引用本文

陈峰, 袁志明, 闫璐, 许伟, 苗义烽, 高博文. 高速铁路智能CTC自律机系统的可靠性与安全性评估. 自动化学报, 2020, 46(3): 463−470 doi: 10.16383/j.aas.c190195

Chen Feng, Yuan Zhi-Ming, Yan Lu, Xu Wei, Miao Yi-Feng, Gao Bo-Wen. Reliability and safety evaluation of autonomous computer system of intelligent CTC in high speed railway. Acta Automatica Sinica, 2020, 46(3): 463−470 doi: 10.16383/j.aas.c190195

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c190195

关键词

铁路运输，高速铁路，智能调度集中控制，自律机系统，可靠性，安全性 

摘要

自律机系统是智能调度集中控制(Centralized traffic control, CTC)系统的核心, 其安全性和可靠性都至关重要. 首先分析了双机热备自律机系统和二乘二取二自律机系统的结构及工作原理; 然后综合考虑自律机分机的故障检出率和故障发生率等因素, 采用Markov模型, 构建了两个系统的安全度和可靠度模型. MATLAB仿真结果表明, 双机热备自律机系统的可靠性高于二乘二取二自律机系统的, 但双机热备自律机系统的安全度远低于二乘二取二自律机系统的, 因此二乘二取二自律机系统更能保障CTC系统的安全.

文章导读

高速铁路智能调度集中控制(Centralized traffic control, CTC)系统是结合我国“智能高速铁路”的发展需求, 采用云计算、物联网、大数据和人工智能等先进技术, 通过信息的全面感知、安全传输、融合处理和科学决策, 构建的具有模式标准化、局站调控一体化、监视综合化、决策智能化、控制自主化的先进智能行车调度系统. 智能调度集中控制系统(智能CTC)由包括铁路总公司、铁路局、车站的三层CTC子系统构成, 其中车站子系统为整个高速铁路网络的基本功能节点, 不仅具有调度中心与高速列车之间的指令传输功能, 还有车站调车作业的执行功能.

车站自律机系统是智能CTC的核心设备, 主要完成列车跟踪、自动排路、分散自律逻辑检查、外部系统接口以及控制指令输出等功能. 调度集中系统与计算机联锁系统的通讯, 是通过车站自律机与操作表示机进行交叉互联实现的. 车站自律机系统将调度中心的调整计划和直接操作指令, 以及车站值班员的直接操作指令, 经检测无冲突后适时发给车站联锁机系统执行, 因此具有生成进路操作命令和将指令变为命令的功能. 目前, 为了保证控制指令的唯一性, 当自律机系统进行进路选排、进路触发等工作时, 被控对象同一时刻只能接收到一台自律机的指令, 这也是自律机系统双机热备的主要工作方式[1]. 所以为了保证系统的可靠性, 必须保证自律机和实现自律机之间切换的倒机装置可靠性.

双机热备是指同时执行两台设备, 设备之间相互备份, 共同保证重要服务执行的方式. 当某台设备发生故障时, 由第二台设备自动接替前者继续任务, 保证了缺乏人工干预情况下, 系统能继续执行任务[2]. 因为在可靠性和安全性上优势, 双机热备已经在农业、交通运输业、工业等领域得到广泛应用[3-9]. 例如在铁路方面, 王江江等[10]结合故障比较机制和同步机制, 为铁路信号设备的双机热备切换提供指导; 闫剑平等[11]通过Markov模型, 对铁路信号常用双机热备结构进行安全性和可靠性进行分析; 胡爱锋等[12]综合分析以往道岔驱动系统的应用情况, 认为今后控制系统将会朝着硬件热备冗余控制系统的方向发展; 王秀娟[13]根据倒机优先级和原则, 制定调度集中系统中双机热备的实施方案; 孙蕾等[14]和刘芳等[15]考虑到实际情况, 对双机热备计算机联锁控制系统的安全性和可靠性进行了分析; 文俊等[16]对铁路信号中在线诊断、故障模式和共因失效等多个因素进行了综合分析, 提出了两种不同的双机热备结构的同构Markov模型; 李军丽等[17]针对双机热备和二乘二取二的计算机联锁系统, 构建了危险失效概率和安全失效概率的动态故障树模型; Kumar等[18]针对具有双环拓扑的局域网, 提出了一种可用于分布式铁路信号系统的容错节点转换器; Kim等[19]基于MC68000研发的一种二乘二取二系统, 可直接用于飞机、高速铁路等嵌入式控制系统.

从国内外研究可以发现, 铁路方面的双机热备系统结构及其功能的研究主要集中在通信信号和计算机联锁控制系统领域, 对于车站自律机系统的研究则较少, 尤其对自律机系统的结构及其安全性和可靠性的研究, 目前还处于探索阶段. 为了比较不同系统结构对车站自律机系统功能的影响, 本文将通过Markov过程对CTC车站自律机系统结构的安全性和可靠性进行分析, 以期为未来的车站自律机系统设计提供参考.

图 1  双机热备自律机系统结构图

图 2  二乘二取二自律机系结构图

图 3  铁路系统故障的产生及其影响

目前, 智能CTC系统的关键设备大多采用双机热备方式, 包括车务终端、车站自律机和CTC中心服务器等[2]. 本文利用Markov模型, 构建了两种不同的系统结构车站自律机的安全性和可靠性计算模型. 实例表明:

1)除了自律机系统的结构之外, 故障检出率和自律机故障率等因素也会影响车站自律机系统的安全度和可靠度.

2)二乘二取二自律机系统与双机热备自律机系统相比, 可靠性较低, 但安全性较高.

3)如何设计一种兼具安全性和可靠性的自律机系统, 将是未来的重要研究工作.