浅谈ATCA平台在列车运行控制系统的应用

　　CTCS是（Chinese Train Control System）的英文缩写，中文意为中国列车运行控制系统。CTCS系统有两个子系统，即车载子系统和地面子系统。CTCS根据功能要求和设配置划分应用等级分，分为0~4级。

　　地面子系统可由以下部分组成：应答器、轨道电路、无线通信网络（GSM-R）、列车控制中心（TCT）/无线闭塞中心（RBC）。其中GSM-R不属于CTCS设备，但是重要组成部分。应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地车信息功能，应采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。无线通信网络（GSM-R）是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传输的车地通信系统。列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令，并通过车地信息传输系统传输给车载子系统，保证列车控制中心管辖内列车的运行安全。其中，车载安全计算机和RBC是C3列控系统的关键设备，负责处理大部分C3业务，二个硬件平台的功能直接影响系统运行的性能。

　　目前，国内厂商大都采取和国外厂商合作的方式共同开发C3列控系统，尤其是关键设备。与此同时，华为凭借多年的科研积累及成熟的软硬件平台，在深入理解ETCS及CTCS标准的基础上，自主研发了包括安全计算机和RBC在内的C3列控系统。

　　由于我国的列控系统的应用起步晚，起点高，因此一步就瞄准了比较先进的控制模式。在我国阶梯式和曲线式分级速度控制都用过，取得了经验，好在并未形成规模，CTCS推荐采用目标距离控制模式是适宜的，符合国际列控系统的发展趋势。由于列控系统的控制模式是其主要特征和性能之一，控制模式决定了闭塞方式和列车运行间隔，从而决定了运输能力，所以说除移动闭塞外，各应用等级的主要功能几乎是一样的。

　　地面设备：RBC

　　RBC即无线闭塞中心，是高速铁路列控系统的设备之一。RBC根据从联锁系统接收的信号授权及列车发送的位置，为其管辖范围内的每辆列车生成运行授权，并发送给列车，以控制列车安全地运行。由于RBC同时管辖多辆列车，并且控制列车运行，因此对设备的安全性和可靠性要求极高。

　　国际上先进的RBC服务器，有的采用通用的高可靠性计算机，有的沿用联锁等传统信号设备的硬件平台。而华为则根据RBC的各项需求，综合分析，硬件采用了基于ATCA架构的OSTA 2.0开放标准计算平台，系统软件采用了华为DOPRA 1.6分布式可编程实时架构。

　　每个RBC都通过安全以太网从各个相关联锁设备中获取进路信息、轨道占用信息，从临时限速服务器获取其管辖范围内轨道的临时限速信息。通过ISDN接口连接到GSM-R网络，保持与其管辖范围内所有列车的无线数据通信，获得列车状态信息，向列车发送运行授权。相邻RBC之间也通过安全以太网相连，以完成列车在两个RBC之间控制功能的移交。

　　一套完整的RBC设备包括组成表决冗余结构的4台主机、2台互为冗余的通信机、司法记录仪、操作维护设备及可外置的ISDN接入服务器等。

　　RBC系统在华为成熟的软硬件平台基础上，重点针对列控的安全性需求和闭塞业务需求完成应用开发。硬件采用了华为成熟的OSTA

　　2.0开放标准计算平台，系统软件采用了华为DO?鄄PRA 1.6分布式可编程实时架构。OSTA 2.0和DOPRA

　　1.6平台可靠性高、实时性强，在电信设备上经过多年海量应用的检验。

　　高安全性

　　RBC产品采用CMMI+SAFE研发流程，应用表决、异构、安全编程等技术，贯穿"故障---安全"理念，符合SIL4安全完整性等级的要求。RBC主机为2乘2取2架构，双系互为主备，一系内两个主机之间进行关键数据的比较，比较不通过则不向车载设备发送运行授权。主机单板可采用不同的硬件、不同的操作系统、不同的应用软件，以避免共模故障带来的安全风险。

　　高可靠性

　　RBC采用分布式供电和电源输入模块冗余配置，4路输入可实现2+2备份。RBC散热设计可支持每个前插单板200W功率。风扇采取了冗余配置，部分风扇的故障不影响系统的正常运行。设备管理、冗余备份、表决比较、业务软件采用相互隔离的通信平面，每个通信平面内部冗余，点对点互连，同时交换板集成在RBC机框内部。

　　处理能力  RBC中各个单板可配置单颗或多颗低功耗高性能处理器，单板内存可达16GB,单板可选配高可靠性、大容量的RAID1 SAS硬盘，用于数据记录，每个内部端口通信处理能力都可达到1000Mbps.

　　高速的处理能力

　　众所周知，列车运行的高速度、高密度。而且，RBC作为列控系统的地面设备，需要同时与多辆列车、多套联锁系统交互，因此必须具备高速的处理能力。

　　华为RBC中各个单板（业务处理板、通信处理板等），可配置单颗或多颗低功耗、高性能处理器，单板内存可达16GB,支持10/100/1000M对外通信接口，内部业务数据通道可支持10Gbps带宽。这些电信级的配置极大提高了RBC的处理能力，使华为列控系统的整体性能处在行业前列。

　　强大的接口能力

　　RBC主机各个后插板为接口板，可根据需要灵活配置，支持GE、COM等接口，并可轻松实现对CAN、PROFIBUS等工业现场总线的扩展。

　　另外，RBC通过ISDN接入服务器连接到GSM-R网络。ISDN接入服务器与RBC主机之间可灵活组网，通过多对多连接的方式可进一步提高通信可靠性。单台ISDN接入服务器满配可支持480路数据通道。

　　当前，我国铁路建设处于高速发展的时期。京津城际铁路成功开行时速350公里的动车组，这个成绩举世瞩目。未来几年，高速铁路建设步伐更快，设计运行速度更高，面临的技术挑战更大。

　　华为RBC采用自主研发的软硬件平台，依据CTCS-3规范来进行开发，完全具有自主知识产权，满足列车350公里以上运营时速和3分钟发车间隔的要求。在为铁路建设提供通信产品和解决方案的同时，华为也希望能在信号等相关领域多作贡献。

　　车载设备：安全计算机

　　C3车载设备的主要功能是采集列车速度传感器数据，接收应答器报文、地面轨道电路信息、地面RBC无线通信报文、列车接口状态，根据列车的固有特性，采取特定算法来防止列车超速，控制列车追踪间隔，以保证列车行车安全。

　　车载系统故障容易导致灾难性后果，环境大面积破坏或危及人民生命安全，所以华为列控车载设备设计为"故障-安全"系统：当系统故障时，实现自动导向安全状态，保护生命，并将破坏和损失降到；在此前提下，提高设备和系统的可用性。其安全计算机采用多套设备同时运行，一套设备的故障不影响列车正常运行。另外，安全性与可用性由元器件的高可靠性、容错、冗余、反馈检测等结构实现。

　　华为C3车载安全计算机提供多种工业标准接口、强大的处理能力和安全输出保障；系统硬件完成"二取二"功能，确保两套完全相同的处理器系统，其输入、输出和关键过程数据相同；单个处理器性能达300MIPS;双通道总线互连架构，功耗低，无需主动散热。

　　具体来讲，华为C3车载安全计算机具有以下特点。

　　"二取二"的可靠性技术

　　"二取二"技术是华为安全计算机的可靠性技术，对数据输入、中间运算结果、结果输出实现二取二同步、二取二比较。在实现同步时，设置时间窗，超时则指示同步失败；实现比较时，结构相同则比较成功，否则比较失败，失败后封锁自己的输出。

　　独立的数据输入通道

　　华为安全计算机建立多个独立的数据输入通道，确保系统的可靠性。例如，独立的电源供应，可防止电源故障导致的IO错误无法检出；独立的防护电路，可提高接口电路的抗ESD、抗浪涌能力，降低器件失效率，增加器件失效的检测率；分离的传输通路，使信号传输干扰不同时存在，可减少系统误动作次数。

　　紧急制动输出

　　华为安全计算机具有两个独立的IO总线接口，可实现硬件数据校验和数据比较。靠近末端的硬件狗功能，使两套系统的CPU即使同时死机，或者同时发生总线故障，也可自动隔离本系统的输出，导向安全侧；元器件失效可检测，并立即隔离本系统输出；脉冲驱动继电器的输出引脚失效，将立即导致刹车。另外，两个系统的安全计算机双主机，若同时故障隔离，能够立即紧急制动。

　　适应严酷的工作环境

　　华为具备高可靠性的产品设计经验，以及高低温和振动环境试验室、EMC试验室、安规试验室，技术先进的PCB加工、调测和装配生产线。因此，华为安全计算机经过严格的测试试验，其冲击试验、功能性随机振动试验的规格要求，均高于铁路行业的标准。

　　华为安全计算机采用45nm制程工艺，大大提高系统性能、降低功耗。华为经过多年平台研究，掌握了单板模块强化技术、板内器件散热平面转移技术、自然散热空间流量管理技术，解决了有限空间内高热密度板级器件散热需求。基于此，华为安全计算机的PCB板采用专门的热设计、高导热率材质和特殊的导热垫片，保证芯片和散热器可靠接触，且热阻低。

　　为满足高速大功率情况下能正常工作，华为安全计算机进行了的EMC设计，确保在强干扰的环境下工作稳定。

　　节能与环保

　　华为安全计算机的设计还考虑了节能减排、绿色设计。华为安全计算机的CPU采用AMD的低功耗版本，每个处理器功率仅35W,大大低于普通服务器处理器的95W功耗；CPU智能调频功能根据任务繁忙程度，自动调节工作频率，动态调节系统功耗。华为安全计算机的EMC设计，完全符合TB3034铁路标准，其中电磁辐射余量仅6dB.

　　在产品设计和加工过程中，华为安全计算机的所有元件器件和加工辅料，都满足世界各国电子产品环保要求，有毒有害物质成分含量控制在极低的水平。华为安全计算机还选用超静音调速风扇辅助散热，来延长器件寿命，减少噪声污染。

　　除了安全计算机和RBC,车载和地面设备的通信载体包括GSM-R网络通信系统和应答器传输系统。其中，华为的GSM-R系统已经在大秦线、京九线等重要线路得到成功应用；为RBC提供通话路由的ISDN服务器，采用华为SoftCo 9500系统，容量大、处理能力强，采用冗余设计，温备运行，支持热插拔；在应答器方面，借助长久积累的射频、硬件设计经验，华为已经研制出包括应答器、应答器接收天线、BTM在内的应答器传输系统。

　　华为在努力攻克列控关键技术的同时，也注重集成业界成熟产品，实现整体解决方案的快速交付。像DMI、雷达、测速发电机、机车电台以及其它非设备，都采取集成业界成熟硬件平台，进行业务软件二次开发的方式实现。

　　高铁的迅猛发展，充满了机遇与挑战，华为公司将依托多年积累的软硬件研发能力及快速的市场反应能力，走自主创新之路，推出适合中国铁路的信号系统解决方案，助力中国高铁实现跨越式发展。