地铁车辆LCU冗余技术探讨

机
　电　工　程　技　术　第
４９卷　第０８期ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　
Ｖｏｌ ４９　Ｎｏ ０８
２０２０－０４－０８
ＤＯＩ：
１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００９－９４９２ ２０２０ ０８ ０９３　
魏调忠．地铁车辆ＬＣＵ冗余技术探讨［Ｊ］．机电工程技术，２０２０，４９（０８）：２７８－２８０
地铁车辆ＬＣＵ冗余技术探讨
魏调忠
（佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东佛山
　５２８０００）摘要：广佛地铁既有列车的低压控制系统采用传统的继电器控制方式，其故障率高且运维难度大。

为了提高列车可靠性，提出对增购车低压控制系
统进行改良，结合列车控制系统的特点，在列车关键控制电路采用“二乘二取二”的冗余框架，非关键电路采用“双机热备”冗余的方式，满足
了关键控制回路的高冗余需求，同时保障了ＬＣＵ整体可用性和经济性。

关键词：地铁车辆；ＬＣＵ；冗余技术
中图分类号：Ｕ２３１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－９４９２（
２０２０）０８－０２７８－０３ＤｉｓｃｕｓｓｔｉｏｎｏｎＬＣＵＲｅｄｕｎｄａｎｃｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｅｔｒｏＶｅｈｉｃｌｅｓ
ＷｅｉＴｉａｏｚｈｏｎｇ
（ＦｏｓｈａｎＲａｉｌｗａｙＩｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＧｒｏｕｐＣｏ ，Ｌｔｄ ，Ｆｏｓｈａｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５２８０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｒｅｌａｙｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｔｒａｉｎｓｉｎＧｕａｎｇｆｏｍｅｔｒｏ，
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ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄｅｎｓｕｒｅｄｔｈｅｏｖｅｒａｌｌａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｃｏｎｏｍｙｏｆＬＣＵ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｒｏｖｅｈｉｃｌｅ；ＬＣＵ；ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
０
引言
广佛线是城际间的地铁线路，横跨广州、佛山两市五区，自２０１０年投入运营以来成为了广佛两市间的交通大动脉，为广佛同城发挥了重要的作用。

随着２０１８年底全线的贯通运营，客流量也急剧攀升，也给广佛线的运营提出了更高的要求。

广佛线目前配属列车共计有５１列，其中一期２７列、二期６列，均采用２动２拖编组。

广佛线既有列车低压控制系统采用传统继电器控制的方式，根据功能和应用场景，装有５个厂家共计１６种类型的继电器，每列车的继电器数量超过２００个，其中有超过６００个触点被使用。

继电器是列车控制系统的关键组成部件，其动作频繁并缺乏冗余功能，并且长期在高温、潮湿、振动等环境中工作，故障率高且影响大。

广佛一期列车运营１０年以来，平均每年继电器故障约３０起，占列车正线故障的６０％，严重影响了线路的运营服务质量。

由于继电器属于被动元件，其不具备故障自检功能，地铁运营单位难以有效地对继电器状态进行检测。

目前，仅能通过采取每年定期排查，通过按继电器的重要程度进行分级，采取三年、五年等周期进行定期更换等手段进行计划性维修，不仅维护工作量大，而且维护成本过高。

为解决广佛线既有列车继电器故障高的难点，广佛地铁公司在新增购的１８列车中采用ＬＣＵ技术，并充分提升ＬＣＵ的冗余性能，保障列车低压控制系统的安全性和稳定性。

１ＬＣＵ
冗余技术
随着ＬＣＵ技
术的发展，系统的冗余性能也呈现多样化。

目前，先进的冗余架构主要分为“双机热备”、“三取二”和“二乘二取二”等３种方式。

１ １“双机热备”架构“双机热备”系统由２组功能完全相同且可互换的子系统组成，采用同时上电热备的方式，每个子系统都具有故障检测和诊断功能，其安全性能等级为ＳＩＬ２［１
］。

在运行过程
中，２个子系统的运行结果不进行比较，当其中一组出现故障将无缝切换到另一组进行正常工作，降低ＬＣＵ故障对列车的运行影响，其主要控制结构如图１所
示。

图１　“
双机热备”冗余的控制结构图１ ２
“三取二”架构“三取二”冗余架构是一种三通道系统，主要由功能完全独立的３组子系统组成，并在输出部分加入表决电路，各系统经过逻辑判断后输出结果由表决器进行判断，只要３个子系统中的任何２个
的输出一致，则对外输出或传输运算结
果，其安全性能等级为ＳＩＬ２［２］。

相比“双机热备”，“三取二”冗余架构在增设一组控制单元的基础上增加了运算结果的表决环节，提升了逻辑运算结果的可靠性，其主要控制结构如图２所示。

图２　“三取二”冗余的控制结构图
１ ３“二乘二取二”架构
“二乘二取二”冗余框架是在“双机热备”冗余系统的基础上，通过增设诊断单元形成“二取二”系统，并由两个“二取二”子系统组成“二乘二取二”冗余框架［３］。

“二取二”子系统是指在一套系统上集成２个处理器单元，严格同步，实时比较，只有当２个单元运行一致时，才对外输出或传输运算结果。

两个“二取二”子系统间互为热备冗余，构成具有更高冗余性能的特殊双机热备冗余系统，其安全性能等级最高可达ＳＩＬ４［４］。

其主要控制结构如图３所示。

图３　“二乘二取二”冗余的控制结构图
１ ４三种冗余架构对比分析
从结构原理、故障降级、安全等级和成本等方面看，“双机热备”冗余框架能在满足功能需求的前提下提供了基础的冗余功能，成本相对较低；“三取二”冗余框架的安全性相对较高，但“三取二”和“双机热备”冗余系统由于背板不一致，无法兼容；“二乘二取二”冗余框架同时兼顾了系统的安全性和可靠性，同时可与“双机热备”相兼容，但在３个冗余框架中成本最高。

各冗余框架的主要对比如表１所示。

表１　３种冗余架构的对比
项目对比
安全性双机热备＜三取二≈二乘二取二
可靠性双机热备＜三取二≤二乘二取二
可用性双机热备＜三取二＜二乘二取二
硬件复杂程度双机热备＜三取二＜二乘二取二
软件复杂程度双机热备＜二乘二取二＜三取二２广佛线增购列车ＬＣＵ冗余技术与应用
２ １广佛线增购列车ＬＣＵ方案
目前，国内地铁列车中应用的ＬＣＵ一般采用“双机热备”冗余设计，具备Ａ、Ｂ两组软硬件完全一致的子系统［５］。

在双冗余系统中，如果发生逻辑应用功能异常、软件ｂｕｇ及板卡硬件等偶发故障后，有可能会导致ＬＣＵ对外的业务功能错误，从而影响列车正常运行，迫使列车退出服务［６］。

为降低“双机热备”冗余框架失效对列车关键控制回路的影响，同时兼顾ＬＣＵ的可用性和成本，广佛线增购列车采用“双机热备”与“二乘二取二”组合的ＬＣＵ技术，通过在普通非关键的控制逻辑中采用“双机热备”的冗余框架，在牵引、制动等关键控制逻辑中采用“二乘二取二”的冗余框架，有效地兼顾了系统的安全性和经济性。

如图４所示。

图４　广佛增购列车ＬＣＵ安装及网络拓扑图
２ ２兼容“双机热备”与“二乘二取二”冗余的数字输入输出模块冗余
广佛线增购列车的ＬＣＵ采用标准机箱结构，结构上采用
３Ｕ机箱，如图５所示。

每个ＬＣＵ机柜设置ＩＯ通道１２０个（输入６８个，输出５２个），其中“二乘二取二”输入１２路，
“双机热备”输入５６路；“二乘二取二”输出１２路，“双机热备”输出４０路。

相邻的两块ＩＯ板互为冗余，相同类型的ＩＯ板卡间有可互换性。

图５　广佛增购列车ＬＣＵ机箱结构
广佛线增购列车采用“二乘二取二”冗余框架的关键控制逻辑，包含牵引制动指令、牵引安全、紧急制动等９个方面，主要控制回路如表２所示。

表２　广佛线增购列车“二乘二取二”的应用范围
序号“二乘二取二”冗余控制回路
１列车激活控制（低压）
２受流控制（高压）
３司机室激活
４列车方向
５牵引制动指令
６牵引允许
７牵引安全
８紧急制动
９所有制动缓解
魏调忠：地铁车辆ＬＣＵ冗余技术探讨
“二乘二取二”冗余框架设计由４个相互独立的ＣＰＵ、输入输出模块等组成控制单元进行逻辑运算，每２个控制单元为一系，每个ＣＰＵ的运算结果采用二取二的表决方式进行输出处理，当表决一致时为有效，当表决并不一致时将触发故障自检，如表３所示，同时两个系之间互为双机热备冗余［７］。

表３　“二乘二取二”运算真值表
Ａ／Ｂ组模块１Ａ／Ｂ组模块２输出备注１１１无异常
１００故障自检
０００无异常
０１０故障自检
２ ３电源冗余
如图６所示，每个ＬＣＵ机箱内配置有两个冗余电源板，分别给机箱内Ａ／Ｂ两组板卡供电，并共同为所有通信板卡（包含ＭＶＢ板、ＥＴＨ板）供电，避免单个电源板卡故障对整个ＬＣＵ通信系统的影响［８］。

两组电源之间相互独立，采取独立的母线供电并设置独立的空气开关控制。

同时，电源板具有输出过／欠压保护、过温保护、输出过载保护、短路保护及故障自恢复等功能。

图６　广佛增购列车ＬＣＵ电源冗余结构示意图
２ ４主控板冗余
每个ＬＣＵ机箱均设计有２组主控板，分别负责对应组内各板卡状态的监控，实现逻辑的实时计算、故障保护、通信调度、日志记录以及维护等功能。

如果两个主控板逻辑运算结果不一致或某个主控板发生故障时，可根据系统的故障检测情况实时完成Ａ、Ｂ组主控板的主从切换，确保ＬＣＵ运行的安全性和可靠性。

２ ５通信冗余
如图７所示，ＬＣＵ机箱内部的网络采用ＣＡＮ总线冗余设图７　广佛增购列车ＬＣＵ通信冗余结构示意图计，所有的功能板件均带有两个独立的ＣＡＮ通信模块，通过背板总线分别连接至两条相互独立的ＣＡＮ总线上。

正常工作状态下，两路ＣＡＮ总线同时参与通信。

当其中任意一个ＣＡＮ异常时，系统会维持另一路ＣＡＮ总线运行，确保数据的正确传递。

３结束语
广佛线增购列车通过采用ＬＣＵ替代继电器进行低压回路的控制，从根本上杜绝了因继电器卡滞、接触不良等异常导致列车控制失效的情况，提升了列车控制电路的可靠性，并很大程度上降低了列车控制回路中全寿命周期的运维成本。

广佛线增购列车的ＬＣＵ系统在“双机热备”冗余的基础上，在关键逻辑控制中采用更安全的“二乘二取二”冗余框架，避免了温度异常、电源波动等共因失效导致的系统异常，进一步提升了ＬＣＵ的安全性和可靠性。

此外，广佛线增购列车的ＬＣＵ在设计上采用双电源冗余供电、ＣＡＮ总线冗余通信等方式，减少了单点故障对系统功能的影响，提升了地铁列车控制电路的整体可靠性，对提升广佛线的运营安全和服务质量，以及提升乘客的乘车体验发挥着重要的作用。

参考文献：
［１］李昌强．地铁ＬＣＵ逻辑控制技术的应用研究［Ｊ］．技术与市场，２０１７（６）：１０５－１０６．
［２］郑玄，何晔．城轨列车三取二逻辑控制单元设计［Ｊ］．电力机车与城轨车辆，２０１９，４２（６）：２１－３０．
［３］侯文军．深圳地铁列车下一代ＬＣＵ技术创新方案［Ｊ］．电力机车与城轨车辆，２０１９，４２（３）：５８－６７．
［４］张永贤，邹力棒．二乘二取二系统的一种新降级策略研究［Ｊ］．华东交通大学学报，２０１７，３４（５）：９９－１０５．［５］吕强．地铁列车ＬＣＵ系统技术发展与应用［Ｊ］．科技创新导报，２０１６，１３（２８）：１－２．
［６］李小庆，吴金贤．深圳地铁９号线列车ＬＣＵ的安全性设计与评估［Ｊ］．电力机车与城轨车辆，２０１９，４２（２）：８２－８４．［７］张本宏，陆阳．“二乘二取二”冗余系统的可靠性和安全性分析［Ｊ］．系统仿真学报，２００９，２１（１）：２５６－２６１．［８］郑云富．基于热备冗余控制的地铁车辆逻辑控制单元应用研究［Ｊ］．现代城市轨道交通，２０１９（２）：５－９．
作者简介：魏调忠（１９８２－），男，甘肃武山人，硕士研究生，工程师，研究领域为地铁运营管理、车辆管理等。

（编辑：王智圣
）
２０２０年０８月 机电工程技术 第４９卷　第０８期。