地鐵車輛LCU冗余技術(shù)探討

魏調(diào)忠

（佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

廣佛線是城際間的地鐵線路，橫跨廣州、佛山兩市五區(qū)，自2010年投入運(yùn)營以來成為了廣佛兩市間的交通大動(dòng)脈，為廣佛同城發(fā)揮了重要的作用。隨著2018年底全線的貫通運(yùn)營，客流量也急劇攀升，也給廣佛線的運(yùn)營提出了更高的要求。

廣佛線目前配屬列車共計(jì)有51列，其中一期27列、二期6列，均采用2動(dòng)2拖編組。廣佛線既有列車低壓控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)繼電器控制的方式，根據(jù)功能和應(yīng)用場景，裝有5個(gè)廠家共計(jì)16種類型的繼電器，每列車的繼電器數(shù)量超過200個(gè)，其中有超過600個(gè)觸點(diǎn)被使用。

繼電器是列車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，其動(dòng)作頻繁并缺乏冗余功能，并且長期在高溫、潮濕、振動(dòng)等環(huán)境中工作，故障率高且影響大。廣佛一期列車運(yùn)營10年以來，平均每年繼電器故障約30起，占列車正線故障的60%，嚴(yán)重影響了線路的運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。由于繼電器屬于被動(dòng)元件，其不具備故障自檢功能，地鐵運(yùn)營單位難以有效地對(duì)繼電器狀態(tài)進(jìn)行檢測。目前，僅能通過采取每年定期排查，通過按繼電器的重要程度進(jìn)行分級(jí)，采取三年、五年等周期進(jìn)行定期更換等手段進(jìn)行計(jì)劃性維修，不僅維護(hù)工作量大，而且維護(hù)成本過高。

為解決廣佛線既有列車?yán)^電器故障高的難點(diǎn)，廣佛地鐵公司在新增購的18列車中采用LCU技術(shù)，并充分提升LCU的冗余性能，保障列車低壓控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1 LCU冗余技術(shù)

隨著LCU技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的冗余性能也呈現(xiàn)多樣化。目前，先進(jìn)的冗余架構(gòu)主要分為“雙機(jī)熱備”、“三取二”和“二乘二取二”等3種方式。

1.1 “雙機(jī)熱備”架構(gòu)

“雙機(jī)熱備”系統(tǒng)由2組功能完全相同且可互換的子系統(tǒng)組成，采用同時(shí)上電熱備的方式，每個(gè)子系統(tǒng)都具有故障檢測和診斷功能，其安全性能等級(jí)為SIL2［1］。在運(yùn)行過程中，2個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果不進(jìn)行比較，當(dāng)其中一組出現(xiàn)故障將無縫切換到另一組進(jìn)行正常工作，降低LCU故障對(duì)列車的運(yùn)行影響，其主要控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “雙機(jī)熱備”冗余的控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 “三取二”架構(gòu)

“三取二”冗余架構(gòu)是一種三通道系統(tǒng)，主要由功能完全獨(dú)立的3組子系統(tǒng)組成，并在輸出部分加入表決電路，各系統(tǒng)經(jīng)過邏輯判斷后輸出結(jié)果由表決器進(jìn)行判斷，只要3個(gè)子系統(tǒng)中的任何2個(gè)的輸出一致，則對(duì)外輸出或傳輸運(yùn)算結(jié)果，其安全性能等級(jí)為SIL2［2］。

相比“雙機(jī)熱備”，“三取二”冗余架構(gòu)在增設(shè)一組控制單元的基礎(chǔ)上增加了運(yùn)算結(jié)果的表決環(huán)節(jié)，提升了邏輯運(yùn)算結(jié)果的可靠性，其主要控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 “三取二”冗余的控制結(jié)構(gòu)圖

1.3 “二乘二取二”架構(gòu)

“二乘二取二”冗余框架是在“雙機(jī)熱備”冗余系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)診斷單元形成“二取二”系統(tǒng)，并由兩個(gè)“二取二”子系統(tǒng)組成“二乘二取二”冗余框架［3］。

“二取二”子系統(tǒng)是指在一套系統(tǒng)上集成2個(gè)處理器單元，嚴(yán)格同步，實(shí)時(shí)比較，只有當(dāng)2個(gè)單元運(yùn)行一致時(shí)，才對(duì)外輸出或傳輸運(yùn)算結(jié)果。兩個(gè)“二取二”子系統(tǒng)間互為熱備冗余，構(gòu)成具有更高冗余性能的特殊雙機(jī)熱備冗余系統(tǒng)，其安全性能等級(jí)最高可達(dá)SIL4［4］。其主要控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “二乘二取二”冗余的控制結(jié)構(gòu)圖

1.4 三種冗余架構(gòu)對(duì)比分析

從結(jié)構(gòu)原理、故障降級(jí)、安全等級(jí)和成本等方面看，“雙機(jī)熱備”冗余框架能在滿足功能需求的前提下提供了基礎(chǔ)的冗余功能，成本相對(duì)較低；“三取二”冗余框架的安全性相對(duì)較高，但“三取二”和“雙機(jī)熱備”冗余系統(tǒng)由于背板不一致，無法兼容；“二乘二取二”冗余框架同時(shí)兼顧了系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)可與“雙機(jī)熱備”相兼容，但在3個(gè)冗余框架中成本最高。

各冗余框架的主要對(duì)比如表1所示。

表1 3種冗余架構(gòu)的對(duì)比

2 廣佛線增購列車LCU冗余技術(shù)與應(yīng)用

2.1 廣佛線增購列車LCU方案

目前，國內(nèi)地鐵列車中應(yīng)用的LCU一般采用“雙機(jī)熱備”冗余設(shè)計(jì)，具備A、B兩組軟硬件完全一致的子系統(tǒng)［5］。在雙冗余系統(tǒng)中，如果發(fā)生邏輯應(yīng)用功能異常、軟件bug及板卡硬件等偶發(fā)故障后，有可能會(huì)導(dǎo)致LCU對(duì)外的業(yè)務(wù)功能錯(cuò)誤，從而影響列車正常運(yùn)行，迫使列車退出服務(wù)［6］。

為降低“雙機(jī)熱備”冗余框架失效對(duì)列車關(guān)鍵控制回路的影響，同時(shí)兼顧LCU的可用性和成本，廣佛線增購列車采用“雙機(jī)熱備”與“二乘二取二”組合的LCU技術(shù)，通過在普通非關(guān)鍵的控制邏輯中采用“雙機(jī)熱備”的冗余框架，在牽引、制動(dòng)等關(guān)鍵控制邏輯中采用“二乘二取二”的冗余框架，有效地兼顧了系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。如圖4所示。

圖4 廣佛增購列車LCU安裝及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 兼容“雙機(jī)熱備”與“二乘二取二”冗余的數(shù)字輸入輸出模塊冗余

廣佛線增購列車的LCU采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上采用3U機(jī)箱，如圖5所示。每個(gè)LCU機(jī)柜設(shè)置IO通道120個(gè)（輸入68個(gè)，輸出52個(gè)），其中“二乘二取二”輸入12路，“雙機(jī)熱備”輸入56路；“二乘二取二”輸出12路，“雙機(jī)熱備”輸出40路。相鄰的兩塊IO板互為冗余，相同類型的IO板卡間有可互換性。

圖5 廣佛增購列車LCU機(jī)箱結(jié)構(gòu)

廣佛線增購列車采用“二乘二取二”冗余框架的關(guān)鍵控制邏輯，包含牽引制動(dòng)指令、牽引安全、緊急制動(dòng)等9個(gè)方面，主要控制回路如表2所示。

表2 廣佛線增購列車“二乘二取二”的應(yīng)用范圍

“二乘二取二”冗余框架設(shè)計(jì)由4個(gè)相互獨(dú)立的CPU、輸入輸出模塊等組成控制單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算，每2個(gè)控制單元為一系，每個(gè)CPU的運(yùn)算結(jié)果采用二取二的表決方式進(jìn)行輸出處理，當(dāng)表決一致時(shí)為有效，當(dāng)表決并不一致時(shí)將觸發(fā)故障自檢，如表3所示，同時(shí)兩個(gè)系之間互為雙機(jī)熱備冗余［7］。

表3 “二乘二取二”運(yùn)算真值表

2.3 電源冗余

如圖6所示，每個(gè)LCU機(jī)箱內(nèi)配置有兩個(gè)冗余電源板，分別給機(jī)箱內(nèi)A／B兩組板卡供電，并共同為所有通信板卡（包含MVB板、ETH板）供電，避免單個(gè)電源板卡故障對(duì)整個(gè)LCU通信系統(tǒng)的影響［8］。兩組電源之間相互獨(dú)立，采取獨(dú)立的母線供電并設(shè)置獨(dú)立的空氣開關(guān)控制。同時(shí)，電源板具有輸出過／欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)、輸出過載保護(hù)、短路保護(hù)及故障自恢復(fù)等功能。

圖6 廣佛增購列車LCU電源冗余結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 主控板冗余

每個(gè)LCU機(jī)箱均設(shè)計(jì)有2組主控板，分別負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)組內(nèi)各板卡狀態(tài)的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)邏輯的實(shí)時(shí)計(jì)算、故障保護(hù)、通信調(diào)度、日志記錄以及維護(hù)等功能。如果兩個(gè)主控板邏輯運(yùn)算結(jié)果不一致或某個(gè)主控板發(fā)生故障時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)的故障檢測情況實(shí)時(shí)完成A、B組主控板的主從切換，確保LCU運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.5 通信冗余

圖7 廣佛增購列車LCU通信冗余結(jié)構(gòu)示意圖

如圖7所示，LCU機(jī)箱內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線冗余設(shè)計(jì)，所有的功能板件均帶有兩個(gè)獨(dú)立的CAN通信模塊，通過背板總線分別連接至兩條相互獨(dú)立的CAN總線上。正常工作狀態(tài)下，兩路CAN總線同時(shí)參與通信。當(dāng)其中任意一個(gè)CAN異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)維持另一路CAN總線運(yùn)行，確保數(shù)據(jù)的正確傳遞。

3 結(jié)束語

廣佛線增購列車通過采用LCU替代繼電器進(jìn)行低壓回路的控制，從根本上杜絕了因繼電器卡滯、接觸不良等異常導(dǎo)致列車控制失效的情況，提升了列車控制電路的可靠性，并很大程度上降低了列車控制回路中全壽命周期的運(yùn)維成本。

廣佛線增購列車的LCU系統(tǒng)在“雙機(jī)熱備”冗余的基礎(chǔ)上，在關(guān)鍵邏輯控制中采用更安全的“二乘二取二”冗余框架，避免了溫度異常、電源波動(dòng)等共因失效導(dǎo)致的系統(tǒng)異常，進(jìn)一步提升了LCU的安全性和可靠性。此外，廣佛線增購列車的LCU在設(shè)計(jì)上采用雙電源冗余供電、CAN總線冗余通信等方式，減少了單點(diǎn)故障對(duì)系統(tǒng)功能的影響，提升了地鐵列車控制電路的整體可靠性，對(duì)提升廣佛線的運(yùn)營安全和服務(wù)質(zhì)量，以及提升乘客的乘車體驗(yàn)發(fā)揮著重要的作用。