鐵路電氣系統電磁相容性v迴圈實踐應用研究
趙強張麗娜常振臣王金田王海瑞
長春軌道客車股份**** 130062 ）
摘要：本文的目的是通過電磁相容性（emc）個案研究來展示鐵路系統整合工藝的實踐應用情況。
為了確保鐵路電氣系統已經成功地進行整合，特此就相關需要闡述的問題進行總結。emc被認為是系統整合工藝的主要因素。已經就鐵路電氣系統emc的展示方法進行了回顧。
根據近期在歐洲直流地鐵系統上的相關工作提交了相關資料。該資料通過除錯階段客戶及設計（v迴圈）要求的測量來闡述驗證過程。
關鍵詞：
abstract: train control management system as the key equipment to monitor, control, fault diagnosis for train's core equipment, tcms's failure or misoperation will directly lead to the serious failure for train. so, the high safety requirements for tcms are necessary.
the article describes the architecture and sil2 requirements of the tcms, bring up fault detection techniques and related fault control measures.
key words: train control management system；tcms；safety integrity level；sil2
1. 前言
電氣系統在鐵路環境中被廣泛的採用。包括牽引供電、訊號和控制系統、和基於無線電的系統、scada、通訊系統、車載和基於地面無線電的裝置、控制中心的計算機裝置以及車輛和車站的乘客資訊系統。交流高壓鐵路採用的是獨立接地回流供電系統。
而直流鐵路採用的是絕緣鐵路回流供電系統。
系統壽命週期設的設計、施工、檢測、執行及維護階段必須考慮介面處的電氣系統整合。在本檔案中，唯有系統整合中的emc要素進行詳細的考慮。但是，電氣系統整合要想取得成功，還需要考慮許多其它因素。
例如，鐵路牽引供電網路與車站及鐵路建築內的低壓交流電之間的接地布置必須完全整合到設計中[1]。在車站區域，有必要評估等電勢區是如何規定的以及相關標準的要求如何能夠滿足。此外，還需要考慮因直流雜散牽引電流而導致系統出現的潛在物理降級情況[2]。
需要供貨的整個系統應分解成若干個子系統。，進而提供保證證明。
鐵路專案的子系統趨於與傳統鐵路專業保持一致。例如，基礎設施系統可能具有訊號和電氣化子系統。而鐵道車輛可能具有列車控制及牽引子系統。
這些系統間的公共介面點應為道岔（軌道）。道岔負責提供電路所需的軌道並支援要求直流雜散電流保護的基礎設施。但是，某些單一專業系統，尤其是訊號系統，其複雜性足以讓其進一步分解成子系統。
設計節點的深度取決於所涉及的專業（複雜性和風險）、採取的合約戰略以及需要滿足的要求。
2. 鐵路電氣系統整合
乙個系統可以視為是乙個單一組元件。例如，供電網路或者是稍大一些的系統，例如車站或者鐵路線路。系統整合這一術語的目的是確保系統的不同元件，例如鐵路，相互間應協同工作來從主動和被動角度達到預期的目的。
系統整合這一術語指的是整個系統內多個子系統的技術可操控性。這一點要求整個系統內多個專業和子系統在技術方面進行詳細的協調。
鐵路是高度整合的高水準系統。在其元件中，許多相互之間可以互動。這種複雜性為鐵路專案帶來了潛在的風險。
無論從技術角度還是執行角度，在實際的物理和商務風險方面均有體現。鐵路專案能夠並確實會在鐵路系統之間遇到代價高昂的問題。例如，新的鐵道車輛與牽引電源干擾訊號及控制系統。
良好的各個單項專業工程本身不足以避免這些問題的出現。因為，實質性問題經常是跨專業的。針對系統整合方面潛在的複雜性以及為了滿足各項要求，應慎重採用風險水平盡可能低，合理又切合實際的方法。
2.1. 系統整合構造方法
這就要求穩健的保證工藝並涵蓋電氣系統整合。這一點明確要求鑑別出針對於與鐵路相關的電氣系統與其附近設施之間業已存在的干擾的接**術要求。還要考慮壽命週期長短不一的各個專案之間有整合要求的鐵路演變程序。
例如，一條完整線路上各個車站的現代化公升級。
2.2 軟體要求
開發滿足sil2要求的軟體，必須嚴格貫徹執行軟體生存期所有軟體質量活動。通過危害分析，明確軟體安全要求；依據安全要求，實施軟體**、模組及系統整合的安全性設計；根據軟體開發階段，進行驗證與測試，確認及評估軟體安全性完整性。
此外，在保證軟體嚴密開發過程要求的基礎上，en50128 建議了一套在架構設計階段執行的技術和措施（表1）。在sil2 等級情況中，這些技術應予以實施來滿足安全性要求。
表 1 故障檢測和處理的建議技術
3. 系統概述
北京地鐵專案列車採用6輛編組（4動2拖），列車網路控制系統按照iec61375-1標準規定的列車通訊網路組建，系統匯流排採用絞線式列車匯流排（wtb）+ 多功能車輛匯流排（mvb）的形式，列車級匯流排（wtb）採用雙絞線進行資料的傳輸，mvb的電氣介面為電氣中距離（emd）介質。
圖1 北京地鐵專案網路拓撲結構
以故障導向安全設計為原則，網路拓補的設計更多的考慮了自癒環網的設計理念，列車匯流排及車輛匯流排均冗餘結構設計，實現了資訊傳輸中單點故障情況下的線路自動倒換；關鍵性硬體的主備配置，從根本上確保網路對整車的安全控制。此外，整車網路控制為主硬線控制為輔設計，更進一步全面保證了列車執行安全性。
3.1 硬體架構
tcms硬體主要由**控制單元（ccu）、診斷控制單元（dccu）、tcn閘道器、人機介面單元、中繼器等十部分組成。
為保證tcms系統整體設計上能夠滿足sil2要求，在系統硬體架構設計採用通用的冗餘配置基礎上，硬體自身的設計通過故障模式影響分析對安全性隱患進行了全面的控制。對於現貨**的硬體產品，以其可靠性指標平均無故障間隔時間作為系統安全設計的保證。
ccu作為tcms的核心硬體，其板卡是符合rohs認證的嵌入板，主要由乙個中間層cpu模組及乙個pc/104-plus結構的承載板組成，其100mhz快取記憶體處理保證了資訊處理的及時性；其內建看門狗定時獨立保護系統，保證了系統出現故障時，在可選的定時週期內（2-255 秒）立即切換到備份/冗餘系統。dccu內部硬體配置與ccu具有完全一致的結構，關鍵區別在於軟體的配置。dccu在整個系統的架構上依然以冗餘設計為基礎，其內建intel處理器、晶元集及雙備份的故障資訊儲存機制充分保證了監控資訊的可靠性。
作為控制wtb和mvb間的資訊傳輸的uic閘道器依照tcn標準設計，從mvb角度來看,它是乙個通常作為仲裁者的裝置；從wtb角度來看，它是乙個可以配置為主或者從的節點。其功能和能量消耗可以通過外部16個數字量輸入來控制,並且可以通過4個數字量輸出來控制車輛的其它裝置。tcn-gw01可以用計算機軟體通過rs232線纜來配置，為了提高可靠性，tcn-gw01系統完全冗餘，意味著所有的功能是雙份，從這個角度來講進一步提高了tcms 系統整體的安全性。
人機介面單元x86成熟的硬體構架，顯示器的資料強大處理能力使其在rs485高速通訊的情況下能夠保持畫面的正常顯示以及資料的正確處理。數字量輸入\輸出模組、中繼器及電源模組等的成熟設計都在提高硬體可靠性的基礎上，保證了tcms執行安全性。
由於tcms硬體整體結構從降低成本角度考慮保持了簡單可靠的設計原則，而由此帶來的硬體冗餘度的缺乏導致軟體結構的較大複雜性，更為全面的安全性要求只能通過軟體機制來完成。
3.2 軟體架構
對於tcms的軟體架構，我們通過定義一系列「模組」予以說明，如系統軟體模組、底層支援軟體模組及應用軟體模組等。系統軟體為底層的支援軟體裝載於主控ccu單元內，主控ccu基於32位x86構架，增加了vxworks實時作業系統和iec61131的圖形化程式設計功能，提公升了整個控制系統軟體的實時性、可靠性和使用者開放性。底層支援軟體模組主要包括與硬體相關介面驅動軟體、網路配置元件及與tcn協議棧通訊功能等相關的介面軟體。
應用軟體模組採用圖形化程式設計軟體，採用符合iec61131國際標準的openpcs軟體。openpcs的軟體開發平台支援iec61131-3標準所規定的五種程式設計方式il、st、ld、fbd、sfc。通過採用iec61131的圖形化程式設計功能可以將應用軟體的功能控制部分進行圖形化設計和編寫，保證了軟體的開發、驗證及確認安全性活動的有效實施。
全域性監測組態王是tcms主軟體，安全要求的滿足嚴格地取決於全域性監測的效能。它起到乙個執行監測器、乙個軟體看門狗、乙個日誌管理器和乙個診斷管理器的作用。它充當乙個全域性排程程式，處理人機介面單元上執行的所有操作，實施排程規則，並允許和停止每個操作的執行。
它可識別引起hmi執行模式更改的條件，並在模式改變（例如實施乙個測試策略、執行乙個操作、掛起或重新開始乙個執行緒）時執行配置系統所必需的操作。在執行模式更改情況下，全域性監測啟用了模式更改程式。它同時包含一組靜態**（這些**支援停止程序、用於啟動的新程序和必要的儲存器指標），其中有關於模組失效和啟用的規則。
此外，檢驗系統配置的全域性監測通常在當前操作模式中所預先予以設定，其檢驗與測試程式模組起到執行檢驗和測試操作的作用。測試模組包含測試裝置所需要的所有演算法，並提供設定測試策略的服務；檢驗模組則執行資料接受機制、可靠性校驗和多種計算的對比，並且它定期執行校驗。從安全機制角度考慮，控制流程監測機制和軟體看門狗在軟體設計中都予以採用。
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