京广高速铁路CAN通信冗余问题分析

摘要：京广高速铁路轨道电路接收器通过CAND、CANE向轨道电路通信盘传输“状态数据帧”，再经过CANA、CANB传输给列控中心，列控中心以此为依据判断轨道电路“占用”和“空闲”。在京广高铁联调联试期间发现，若通信盘A与轨道移频柜通道中断，列控显示该移频柜轨道电路全部“红光带”。文章对该现象的原因进行了分析并提出了相应的对策。

关键词：CAN通信冗余；状态数据帧；列控中心；轨道电路通信盘；红光带；京广高速铁路 文献标识码：A

中图分类号：TP336 文章编号：1009-2374（2015）14-0121-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.060

1 京广高铁ZPW2000轨道电路CAN通信原理

1.1 京广高铁ZPW2000轨道电路特点

客运专线采用的是CTCS-3级列车控制系统，其设计时速在300～350km/h，轨道电路仍然承担着列车占用检查和后备系统行车许可的重要作用。由于在既有铁路上ZPW-2000轨道电路运用的很成熟，其技术特点和应用环境也十分符合中国国情。因此，在既有ZPW-2000轨道电路的基础上，针对客运专线列车运行速度快、列车制动距离长、列车追踪时间短的特点，研制出了客专ZPW-2000轨道电路，它保留了既有ZPW-2000轨道电路的优点，并针对客运专线的应用进行了适应性改进。

在技术层面上，列控系统通过采集管辖所有闭塞分区轨道继电器状态和相邻列控系统传送的信息集中进行编码，再通过CAN总线将编码信息传送给发送器，同时采集接收器状态与轨道继电器状态进行一致性比对校验，因此客专ZPW-2000轨道电路对发送器、接收器增加了CAN通信功能，这也是其最具特色的设计。除此之外，客专ZPW-2000轨道电路优化了补偿电容配置，增加了监测和自诊断功能，加大了空心线圈的导线线径，确保系统更适应客专需求、更便于电务人员维护和操作。

1.2 CAN通信原理及逻辑关系

CAN通信技术实现了无接点低频编码和载频集中控制，这是客专ZPW-2000轨道电路的技术革新。其中通信接口板用来实现列控中心与轨道电路CAN总线通信协议间的互换。如图1所示，CANA、CANB用于和列控中心主机的数据交换，CANC将发送器、接收器的相关数据参数（功出电压、功出电流、接收入口主轨道电压、接收入口小轨道电压等）发送给微机监测主机，CAND、CANE用于和移频轨道电路的主备发送器、接收器交换

数据。

图1 CAN通信原理图

CAN总线通信采用分时间片，主从式同步传送方式，即只允许列控中心主机向列控中心主机或向轨道电路通信盘发送数据，或由轨道电路通信盘向列控中心主机发送数据，不允许轨道电路通信盘之间传输信息。列控中心主机生成“编码数据帧”和同步帧，编码数据帧是指控制发送器输出信号的载频编码数据和低频编码数据，同步帧没有数据用于系统同步，二者都是经由轨道电路通信盘转发给发送器。接收器生成“状态数据帧”，即轨道区段当前的占用或空闲信息，通过轨道电路通信盘转发给列控中心，列控中心通过CANA、CANB与轨道电路通信盘接口，每个轨道电路移频柜使用一对轨道电路通信盘，轨道电路通信盘通过CAND、CANE与轨道电路移频柜通信。列控中心A、B系冗余配置，轨道电路通信盘成对冗余配置，CANA与CANB互为冗余，CAND与CANE互为冗余。同时，列控中心A系和B系、成对配置的通信盘、接收器均为双CPU校验。例如，发送器状态数据帧的输出根据故障-安全原则，接收器故障时按“占用”状态输出，且只有CPU1、CPU2同时输出“空闲”状态，系统才输出“空闲”状态，但是为保证系统的可靠性，主并机只要有一个输出空闲，结果就输出空闲状态。状态数据帧结果=（CPU1主∩CPU2主）∪（CPU1并∩CPU2并）。

2 京广高铁CAN通信“假冗余”问题分析

2.1 CAN通信冗余设计原理

根据CAN通信的连接方式，通信盘A和通信盘B均应向CANA、CANB发送数据，CANA或CANB仅一路通信中断不影响系统的正常使用。而且，根据《客专列控中心与轨道电路接口规范（报批稿）》4.6.1中规定“若不能从某一通道接收到有效数据时，应自动采用冗余通道接收的数据”。

通信板A的CAND和通信板B的CANE连接主发送器和单数接收器，且两路CAN通道互为备用；通信板A的CANE和通信板B的CAND连接备发送器和双数接收器，且两路CAN通道互为备用。通信接口板与移频接口柜的通信连接情况，由于发送器“1+1”备用，接收器互为并机，因此两路CAND和两路CANE有一路可用即可正常CAN通信。

综上所述，列控中心与轨道接口盘主用CANA通道，若CANA通信故障，则可通过CANB发送、接收数据。同时，轨道接口盘与轨道电路移频柜间四条CAN通道（两条CAND，两条CANE），只要有一条通道通信正常，则数据可正常传输，不会导致轨道红光带。

2.2 CAN通信“假冗余”问题分析

京广高铁联调联试期间，通过列控功能试验和联锁试验发现：通信盘A与轨道移频柜通道中断，即主通道中断时，列控显示该移频柜轨道电路全部“红光带”。但是，若通信盘B与轨道移频柜通道中断，则设备通信正常不会发生轨道电路“红光带”的故障。于是，立即组织对现场CAN通信连接方式及相关配线、板卡进行检查和分析，发现CAN通信连接方式正确，检查各部板卡也未发现问题。由此得出结论，京广高铁CAN通信系统硬件配置及连接方式符合可靠性设计要求，但是其内部软件的逻辑处理方式却未考虑冗余设置，导致主通道中断就会发生轨道区段“红光带”故障。换而言之，即CAN通信冗余设置“表里不一”，可称之为“假冗余”。

通过软件逻辑分析，当轨道电路通信盘与移频柜主通道中断时，即轨道电路通信盘A与轨道电路移频柜通信故障，按照目前轨道电路的处理方式，通信盘通过CANA、CANB发送至列控中心的信息包仍都为有效信息包，只是CANA中区段状态为通信故障。根据《客运专线列控中心列控与轨道电路接口规范（报批稿）》第4.5.2节，列控中心需将区段故障处理成占用状态。但该接口规范中并未规定在轨道电路上传的CANA、CANB数据不一致的情况下，列控中心该如何处理。

京广高铁列控中心与通信盘A、B均为通信正常且数据校验正确的情况下，列控中心使用CANA数据进行逻辑判断，在综合GJ状态后，判断区段是“空闲”还是“占用”状态。同时，发现目前的通信盘配置为“通信盘A仅向CANA发送数据，通信盘B仅向CANB发送数据。因此，当断开通信盘A盘与移频柜的连接时，由于通信盘A收不到轨道电路状态数据，会向CANA发送轨道电路通信故障状态。列控中心收到CANA中的通信故障数据后处理为“占用”状态，确认为有效数据，并不使用CANB的正常数据，且此时采集GJ状态为“空闲”状态，则造成列控中心认为“驱动采集不一致”故障，导致轨道“红光带”发生。

3 改造方案及建议

解决京广高铁“假冗余”问题，仅需要修改“状态数据帧输出逻辑关系”即可，而不用修改任何硬件配置，即正常情况下CANA为主用通道，列控中心以CANA通信数据为准，当CANA通信故障时，则以CANB通信数据

为准。

由于《客运专线列控中心列控与轨道电路接口规范》中没有明确：“轨道电路上传的CANA、CANB数据不一致的情况下，列控中心该如何处理。”造成列控中心生产厂家处理方式不一，从而片面的提高其系统的安全性，只要主通道故障就判断为系统故障，大大降低了系统的可靠性。因此，为了杜绝类似问题重复发生，建议明确CANA/B总线冗余处理逻辑，修订《客运专线列控中心列控与轨道电路接口规范》，修改列控中心通信数据处理方式，并增加关于对CANA、B数据进行冗余处理的原则说明。

4 结语

京广高铁CAN通信“假冗余”问题，违背了区间轨道电路的冗余设置原则，大大降低了系统运行的可靠性，一旦发生故障造成大范围轨道红光带故障，而且查找较为困难。因此，必须明确CANB通道为主用通道CANA的冗余通道，确保系统的通道冗余特性。

参考文献

[1] 铁道部.客运专线列控中心列控与轨道电路接口规范[S].2009.

[2] 王瑞.CAN总线在列控地面系统中的应用和设计[J].铁路通信信号工程技术，2008，（6）.

作者简介：徐宁（1983-），男，河北石家庄人，供职于北京铁路局石家庄电务段，研究方向：高速铁路自动化技术。

（责任编辑：黄银芳）