通過CAND、CANE與軌道電路移頻柜通信。列控中心A、B系冗余配置，軌道電路通信盤成對冗余配置，CANA與CANB互為冗余，CAND與CANE互為冗余。同時(shí)，列控中心A系和B系、成對配置的通信盤、接收器均為雙CPU校驗(yàn)。例如，發(fā)送器狀態(tài)數(shù)據(jù)幀的輸出根據(jù)故障-安全原則，接收器故障時(shí)按“占用”狀態(tài)輸出，且只有CPU1、CPU2同時(shí)輸出“空閑”狀態(tài)，系統(tǒng)才輸出“空閑”狀態(tài)，但是為保證系統(tǒng)的可靠性，主并機(jī)只要有一個(gè)輸出空閑，結(jié)果就輸出空閑狀態(tài)。狀態(tài)數(shù)據(jù)幀結(jié)果=（CPU1主∩CPU2主）∪（CPU1并∩CPU2并）。

2 京廣高鐵CAN通信“假冗余”問題分析

2.1 CAN通信冗余設(shè)計(jì)原理

根據(jù)CAN通信的連接方式，通信盤A和通信盤B均應(yīng)向CANA、CANB發(fā)送數(shù)據(jù)，CANA或CANB僅一路通信中斷不影響系統(tǒng)的正常使用。而且，根據(jù)《客專列控中心與軌道電路接口規(guī)范（報(bào)批稿）》4.6.1中規(guī)定“若不能從某一通道接收到有效數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)自動采用冗余通道接收的數(shù)據(jù)”。

通信板A的CAND和通信板B的CANE連接主發(fā)送器和單數(shù)接收器，且兩路CAN通道互為備用；通信板A的CANE和通信板B的CAND連接備發(fā)送器和雙數(shù)接收器，且兩路CAN通道互為備用。通信接口板與移頻接口柜的通信連接情況，由于發(fā)送器“1+1”備用，接收器互為并機(jī)，因此兩路CAND和兩路CANE有一路可用即可正常CAN通信。

綜上所述，列控中心與軌道接口盤主用CANA通道，若CANA通信故障，則可通過CANB發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。同時(shí)，軌道接口盤與軌道電路移頻柜間四條CAN通道（兩條CAND，兩條CANE），只要有一條通道通信正常，則數(shù)據(jù)可正常傳輸，不會導(dǎo)致軌道紅光帶。

2.2 CAN通信“假冗余”問題分析

京廣高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，通過列控功能試驗(yàn)和聯(lián)鎖試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通信盤A與軌道移頻柜通道中斷，即主通道中斷時(shí)，列控顯示該移頻柜軌道電路全部“紅光帶”。但是，若通信盤B與軌道移頻柜通道中斷，則設(shè)備通信正常不會發(fā)生軌道電路“紅光帶”的故障。于是，立即組織對現(xiàn)場CAN通信連接方式及相關(guān)配線、板卡進(jìn)行檢查和分析，發(fā)現(xiàn)CAN通信連接方式正確，檢查各部板卡也未發(fā)現(xiàn)問題。由此得出結(jié)論，京廣高鐵CAN通信系統(tǒng)硬件配置及連接方式符合可靠性設(shè)計(jì)要求，但是其內(nèi)部軟件的邏輯處理方式卻未考慮冗余設(shè)置，導(dǎo)致主通道中斷就會發(fā)生軌道區(qū)段“紅光帶”故障。換而言之，即CAN通信冗余設(shè)置“表里不一”，可稱之為“假冗余”。

通過軟件邏輯分析，當(dāng)軌道電路通信盤與移頻柜主通道中斷時(shí)，即軌道電路通信盤A與軌道電路移頻柜通信故障，按照目前軌道電路的處理方式，通信盤通過CANA、CANB發(fā)送至列控中心的信息包仍都為有效信息包，只是CANA中區(qū)段狀態(tài)為通信故障。根據(jù)《客運(yùn)專線列控中心列控與軌道電路接口規(guī)范（報(bào)批稿）》第4.5.2節(jié)，列控中心需將區(qū)段故障處理成占用狀態(tài)。但該接口規(guī)范中并未規(guī)定在軌道電路上傳的CANA、CANB數(shù)據(jù)不一致的情況下，列控中心該如何處理。

京廣高鐵列控中心與通信盤A、B均為通信正常且數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確的情況下，列控中心使用CANA數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，在綜合GJ狀態(tài)后，判斷區(qū)段是“空閑”還是“占用”狀態(tài)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)目前的通信盤配置為“通信盤A僅向CANA發(fā)送數(shù)據(jù)，通信盤B僅向CANB發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)斷開通信盤A盤與移頻柜的連接時(shí)，由于通信盤A收不到軌道電路狀態(tài)數(shù)據(jù)，會向CANA發(fā)送軌道電路通信故障狀態(tài)。列控中心收到CANA中的通信故障數(shù)據(jù)后處理為“占用”狀態(tài)，確認(rèn)為有效數(shù)據(jù)，并不使用CANB的正常數(shù)據(jù)，且此時(shí)采集GJ狀態(tài)為“空閑”狀態(tài)，則造成列控中心認(rèn)為“驅(qū)動采集不一致”故障，導(dǎo)致軌道“紅光帶”發(fā)生。

3 改造方案及建議

解決京廣高鐵“假冗余”問題，僅需要修改“狀態(tài)數(shù)據(jù)幀輸出邏輯關(guān)系”即可，而不用修改任何硬件配置，即正常情況下CANA為主用通道，列控中心以CANA通信數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，當(dāng)CANA通信故障時(shí)，則以CANB通信數(shù)據(jù)

為準(zhǔn)。

由于《客運(yùn)專線列控中心列控與軌道電路接口規(guī)范》中沒有明確：“軌道電路上傳的CANA、CANB數(shù)據(jù)不一致的情況下，列控中心該如何處理?！痹斐闪锌刂行纳a(chǎn)廠家處理方式不一，從而片面的提高其系統(tǒng)的安全性，只要主通道故障就判斷為系統(tǒng)故障，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，為了杜絕類似問題重復(fù)發(fā)生，建議明確CANA/B總線冗余處理邏輯，修訂《客運(yùn)專線列控中心列控與軌道電路接口規(guī)范》，修改列控中心通信數(shù)據(jù)處理方式，并增加關(guān)于對CANA、B數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余處理的原則說明。

4 結(jié)語

京廣高鐵CAN通信“假冗余”問題，違背了區(qū)間軌道電路的冗余設(shè)置原則，大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，一旦發(fā)生故障造成大范圍軌道紅光帶故障，而且查找較為困難。因此，必須明確CANB通道為主用通道CANA的冗余通道，確保系統(tǒng)的通道冗余特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐵道部.客運(yùn)專線列控中心列控與軌道電路接口規(guī)范[S].2009.

[2] 王瑞.CAN總線在列控地面系統(tǒng)中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2008，（6）.

作者簡介：徐寧（1983-），男，河北石家莊人，供職于北京鐵路局石家莊電務(wù)段，研究方向：高速鐵路自動化技術(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）