勞 洋

（西門子信號(hào)有限公司，西安 710016）

1 概述

中國(guó)的城市軌道交通系統(tǒng)在城市綠色環(huán)保的交通需求和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，近些年得到飛速的發(fā)展，由于技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)并產(chǎn)生了更加可靠和低維護(hù)的設(shè)計(jì)原理，使設(shè)備在使用的可靠性方面有了大幅度提高，同時(shí)也有效地降低了維護(hù)人員的數(shù)量和工作量。西門子信號(hào)TrainGuard MT系統(tǒng)在針對(duì)設(shè)備可靠性方面提供了一整套的設(shè)計(jì)方案，其中設(shè)備冗余即基于此方面考慮滿足了穩(wěn)定和低維護(hù)的要求。

目前，在中國(guó)國(guó)內(nèi)采用此原理開通運(yùn)營(yíng)的項(xiàng)目有北京十號(hào)線（含奧運(yùn)支線）、廣州四號(hào)線、廣州五號(hào)線、廣佛城際地鐵、南京二號(hào)線、蘇州一號(hào)線和重慶一號(hào)線。

本文主要介紹西門子信號(hào)T rainGuard M T系統(tǒng)車載設(shè)備頭尾冗余原理。

2 頭尾冗余原理

西門子T ra in Gu a r d M T系統(tǒng)的車載控制單元（OBCU）在列車兩個(gè)車頭各有一整套獨(dú)立的設(shè)備，兩套設(shè)備之間由通信和數(shù)字信號(hào)連接。列車在正常運(yùn)行時(shí)，列車受到冗余環(huán)境中的前端駕駛室列車自動(dòng)駕駛（A TO）設(shè)備的控制和列車自動(dòng)防護(hù)（A TP）設(shè)備的監(jiān)督。后端的車載控制單元處于備用模式。在發(fā)生故障時(shí)，控制功能被切換到另一個(gè)（后端）車載控制單元，之前工作的（前端）車載控制單元進(jìn)入備用模式。

因此，兩端的車載控制單元接收來(lái)自兩個(gè)駕駛室的按鈕、開關(guān)和接點(diǎn)的所有輸入。如果A TP檢測(cè)到內(nèi)部故障，則會(huì)立即切斷其安全輸出。在切換到另一套車載控制單元后，列車將以同樣的運(yùn)行模式繼續(xù)運(yùn)行。為了提供一個(gè)熱備的A TP冗余模式，兩端A TP的輸出需要相互連接起來(lái)，圖1所示為頭尾冗余的車載信號(hào)系統(tǒng)配置。

這里假設(shè)列車控制器通過(guò)列車內(nèi)部總線給兩套車載控制單元提供所有的輸入，如“車門關(guān)閉表示”等。同樣，車輛控制器也接收所有車載控制單元給車輛接口的輸出。

3 車載系統(tǒng)冗余的設(shè)備

車載控制信號(hào)系統(tǒng)的冗余配置應(yīng)由兩套單一的車載控制單元組合而成。在基本列車配置中，車載控制單元應(yīng)被分別置于列車的兩端。

每套車載控制單元內(nèi)部和外部的配置需求如下。

1）每套車載控制單元應(yīng)具有自己的傳感器組（雷達(dá)和測(cè)速傳感器）。

2）每套車載控制單元都應(yīng)具有到列車控制的數(shù)據(jù)接口，車輛應(yīng)將這些輸出合理合并。后備的車載控制單元的輸出應(yīng)全部切斷。在冗余的情況下，應(yīng)使用后端的車載控制單元來(lái)監(jiān)督和控制列車。

3）應(yīng)將每個(gè)駕駛室的數(shù)字輸入和輸出（比如按鈕和燈）連接到每個(gè)車載控制單元。這意味著前方的駕駛室也要被連接到后面的車載控制單元。兩個(gè)車載控制單元的輸入和輸出不可相互干擾，以確保冗余的狀況下也能正常工作。

4）每個(gè)車載控制單元都應(yīng)具有與PIS/TMS和RCS的自身接口。

5）應(yīng)將每個(gè)車載控制單元連接到兩個(gè)HMI顯示屏。

在一個(gè)冗余車載控制單元配置中，兩個(gè)OBCU提供輸出信號(hào)到列車控制單元。這些信號(hào)應(yīng)按照邏輯“或”的方式連接。也就是說(shuō)，如果一個(gè)車載控制單元觸發(fā)緊急制動(dòng)，而另一個(gè)車載控制單元沒有觸發(fā)緊急制動(dòng)，結(jié)果應(yīng)該是觸發(fā)列車緊急制動(dòng)。

4 車載系統(tǒng)冗余的實(shí)現(xiàn)

正常運(yùn)行下，前端的OBCU通過(guò)ATO控制和A TP監(jiān)督列車運(yùn)行。后端的車載OBCU處于備用模式。通過(guò)駕駛室的轉(zhuǎn)換，后端的OBCU取得控制權(quán)，而前端OBCU將切換為備用模式。下面將以具體的數(shù)字信號(hào)為例,來(lái)介紹車載信號(hào)單元與車輛相關(guān)接口的邏輯連接方法，幫助讀者更深入了解設(shè)備冗余的實(shí)現(xiàn)方案。

4.1 來(lái)自駕駛室的數(shù)字輸入

數(shù)字輸入信號(hào)均在兩套車載控制單元中讀取。圖2所示如何連接來(lái)自另一個(gè)駕駛室開關(guān)的數(shù)字安全輸入信號(hào)。兩個(gè)車載控制單元都需要所有的信息。因此，必須知道司機(jī)在哪一個(gè)駕駛室。出于安全原因，只有司機(jī)所在的駕駛室才能設(shè)為主駕駛室。無(wú)司機(jī)駕駛室內(nèi)的任何操作都應(yīng)保持無(wú)效。因此，每個(gè)車載控制單元內(nèi)部均有一個(gè)選擇開關(guān)。該選擇開關(guān)可以通過(guò)司控器鑰匙開關(guān)的輸入進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的選擇。圖2中的數(shù)字安全輸入信號(hào)在OBCU機(jī)柜內(nèi)部將會(huì)合并。

由于電壓不同，來(lái)自駕駛室的安全信號(hào)輸入必須是獨(dú)立的，并避免受到其他電路的干擾。

圖3所示為非安全輸入信號(hào)的主要接線方案。兩套車載控制單元都讀入非安全輸入信號(hào)，另一端駕駛室的任何操作都應(yīng)保持無(wú)效。與數(shù)字安全輸入不同的地方是,數(shù)字非安全輸入每路信號(hào)只需要單觸點(diǎn)，而且數(shù)字非安全輸入信號(hào)的合并在OBCU機(jī)柜外部。

4.2 到駕駛室的數(shù)字輸出

兩套車載控制單元的數(shù)字輸出信號(hào)，如“A TO啟動(dòng)燈和自動(dòng)折返表示燈”等，都應(yīng)連接到駕駛室。每套車載控制單元都有兩路獨(dú)立的輸出。為了避免兩個(gè)不同信號(hào)源間的相互連接，OBCU_A TP會(huì)切斷處于非工作狀態(tài)車載控制單元的OBCU_ATO輸出信號(hào)。圖4所示為輸出信號(hào)的相互連接。

4.3 來(lái)自車輛控制器的數(shù)字輸入

來(lái)自車輛的OBCU數(shù)字輸入信號(hào)將會(huì)與A TP和A TO直接連接，這些信號(hào)的配線方式可使兩端的OBCU機(jī)柜都能讀入。同時(shí)車輛應(yīng)確保到達(dá)兩個(gè)車載控制單元上的信號(hào)相同。

4.4 到列車總線的數(shù)字輸出

數(shù)字輸出信號(hào)，如“開啟左側(cè)車門”等，應(yīng)被直接連接到列車控制器接口。車輛供應(yīng)商應(yīng)通過(guò)內(nèi)部的列車控制器將輸出信號(hào)連接到兩端的駕駛室并應(yīng)確保信號(hào)之間不會(huì)相互影響。

兩個(gè)OBCU_ATP的安全性輸出應(yīng)按照保證每個(gè)OBCU_ATP隨時(shí)可以影響安全環(huán)路的方式連接，信號(hào)的安全特性必須予以考慮。

4.5 OBCU機(jī)柜內(nèi)部冗余狀態(tài)連接

在OBCU機(jī)柜內(nèi)，車載信號(hào)系統(tǒng)提供了一個(gè)冗余狀態(tài)讀取信號(hào)，每個(gè)OBCU機(jī)柜內(nèi)部提供一個(gè)觸點(diǎn)給另一側(cè)機(jī)柜。如果發(fā)現(xiàn)本端觸點(diǎn)斷開，則表示本端機(jī)柜發(fā)生故障，OBCU則進(jìn)行冗余自動(dòng)切換。圖5所示為兩個(gè)車載控制單元冗余狀態(tài)連接原理圖。

*冗余狀態(tài)“入”

該信號(hào)是來(lái)自另一個(gè)OBCU的信號(hào)，它表示另一個(gè)OBCU的冗余狀態(tài)（或是否開啟）。當(dāng)另一個(gè)ATP設(shè)備控制列車時(shí)，該信號(hào)會(huì)啟用，表明本端機(jī)柜處于熱備狀態(tài)。

*冗余狀態(tài)“出”

該非安全輸出觸點(diǎn)連接到另一個(gè)OBCU，當(dāng)本端OBCU_ATP監(jiān)督列車時(shí)，該觸點(diǎn)被吸和，表明本端機(jī)柜處于工作狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的電路分析可以看到，車載信號(hào)系統(tǒng)在應(yīng)用了頭尾冗余功能后，兩端的OBCU都得到來(lái)自兩個(gè)駕駛室的按鈕、開關(guān)和接點(diǎn)的輸入。無(wú)故障的情況下，后端A TP跟隨前端ATP的輸出。每個(gè)“二取二”的車載A TP通過(guò)安全的方式進(jìn)行單獨(dú)的輸出。如果A TP檢測(cè)到一個(gè)內(nèi)部故障，就會(huì)切斷它的安全輸出，而其他的A TP仍維持在一個(gè)安全的狀態(tài)。為了提供一個(gè)冗余的A TP功能，兩路ATP的輸出必須連接在一起。

如上所述，A TP車載計(jì)算機(jī)單元是備用冗余的，這種結(jié)構(gòu)提供下列方式的冗余。

1）在前端車載計(jì)算機(jī)單元故障的情況下，后端的車載計(jì)算機(jī)單元自動(dòng)取得控制權(quán)。司機(jī)的HM I、與前端駕駛室的ATO和ATP相關(guān)的信息保持不變（如按鈕和開關(guān)），將會(huì)和以前一樣的方式使用。在這種情況下，所有的信息鏈接到后端的車載計(jì)算機(jī)。

2）在前端測(cè)速電機(jī)、測(cè)速雷達(dá)、通信系統(tǒng)故障情況下，ATP自動(dòng)切換至后端車載計(jì)算機(jī)。在這種情況下，后端的車載計(jì)算機(jī)取得控制權(quán)，并使用鏈接到后端車載計(jì)算機(jī)單元的來(lái)自系統(tǒng)的信息。司機(jī)的HM I、與前端駕駛室的按鈕和開關(guān)的操作將保持不變。在這種情況下，所有的信息鏈接到后端的車載計(jì)算機(jī)。

[1] 林瑜筠．城市軌道交通信號(hào)[M]．北京:中國(guó)鐵道出版社．2008．

[2] 西門子信號(hào)有限公司．西門子地鐵信號(hào)和車輛接口描述．2008．