减小计轴主机宕机故障影响的优化方案

(宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，315101，宁波//工程师)

计轴系统工作不受道床、轨道状态和气候条件影响,且其维护工作量小，已逐渐代替轨道电路成为城市轨道交通信号系统中不可或缺的轨道状态监督设备。在移动闭塞大行其道的CBTC(基于通信的列车控制)信号系统中，在点式模式下，计轴设备能如实反映轨道区段的占用或空闲状态；在CBTC模式下，计轴设备作为次级检测设备，按照CBTC模式行驶的列车可不考虑计轴区段状态。正常情况下，计轴设备故障对CBTC模式下的列车运行无影响，但在宁波轨道交通1、2号线现有CBTC信号系统使用过程中，发现当计轴主机宕机故障发生在车辆段、停车场及设有联络线的接轨站(以下简称接轨站)时，将严重影响正常行车组织。本文针对该特定情境进行技术分析和研究，提出一种可有效减小计轴主机宕机故障影响的优化方案。

1 现有计轴方案

1.1 基本情况

在宁波轨道交通已开通的1、2号线CBTC信号系统中，各联锁区按上、下行线路分别设置1台计轴主机。计轴主机采用集中控制方式，即1个计轴主机控制上行或下行线路全部计轴区段。此时一旦计轴主机发生故障，整个计轴控区将全部发生故障。

在1、2号线信号系统架构中，轨道信息由计轴区段信息、ATP(列车自动保护)轨道信息和计轴信息(可用或不可用)等3个因素共同决定。若将计轴区段A划分为2个ATP小区段(C、D，如图1所示)，则轨道信息E的布尔表达式可以简化为：E=A*(.N.B)+(C*D)。其中，B表示计轴信息可用或不可用，.N.表示取反，+表示相或，*表示相与。

由上可得：当计轴信息B为不可用时，轨道信息E只与ATP轨道信息有关。依据信号系统设计理念，CBTC模式下运行的列车，对轨道区段的状态判定只取决于ATP轨道信息。因此，一旦计轴设备发生故障，CBTC系统将自动切除计轴系统，以保证CBTC模式列车的正常运行。

但在实际应用中，为了对自非CBTC区域(车辆段、停车场及联络线等)进入CBTC区域的列车进行筛选，出于系统安全需要，在两区域交界处均设计有1个或多个不可被切除的计轴区段。而当控制上述区段的计轴主机宕机后，不可切除区段上的非通信障碍物包络(NIAP)将迅速向外蔓延，直至计轴控区边界或控区中CBTC列车自动防护包络AP(接入点)的首部或尾部，若NIAP蔓延至折返道岔区域后，将对CBTC模式下运行的列车造成严重影响，进而扰乱整条线路的正常运营。

1.2 故障分析

表1 宁波轨道交通1号线的计轴主机宕机故障情况

通过分析计轴系统诊断日志，4起宕机故障原因存在一定离散性，无规律性可循，故障原因也无法定性。在解决问题过程中，先后尝试了测试电源波动情况更换计轴电源板、优化计轴CPU软件、更换CPU板卡等多种措施，但均未缓解故障的发生。因此针对计轴主机稳定性的优化整改措施，存在证据不足、缺乏针对性等问题，且无法实质性解决计轴主机宕机后不可切除区段上NIAP蔓延的问题。

2 优化方案

2.1 备选方案对比分析

经分析，计轴主机宕机故障影响扩大化的根源在于不可切除区段上NIAP向外蔓延。通过调研，该问题目前有3种备选方案。

方案1：在信号系统设计上规避该问题，从系统架构上避免不可切除区段向外蔓延。该方案需对信号系统软件、硬件的架构方面进行修改，且改动工作量大，对已开通线路影响大，缺乏可行性。

方案2：采用计轴分散控制方案。每个计轴区段对应1块独立工作的计轴板卡，从而降低计轴设备故障的影响范围。目前，计轴设备存在分散控制方式，需更换全部计轴主机设备，并改变与信号系统接口方式，存在资金投入大，与现有信号系统兼容性差等问题。

方案3：计轴系统采用3取2冗余或主备冗余方式，增加计轴系统的可用性。该方案涉及更改计轴系统安全性架构，需对信号系统重新进行第三方安全认证。

可见，在已开通运营的线路上实施上述方案，均需大规模改造信号系统软件、硬件或接口条件，均存在较高的风险性和巨大的资金投入，对正常运营也将产生很大影响，缺乏可行性。

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2.2 优化方案设计

2.2.1 方案优化思路

在充分研究现有信号系统架构，以及信号与计轴系统接口关系后，借鉴计轴分散控制理念，本文提出了一种易于实现的优化方案：在现有2台计轴主机的基础上，再增加1～2台计轴主机，对不可切除的区段进行单独控制，从而实现不可切除区段与折返道岔区段等关键区域的分散控制，以规避计轴主机宕机时不可切除区段上NIAP向外蔓延的隐患。

宁波轨道交通1号线高桥西站至石头路停车场的计轴区段见图1。原设计方案中，T010161、T010162、T010163及T010164计轴区段，为非CBTC区域与CBTC区域交界处不可切除的区段。一旦高桥西站的任一计轴主机宕机后，NIAP将会自T010163或T010164区段逐步向折返道岔区域蔓延。

通过深入研究NIAP蔓延机制发现，NIAP蔓延可被计轴状态良好的区段阻断。当高桥西站计轴主机发生故障时，NIAP之所以可蔓延至折返道岔区域，主要是因为T010163或T010164区段与道岔区段均由同一主机控制。当宕机故障发生时，对应的整条上行或下行线计轴区段状态同时为不可用状态。此时，无计轴状态良好的区段可阻挡NIAP的蔓延，故NIAP会一直蔓延至计轴控区边界或CBTC模式下的列车AP首部或尾部。

优化方案以此为突破口，对原方案中的上下行主机控区进行重新划分，通过增设的计轴主机单独控制T010161、T010162、T010163与T010164计轴区段，以实现与道岔区域的分散控制，从而规避不可切除区段与道岔区段同时故障的风险。

优化方案有4个关键点：

(1)利用现有计轴系统控区划分规则，在室外部分将AC010163、AC010164计轴点改为共享计轴点，利用现有计轴电缆备用芯线或新敷电缆将磁头信息分别传送给新增计轴主机和原计轴主机，从而实现对计轴控区的控制。

(2)根据不可切除区段数量，增加1台计轴主机；并充分利用原有对应区段的并口板、PDCU(电源数据耦合单元)等零部件，以节约改造成本。

(3)修改计轴机柜内部相关区段的端子排配线，实现对室外计轴点分散供电，避免室外计轴点集中供电。

(4)将新增主机与监测子系统连接，以实现检测信息与告警信息的上传。

图1 高桥西站计轴区段示意图

2.2.2 改造工程量

在高桥西站的改造中，主要设备包括2块CPU(中央处理器)板、1块电源板、1块串口板、2个PDCU、3块补空板，以及1台ACE2-10主机。计轴电缆、机柜等需根据现场实际情况确定。

2.2.3 优化方案的优点

该优化方案充分考虑了现有已开通线路条件的限制，主要具有以下优点：

(1)基于现有信号系统与计轴设备接口进行优化。由于计轴分区控制技术成熟，无需特殊验证，故技术要求难度低、易实现。

(2)避免了对现有信号系统软、硬件和系统架构进行修改，降低了改造的不确定性和风险性，将对运营线路的影响降到了最低。

(3)成功规避了采用计轴设备冗余或分散控制方案需对信号系统重新进行第三方安全认证的关键制约点。

(4)改造投入低，改造周期短，且可有效解决不可切除区段上NIAP蔓延的隐患。

2.2.4 可行性分析

优化方案只在现有计轴系统内部增加及修改设备配置，未改变信号系统与计轴系统的接口技术条件，不涉及对信号系统软件、硬件及设计架构的更改，对信号系统整体安全性无影响。

同时，优化方案为原来2台计轴主机串联工作的机制增加了1条并联通道，增加了计轴系统的冗余性，将单台主机故障影响行车的风险进行分散，使故障影响行车的风险大幅降低，并提升了信号系统的可靠性(见图2)。

由图2可见，方案优化后，计轴主机1与计轴主机2的计轴控区不再含有不可切除区段，故在计轴主机3正常情况下，无论计轴主机1、计轴主机2发生故障与否，都不会对CBTC模式下的列车运行产生影响；而当新增计轴主机3宕机后，NIAP蔓延至计轴主机3控区边界，此时若计轴主机1和计轴主机2均正常，NIAP将被阻断，不再继续向外蔓延；只有当新增主机3宕机，且ACE1或ACE2中的1台也同时宕机时，才会出现NIAP向外蔓延、影响CBTC模式列车运行的情况。由计轴设备产品说明书可知，单台计轴主机平均无故障时间为1.75×105h，故2台主机同时宕机的几率微乎其微。

a) 改造前的串联工作机制

b) 改造后的并联工作机制

3 结语

优化方案虽未从根源上避免计轴不可切除区段的存在，但有效地降低了NIAP外延的几率，将计轴宕机故障影响降到了最低，且切实可行。经宁波轨道交通信号系统集成商及计轴设备供货商专家评估后，一致认为该优化方案应用技术成熟，采用方法可靠，安全性满足系统要求，且现场改造实施周期短，资金投入少，能有效减小计轴主机宕机故障影响。

目前，该优化方案已获得宁波轨道交通运营方、信号系统集成商以及计轴系统供货商三方认可，并按照优化方案对折返站实施了技术改造。经过多次试验、验证，改造效果达到预期目标，改造后计轴系统运行正常，与现有信号系统完美兼容，未发现安全隐患。