《電子技術應用》
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華為ATCA平臺在列車運行控制系統的應用
摘要: ATCA架構已經廣泛、成熟應用于電信領域。ATCA架構中各模塊支持熱插拔,發生故障后備機可以熱替換主機工作,原主機降為備機。由于主、備兩系統的電源相互隔離,熱替換單板也不會使系統宕機。跟通用計算機相比,ATCA架構功耗低、組網簡單、冗余實現容易。此外,ATCA架構外部電源線、網線等很少,維護方便。
Abstract:
Key words :

    中國列車運行控制系統(CTCS)是在我國鐵路高速線路和客運專線上,保證列車行車安全,提高列車運行效率的重要技術裝備之一。C3列控系統基于GSM-R無線通信技術,兼容C2列控系統,符合C3級標準要求,滿足最高運營速度350km/h、列車正向運行追蹤時間間隔3分鐘的要求。

    C3列控系統包括車載設備和地面設備兩大部分。車載設備負責接收地面命令,生成速度模式曲線,監控列車運行,保證列車行車安全。地面設備主要根據聯鎖辦理的進路,給車載設備發出行車許可、緊急行車等命令。其中,車載安全計算機和RBC是C3列控系統的關鍵設備,負責處理大部分C3業務,二個硬件平臺的功能直接影響系統運行的性能。

    目前,國內廠商大都采取和國外廠商合作的方式共同開發C3列控系統,尤其是關鍵設備。與此同時,華為憑借多年的科研積累及成熟的軟硬件平臺,在深入理解ETCS及CTCS標準的基礎上,自主研發了包括安全計算機和RBC在內的C3列控系統。

地面核心設備:RBC

    RBC即無線閉塞中心,是高速鐵路列控系統的核心設備之一。RBC根據從聯鎖系統接收的信號授權及列車發送的位置報告,為其管轄范圍內的每輛列車生成運行授權,并發送給列車,以控制列車安全地運行。由于RBC同時管轄多輛列車,并且控制列車運行,因此對設備的安全性和可靠性要求極高。

    一套完整的RBC設備包含:組成表決冗余結構的4臺主機(核心服務器)、2臺互為冗余的通信機、司法記錄儀、操作維護設備及可外置的ISDN接入服務器等。

    國際上先進的RBC核心服務器,有的采用通用的高可靠性計算機,有的沿用聯鎖等傳統信號設備的硬件平臺。而華為則根據RBC的各項需求,綜合分析,硬件采用了基于ATCA架構的OSTA 2.0開放標準計算平臺,系統軟件采用了華為DOPRA 1.6分布式可編程實時架構。

    ATCA架構已經廣泛、成熟應用于電信領域。ATCA架構中各模塊支持熱插拔,發生故障后備機可以熱替換主機工作,原主機降為備機。由于主、備兩系統的電源相互隔離,熱替換單板也不會使系統宕機。跟通用計算機相比,ATCA架構功耗低、組網簡單、冗余實現容易。此外,ATCA架構外部電源線、網線等很少,維護方便。

    在這個成熟的軟硬件平臺上,華為RBC重點針對列控的安全性需求,以及閉塞業務需求設計,滿足列控系統在安全性、可靠性、功能、容量、接口、業務等方面的要求。

  • 高安全性
    華為RBC產品的開發采用CMMI+SAFE研發流程,應用表決、異構、安全編程等技術,遵循“故障-安全”理念,符合SIL4安全完整性等級的要求。
    華為RBC主機為2乘2取2架構,即兩套系統互為主備,一套系統內兩個主機之間進行關鍵數據的比較,比較不通過則不向車載設備發送運行授權。兩個主機的單板采用不同的硬件、不同的操作系統、不同的應用軟件,以避免共模故障帶來的安全風險。
    華為RBC系統還采用表決冗余架構,以及多重軟硬件檢測、校驗技術,充分保障列車運行的安全性。通過軟件多版本、硬件多批次檢測,華為RBC的故障檢測率達到99.999%,處于業界先進水平。
     
  • 高可靠性
    華為RBC的可靠性保障措施有:采用分布式供電,電源輸入模塊冗余配置,4路輸入可實現2+2備份;風扇也采取冗余配置,部分風扇的故障不影響系統的正常運行;設備管理、冗余備份、表決比較、業務軟件采用相互隔離的通信平面,每個通信平面內部冗余,點對點互連,并且交換板集成在RBC機框內部。
    另一方面,ATCA架構在通信設備上的累計故障統計結果顯示,硬件平均無故障時間長達1.35×106小時,約153年。因此,ATCA架構本身具有的高可靠性、高可用性和靈活冗余組態方式,完全可以降低RBC的危險失效概率,提高安全性。
    另外,基于“故障-安全”的設計,華為RBC在系統故障時,將產生導向安全行為的措施,使危險失效水平再提高兩個數量級。
     
  • 高速的處理能力
    眾所周知,列車運行的高速度、高密度,要求通信信號系統具有很高的實時性。而且,RBC作為列控系統的地面核心設備,需要同時與多輛列車、多套聯鎖系統交互,因此必須具備高速的處理能力。
    華為RBC中各個單板(業務處理板、通信處理板等),可配置單顆或多顆低功耗、高性能處理器,單板內存最大可達16GB,支持10/100/1000M對外通信接口,內部業務數據通道最大可支持10Gbps帶寬。這些電信級的配置極大提高了RBC的處理能力,使華為列控系統的整體性能處在行業前列。
     
  • 強大的接口能力
    華為RBC主機各個后插板為接口板,可根據需要靈活配置,支持GE、COM等接口,并可輕松實現對CAN、PROFIBUS等工業現場總線的擴展。
    華為RBC通過ISDN接入服務器連接到GSM-R網絡。單臺ISDN接入服務器滿配最大可支持480路數據通道。因此,ISDN接入服務器與RBC主機之間可靈活組網,通過多對多連接的方式進一步提高通信可靠性。

車載核心設備:安全計算機

    C3車載設備的主要功能是采集列車速度傳感器數據,接收應答器報文、地面軌道電路信息、地面RBC無線通信報文(移動授權等)、列車接口狀態,根據列車的固有特性,采取特定算法來防止列車超速,控制列車追蹤間隔,以保證列車行車安全。

    車載系統故障容易導致災難性后果,環境大面積破壞或危及人民生命安全,所以華為列控車載設備設計為“故障-安全”系統:當系統故障時,實現自動導向安全狀態,保護生命,并將破壞和損失降到最低;在此前提下,提高設備和系統的可用性。其核心安全計算機采用多套設備同時運行,一套設備的故障不影響列車正常運行。另外,安全性與可用性由元器件的高可靠性、容錯、冗余、反饋檢測等結構實現。華為列控車載平臺的元器件采用鐵路行業專用的高可靠性器件,或符合鐵路規范的工業級器件。

    華為C3車載安全計算機提供多種工業標準接口、強大的處理能力和安全輸出保障;系統硬件完成“二取二”功能,確保兩套完全相同的處理器系統,其輸入、輸出和關鍵過程數據相同;單個處理器性能達300MIPS;雙通道總線互連架構,功耗低,無需主動散熱。

    具體來講,華為C3車載安全計算機具有以下特點。

    “二取二”的可靠性核心技術

    “二取二”技術是華為安全計算機的可靠性核心技術,對數據輸入、中間運算結果、結果輸出實現二取二同步、二取二比較。在實現同步時,設置時間窗,超時則指示同步失敗;實現比較時,結構相同則比較成功,否則比較失敗,失敗后封鎖自己的輸出。

    獨立的數據輸入通道

    華為安全計算機建立多個獨立的數據輸入通道,確保系統的可靠性。例如,獨立的電源供應,可防止電源故障導致的IO錯誤無法檢出;獨立的防護電路,可提高接口電路的抗ESD、抗浪涌能力,降低器件失效率,增加器件失效的檢測率;分離的傳輸通路,使信號傳輸干擾不同時存在,可減少系統誤動作次數。

    緊急制動輸出

    華為安全計算機具有兩個獨立的IO總線接口,可實現硬件數據校驗和數據比較。靠近末端的硬件狗功能,使兩套系統的CPU即使同時死機,或者同時發生總線故障,也可自動隔離本系統的輸出,導向安全側;元器件失效可檢測,并立即隔離本系統輸出;脈沖驅動繼電器的輸出引腳失效,將立即導致剎車。另外,兩個系統的安全計算機雙主機,若同時故障隔離,能夠立即緊急制動。

    適應嚴酷的工作環境

    華為具備高可靠性的產品設計經驗,以及高低溫和振動環境試驗室、EMC試驗室、安規試驗室,技術先進的PCB加工、調測和裝配生產線。因此,華為安全計算機經過嚴格的測試試驗,其沖擊試驗、功能性隨機振動試驗的規格要求,均高于鐵路行業的標準。

    華為安全計算機采用45nm制程工藝,大大提高系統性能、降低功耗。華為經過多年平臺研究,掌握了單板模塊強化技術、板內器件散熱平面轉移技術、自然散熱空間流量管理技術,解決了有限空間內高熱密度板級器件散熱需求。基于此,華為安全計算機的PCB板采用專門的熱設計、高導熱率材質和特殊的導熱墊片,保證芯片和散熱器可靠接觸,且熱阻低。

    為滿足高速大功率情況下能正常工作,華為安全計算機進行了專業的EMC設計,確保在強干擾的環境下工作穩定。

    節能與環保

    華為安全計算機的設計還考慮了節能減排、綠色設計。華為安全計算機的CPU采用AMD的低功耗版本,每個處理器功率僅35W,大大低于普通服務器處理器的95W功耗;CPU智能調頻功能根據任務繁忙程度,自動調節工作頻率,動態調節系統功耗。華為安全計算機的EMC設計,完全符合TB3034鐵路標準,其中電磁輻射余量僅6dB。

    在產品設計和加工過程中,華為安全計算機的所有元件器件和加工輔料,都滿足世界各國電子產品環保要求,有毒有害物質成分含量控制在極低的水平。華為安全計算機還選用超靜音調速風扇輔助散熱,來延長器件壽命,減少噪聲污染。

    除了安全計算機和RBC,車載和地面設備的通信載體包括GSM-R網絡通信系統和應答器傳輸系統。其中,華為的GSM-R系統已經在大秦線、京九線等重要線路得到成功應用;為RBC提供通話路由的ISDN服務器,采用華為SoftCo 9500系統,容量大、處理能力強,采用冗余設計,溫備運行,支持熱插拔;在應答器方面,借助長久積累的射頻、硬件設計經驗,華為已經研制出包括應答器、應答器接收天線、BTM在內的應答器傳輸系統。

    華為在努力攻克列控關鍵技術的同時,也注重集成業界成熟產品,實現整體解決方案的快速交付。像DMI、雷達、測速發電機、機車電臺以及其它非核心設備,都采取集成業界成熟硬件平臺,進行業務軟件二次開發的方式實現。

    高鐵的迅猛發展,充滿了機遇與挑戰,華為公司將依托多年積累的軟硬件研發能力及快速的市場反應能力,走自主創新之路,推出適合中國鐵路的信號系統解決方案,助力中國高鐵實現跨越式發展。

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