秦协安
摘要 高速动车组是适应当下快节奏出行需求的一种交通工具，对控制系统的安全性、可靠性有着非常高的要求。车载网络系统作为列车控制的“大脑”，其控制架构和控制策略尤其关键。当前，列车的安全保障主要偏重于监视，控制依赖于车辆和人工的参与，安全防护的功能标准也不统一。着眼于安全导向，文章针对CRH2系列动车组提出一种基于安全计算机架构的控制策略及优化方法，通过测试与装车运营，验证了该方案的全面有效性，显著提升了车辆控制的安全性和可靠性。
关键词 车载网络系统；
安全计算机架构；
控制策略；
优化方法
中图分类号 U284.48 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2023）11-0001-04
0 引言
“和谐号”高速动车组是目前客运列车的主力车型，其中CRH2系列动车组在高速列车占有量中排名第一（约30%）[1]。该型动车组已通过大批量长期稳定的商业运营，有效验证了其安全性和可靠性，车载网络系统作为核心控制部件为动车组提供了最关键的安全保障。
车载网络系统主要负责收集列车主控端各司控操作和信号控制系统的指令，进行数据整理和逻辑制作后将控制信息通过车载网络总线下发至整车和各系统执行。目前列车的牵引制动、受电弓升降、司机警惕、过分相、远程控制等关键控车操作都依赖于车载网络系统的控制和传输，因此研究一种安全、可靠的车载网络控制方法对列车稳定运营有着极其重要的意义。该文重点从车载网络系统的安全计算机架构、软硬件安全可靠性设计方面进行研究与应用，完善控制方法，提升列车控制精度和功能的全面性[2]。
1 网络系统结构
CRH2系列动车组网络系统[3]是一种分布式控制系统，主要由中央控制装置和终端控制装置组成，其中央控制装置分布在头尾车司机室，终端控制装置分布在各车厢。所有中央控制装置和终端控制装置由光纤连接，组成列车级的ARCNET[4]双重环网总线。其中控制指令主要由主控车中央控制装置采集和制作，再由光纤环网总线传递至各车执行，系统控制数据传输结构如图1所示。
该传输机制是一种基于安全计算机架构的多机并行容错评判策略，控制信息由互为冗余的安全计算机部件1和2采集并逻辑制作后进行输出，与安全计算机相连的光节点插件通过光纤环网双向并行发送至整车所有网络系统设备，再由分布在各节点位置的网络设备将信息传递至车辆及其子系统。双向并行发送数据可减少1/2的全網贯穿时间，使用动态对撞消融技术，使并行发送的控制信息在某节点汇合时结束发送，认为此传输周期结束，返回中断指令。此方法还可在通信链路故障时，使动态消融点自动适配故障点，无需数据重发与线路冗余切换，实现了动态容错信道下数据传输的实时性与可靠性。
2 控制装置架构
该文设计的网络系统控制信息采集、逻辑制作和输出采用的是二乘二取二的安全计算机架构，具体组成如图2所示。
硬件只支持24 V信号的采集，所以外围输入需先经过继电器完成100 V到24 V的转化后才能被安全计算机部件采集。采用双机热备冗余，每个安全计算机结构中都含有双CPU，即由“主CPU”和“从CPU”两个CPU组成，仅主CPU的输出连接到外围输出接口。“主CPU”和“从CPU”两者运行程序完全一致，分别根据指令输入数据进行逻辑运算，按规定周期时间进行输入至输出的转化，形成输出结果后送出，同时接收来自对方的输出数据，与自身数据进行比较，当两者数据一致，方可输出正确的控制信息；
当数据不一致时输出异常，封锁异常安全计算机输出并通过切换实现输出通道变更。此种设备级和通道级的冗余结构可大幅提升网络系统控制功能的安全性和可靠性。
3 控制策略与优化设计
控制信息的制作和传输对精度与时延性有着非常严格的要求。针对列车各子系统执行情况和网络系统各部件的传输周期，结合安全计算机输入输出各逻辑的合理性确认，制定了如下控制策略：
（1）指令输入数据以2.5 ms为周期进行一次采样，当连续采样2次数据相同时才采信，即相当于从输入上增加了2.5 ms滤波以抗干扰。
（2）数据采集后进行信号的判断与制作，并以10 ms为周期进行逻辑输出。
（3）每个安全计算机均进行主从CPU输出数据的一致性判定，当不一致的结果持续时长达到规定时间后（该方案为2 s），将输出异常，并对外切断该安全计算机的输出，实现故障单点主动隔离，由设备的另一个安全计算机接替工作，不影响其他计算机和通道的控制功能。
3.1 故障锁定分析
通过列车实际情况的测试，发现正常情况下各控制信息的输入脉冲宽度基本均在50 ms以上。但基于安全导向，软件设计需考虑车辆各异常干扰的极端工况（实际在车辆运行过程中确实发生过由于外界异常输入导致安全计算机锁定的情况，造成无法控车的重大安监故障），需针对导致双CPU比较不一致的情况做全方位考量，特此将以下各种异常干扰作容错分析，避免不一致时间达到2 s时启动安全保护，锁定计算机，停止对外输出的情况，提升车辆控制安全性和可靠性。
（1）当外界干扰出现单脉冲波形时，可能造成CPU1和CPU2输出10 ms不一致，但无法持续200个周期（2 s），所以不会触发2 s不一致保护。
（2）当外界出现非规律性连续2.5～10 ms脉宽的波形干扰时，只要在2 s内200次干扰中有一次不满足2.5～
10 ms或干扰的周期间隔不是10 ms，均不会触发2 s不一致保护。
（3）当外界出现有规律性连续2.5～10 ms脉宽的波形干扰时，有可能CPU1和CPU2采样值一直不一致，当每10 ms比较时，用该CPU当前值与其他CPU上一次值（比较时刻其他CPU的新值还未产生并输入到自CPU）比较，也可以造成CPU1和CPU2输出10 ms不一致，持续2 s就会触发不一致保护，如图3所示。
（4）当外界干扰出现10 ms周期及以上脉宽的波形时，由于两个CPU的任务周期为10 ms，因此均能正常采集到输入信号，不会出现不一致的情况。
（5）当外界干扰出现2.5 ms为周期的波形时，由于继电器的特性无法跟随响应，仅能响应≥5 ms为周期的波形。继电器特性如图4所示。
图4 继电器动作特性
根据大量的试验测算，由于继电器的闭合和恢复时间均＞2 ms，即闭合+恢复＞4 ms，通过给定不同周期的外部输入，过继电器后最小的周期在5 ms左右，不会产生2.5 ms周期的情况。即当外部输入周期在5 ms以上时，过继电器前和过继电器后的波形情况一致，但当外部输入周期小于5 ms后，过继电器后的波形将不会与外部输入周期保持一致。试验结果如表1所示。
序号1对应情况过继电器后的示波器监测结果周期如图5所示、脉宽如图6所示（备注说明：24 V光耦信号采集，当电压从工作电压被拉低时认为是高电平输入）。
所以当外界干扰输入短脉冲周期为最小采样周期2.5 ms时，过继电器后的不一致比较情况如图3所示，若为规律性的脉冲输入，持续2 s就会触发不一致保护。
综上所述，各种异常干扰情况带来的结果分别如下：
（1）外界出现偶发性单脉冲干扰或非规律性连续脉冲干扰或10 ms脉宽及以上的波形时，制定的软件控制策略均可以规避安全计算机锁定。
（2）外界出现规律性连续周期≥5 ms，10 ms＞脉宽≥2.5 ms的波形，继电器可以响应此周期，当不一致持续2 s，将导致安全计算机锁定。
（3）外界出现规律性连续周期＜5 ms，脉宽＞0 ms的波形，继电器无法响应此周期，经过继电器后周期会放大，此情况和第2点现象类似，当不一致持续2 s，可以导致安全计算机锁定。
3.2 控制方法优化
当外界出现规律性连续脉冲干扰时，造成CPU1和CPU2连续2 s不同且数值固定的情况，细分成2.5 ms采样（每两个周期采样一致才会信任）：
（1）10 ms结果为0的可能有如下7种情况：0000，
0001，0010，0100，1000，1001，1100。
（2）10 ms结果为1的可能有如下7种情况：0011，
0110，0111，1011，1101，1110，1111。
（3）10 ms输出结果保持比较不一致的可能有如下2种情况：01、10。
因此规律性连续脉冲干扰的产生的不一致可能有 7×7×2=98种情况。此情况相当于每2.5 ms的采样均无变化，才会在两次采样后信任为0或1。所以在原2 s不一致诊断策略基础上，再增加连续2 s中2.5 ms的所有采样不变化，将大幅缩小锁定可能。
总结：当增加2 s内，800次采样一致作为锁定条件，能将锁定周期限制至2.5 ms以下，同时由于继电器的动作特性，即使外界有小于2.5 ms周期输入继電器也无法实现周期小于4 ms的动作频率，所以任意规律脉冲干扰在外界输入，均无法在CPU侧产生2.5 ms以下的周期输入信号，排除外界输入导致安全计算机锁定。
3.3 运用效果验证
为验证控制策略的全面可靠性，对安全计算机各输入点位均进行了不同周期和脉宽干扰的测试，使用示波器监测外界输入干扰波形，同步利用协议分析仪监测数据链路层的控制信息输出数据是否正常。以下为部分实验情况的对比说明（外部输入干扰模拟如图7所示，控制方法优化前如图8所示，优化后如图9所示）。
试验结果表明，外界各种周期和脉宽规律性连续干扰的波形不会导致安全计算机触发锁定，验证了该优化方案的有效性，确保控制方法的完整性和可靠性，进一步保障了行车安全。
4 结语
该文通过分析CRH2系列动车组车载网络系统结构，设计了一种基于安全计算机架构的软硬件控制方案。双机热备冗余双CPU安全监测的架构保证了控制功能的安全性和可靠性基础，软件控制策略结合各异常工况综合考虑的优化控制方法，有效识别了控制盲区，提升了控制功能的全面性，也为后续车辆控制提供了很好的示范。目前该软硬件控制方案已广泛应用于1 100余列CRH2系列动车组，充分保障了动车组的稳定运营。
参考文献
[1]刘昭翼. 车载网络控制系统数据流优化方法研究与实现[J]. 现代信息科技， 2022（9）：
121-125.
[2]王奇. 轨道交通安全相关系统安全完整性的探讨[J]. 机车电传动， 2015（2）：
1-3+9.
[3]霍芳， 刘群欣， 张森. CRH2型高速列车网络控制系统的创新研究与实现[J]. 机车电传动， 2014（4）：
21-23+52.
[4]聂晓波， 王立德， 申萍， 等. ARCNET网络系统实时性能分析与研究[J]. 铁道学报， 2011（1）：
58-62.
