CN106094665A - 一种故障安全型道口主控单元、控制柜以及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种故障安全型道口主控单元、控制柜以及控制系统。故障安全型道口主控单元包括两块CPU板、三块采集板、四块或五块驱动板及一块电源板；两块CPU板互为热备关系；每块CPU板包括两块MCU，分别进行运算并进行任务级对比，对比一致时输出结果；采集板与驱动板均采用双MCU运算，进行任务级对比一致再输出。故障安全型道口控制柜包括通知复示继电器、电源模块、室外设备接口板模块及故障安全型道口主控单元。故障安全型道口控制系统包括道口控制表示盘、室外设备及故障安全型道口控制柜。本发明实施例通过应用二乘二取二技术，提高道口系统安全性及可靠性。

Description

一种故障安全型道口主控单元、控制柜以及控制系统

技术领域

本发明涉及铁路道口控制技术领域，具体而言，涉及一种故障安全型道口主控单元、控制柜以及控制系统。

背景技术

目前，各种遥控栏木、自动信号、障碍物自动探测装置以及故障集中监视装置，正在广泛应用于铁路道口的防护。在欧洲，铁路网发达，道口密度大，事故风险也相对比较高。比较有代表性的英国，通过研制平交道口预测器(Level crossing predictor,简称LCP)，其中两边轨道的端点处各装一个无源转辙器，当列车通过时，轨道电路的阻抗和电压会线性改变，反映列车接近道口的位置并计算列车的速度，确定列车经过道口的时间，从而产生报警。上述系统的价格十分昂贵，且其轨道电路与中国的轨道电路也有诸多不同之处。

我国铁路平交道口的科技水平还比较低，基本处于发达国家五十、六十年代的水平，只有少部分道口安装了道口防撞装置，但利用率不是太高。好一些的配备了电话、警铃、信号机、护栏等，差一些的只有两个护栏。道口来车管理大多还是处于靠电话通知和道口工眺望的状态，遇到天气状况不好，或是电话线路不畅的时候，就埋下了事故隐患。因此，能够将先进科技应用到道口设施的改造中，根据现实情况因地制宜，研发具有实用性，安全性，可靠性的道口系统是十分有意义的。

我国的道口改进研究多数受到经济、环境等条件限制并没有得到充分应用，而且系统的可靠性及安全性没有得到充分的评估及验证。在我国企业所参与的海外铁路项目中，平交道口的数量普遍较多。然而，我国的铁路信号工程设计领域既缺乏应对密集道口的经验，缺乏更先进，更成熟的道口系统设计方案，无法满足海外铁路项目实际情况对平交道口安全性及可靠性的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种故障安全型道口主控单元、控制柜以及控制系统，能够将先进科技应用到道口设施中，能应对于密集道口，降低道口事故发生率，以实现实际情况对道口系统安全性及可靠性的要求。

第一方面，本发明实施例提供了一种故障安全型道口主控单元，包括两块中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)板、三块采集板、四块或五块驱动板及一块电源板；

所述两块CPU板互为热备关系；每块所述CPU板包括两块单片机(MicrocontrollerUnit，简称MCU)，所述两块MCU分别进行运算，并对运算进行任务级对比，当所述对比一致时，输出最终对比结果；

所述采集板与所述驱动板也均采用双MCU运算，进行任务级对比，一致后再输出。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述CPU板用于接收采集板的状态变化并作出相应逻辑运算，将控制命令发送到驱动板，每块所述CPU板中的两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述采集板用于实时采集道口控制表示盘按钮状态、栏木机位置状态和道口上下行列车接近状态，并将采集结果发送到CPU板进行逻辑运算，每块所述采集板中的两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述驱动板用于接收CPU板的运算结果并处理，驱动相应外部设备动作，每块所述驱动板中的两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算。

第二方面，本发明实施例还提供一种故障安全型道口控制柜，包括通知复示继电器、电源模块、室外设备接口板模块以及上述故障安全型道口主控单元。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，道口信号系统对道口设备控制采用电子模式。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述通知复示继电器为N型重力继电器，用于复示联锁系统上行与下行列车接近通知。

第三方面，本发明实施例还提供一种故障安全型道口控制系统，包括道口控制表示盘、室外设备以及上述故障安全型道口控制柜。

结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，所述故障安全型道口控制系统与联锁系统相关联，栏木位置接点与联锁的接口电路相串联，联锁系统提供列车接近信息。

结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第二种可能的实施方式，其中，所述道口控制表示盘用于表示道口设备实时状态。

本发明带来了以下有益效果：本发明提供的一种故障安全型道口主控单元，包括两块CPU板、三块采集板、四块或五块驱动板及一块电源板：两块CPU板互为热备关系，当主用CPU板故障时，备用CPU板自动升级为主用状态；每块CPU板包括两块MCU，两块MCU分别进行运算，并对运算进行任务级对比，当对比一致时，输出最终对比结果；采集板与驱动板也均采用双MCU运算，进行任务级对比，一致后再输出。通过CPU板、采集板和驱动板的双MCU进行多次任务级对比，对比运算一致后才输出，从而达到提高任务命令的准确性。通过两块CPU板互为主备状态，实现对关键部件或功能进行重复配置，能够及时进行应急处理，由此减少系统的故障时间。利用上述结构与软件设计，保障了系统安全性能的检验，能够降低道口事故发生率，实现提高道口系统的安全性与可靠性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种故障安全型道口主控单元的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种故障安全型道口主控单元中的CPU板结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种故障安全型道口控制柜的结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种故障安全型道口控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前我国的铁路信号工程设计领域既缺乏应对密集道口的经验，缺乏更先进，更成熟的道口系统设计方案，无法满足实际情况对平交道口安全性及可靠性的要求。基于此，本发明实施例提供的一种故障安全型道口主控单元、控制柜以及控制系统，可以将先进科技应用到道口设施中，能应对于密集道口，降低道口事故发生率，以实现实际情况对道口系统安全性及可靠性的要求。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例提供了一种故障安全型道口主控单元10，包括两块CPU板11、三块采集板12、四块或五块驱动板13及一块电源板14。

CPU板11是道口控制逻辑主运算单元，用于接收采集板的状态变化并作出相应逻辑运算，将控制命令发送到驱动板，每块CPU板包括两块MCU，两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算，每块MCU配合相应CPU板功能软件，完成子系统功能。

具体的，故障安全型道口主控单元10有两块CPU板，每块CPU板除了包括以上两块MCU进行道口逻辑对比运算，还包括另一块MCU，进行日志存储、网口通信等非安全功能运算，也采用TITMS570芯片。每块MCU配合相应CPU板功能软件，完成子系统功能。CPU板接口有LED指示灯、一个RJ-45网络接口，两个485串口及发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)指示灯,一个与道口控制表示盘(control indication panel,简称CIP)通信，一个预留。

两块CPU板互为热备关系，当主用CPU板故障时，备用CPU板自动升级为主用状态；每块CPU板包括两块MCU，两块MCU分别进行运算，并对运算进行任务级对比，当对比一致时，输出最终对比结果；采集板与驱动板也均采用双MCU运算，进行任务级对比，一致后再输出。

如图2所示，主控单元机笼插有两块CPU板，每块板上分别有两枚MCU，采集到的命令同时进入这4枚MCU里，MCU21与MCU22，MCU23与MCU24，两两进行对比，得出的结果即两块CPU板的结果，两块CPU板卡互为热备关系，主用CPU板与备用CPU板均进行实时运算，最终下达运算结果由主用CPU板卡完成，最后取得一个安全值，保障铁道路口的安全。

通过核心处理器结构采用以上双CPU板主备且每块板卡包括两枚MCU进行任务级对比的方式，实现了二乘二取二的技术效果。

CPU板的二乘二取二结构包括两个部分:

第一个是双CPU板主备：双CPU板主备状态通过控制器局域网络总线(ControllerArea Network,简称CAN)进行信息交互；双CPU板启动时，两块CPU板优先作主机；双CPU板之间不作逻辑运算对比，只同步必要数据及监测系统状态；双CPU板启动后，均接受采集板采集信息、驱动板回采信息，只有主机向驱动板发送驱动命令；系统不支持热插拔操作；当主机CPU板出现故障时，备机CPU板监测到主机CPU板故障自动转换为主机状态，并通过操作终端进行报警；当采集板及驱动板检测到与双CPU板都失去连接时，应切断输出。

第二个是每块板卡包括两块MCU进行任务级对比：两块MCU分别接受来自采集板的采集信息以及驱动板的回采信息；双MCU在进行道口逻辑运算时，进行任务级对比；双MCU之间通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface,简称SPI)安全通信进行数据传输。

因此，CPU板的主要功能有：接收来自采集板的节点状态及采集板报警信息；双CPU板构成二乘二系统结构，具备主备倒切功能；运行道口逻辑运算并进行双CPU任务对比，并输出驱动板控制命令；接收驱动板回采信息及电流信息，并根据回采信息对下达的命令执行情况进行监督；负责道口逻辑运算。

如图1所示，采集板12用于实时采集道口控制表示盘按钮状态、栏木机位置状态和道口上下行列车接近状态，负责将采集到的状态经双MCU对比后，将结果实时发送发送到CPU板进行逻辑运算，每块所述采集板中的两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算。

具体的说，主控单元机笼插有3块采集板，分别采集CIP表示盘按钮状态、栏木机位置状态、列车接近状态。每块采集板可以采集16路节点状态。每块采集板包括2块MCU。每块CPU配合对应采集功能软件，完成子系统采集功能。

采集板前面板包含一个F48欧式接插件插针接口及LED指示灯，LED指示灯从上到下依次为电源指示，报警，2个CAN通信，16路采集状态指示。采集板从硬件组成上，划分为核心板和底板。采集板核心板与CPU板使用统一的核心板。

如图1所示，驱动板13是控制系统的驱动单元，用于接收CPU板的运算结果并处理，驱动相应外部设备动作，每块驱动板中的两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算。

具体的说，主控单元机笼插有四块或五块驱动板，每块驱动板可以驱动10路开关节点。每块驱动板包括两块MCU，两块MCU接收到CPU板控制命令后，经双MCU对比命令一致后，控制驱动电路驱动节点开关状态。回采驱动继电器节点状态，经双MCU对比一致后，实时发送回采状态到CPU板。每块MCU配合相应驱动功能软件，完成子系统驱动功能。

驱动板前面板包含LED指示灯及一个F48欧式接插件插针接口，LED指示灯从上到下依次为电源指示，报警，2个CAN通信，10路驱动状态指示。

驱动板数量根据道口栏木机数量进行配置，道口四架栏木机，配置4块驱动板；道口六架栏木机，配置安装5块驱动板。驱动板板载继电器采用松下SFS2-DC24安全型继电器，本继电器为强制导向安全型继电器。

驱动板与外部设备的接口主要有：道口关闭继电器；栏木机升降杆控制节点；信号机点灯控制节点；蜂鸣器、室内电铃、室外喇叭控制节点。

如图1所示，主控单元机笼插有一块电源板14，电源板包括两块独立电源模块，两电源模块并行工作，为机笼内其它板卡提供稳定DC24V电源。电源板包含两个AC220V电源接口、两个电源指示灯及开关，用于通过背板为整个机笼提供DC24V电源。

本发明提供的故障安全型道口主控单元10，包括两块CPU板11、三块采集板12、四块或五块驱动板13及一块电源板14；两块CPU板互为热备关系，当主用CPU板故障时，备用CPU板自动升级为主用状态；每块CPU板包括两块MCU，两块MCU分别进行运算，并对运算进行任务级对比，当对比一致时，输出最终对比结果；采集板与驱动板也均采用双MCU运算，进行任务级对比，一致后再输出。通过CPU板11、采集板12和驱动板13的双MCU进行多次任务级对比，以及两块CPU板11的最终对比运算结果一致后才输出，从而达到提高任务命令的准确性；出于系统安全和可靠性方面的考虑，两块CPU板11采用双机热备的互为主备方法，人为的对一些关键部件或功能进行重复的配置，此备用CPU板用于应急处理：当系统发生故障时，重复配置的备用CPU板可以作为备援，及时介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。利用此结构与软件设计，保障了系统安全性能的检验，能够降低道口事故发生率，实现提高道口系统的安全性与可靠性。

实施例二：

如图3所示，本发明实施例提供了一种故障安全型道口控制柜30(Main ControlCabinet,简称MCC)，包括故障安全型道口主控单元31、通知复示继电器32、室外设备接口板模块33以及电源模块34。故障安全型道口控制柜30在室内，为道口核心部分的控制技术与设备，除与联锁系统接口外，道口信号系统对道口设备控制采用全电子模式。

通知复示继电器32为N型重力继电器，用于复示联锁系统上行与下行列车接近通知。复示继电器从左到右分别为：第一上行接近、第二上行接近、第一下行接近、第二下行接近。保证在无列车接近的情况时继电器吸起，在有列车接近的情况时继电器落下。道口控制柜内，与复式继电器同一排安装有2个功放，用于驱动室外喇叭。

室外设备接口板33用于直流电源及空开，道口控制柜最下层为道口控制设备电源部分，包括DC24V电源、DC24-48V可调电源、DC48V电源。

本发明提供的故障安全型道口控制柜30，包括故障安全型道口主控单元31、通知复示继电器32、室外设备接口板模块33以及电源模块34。通过复示继电器复示联锁系统上行与下行列车接近通知，从而达到在无列车接近的情况时继电器吸起，在有列车接近的情况时继电器落下。

实施例三：

如图4所示，本发明实施例提供了一种故障安全型道口控制系统40，包括故障安全型道口控制柜41、道口控制表示42、以及室外设备43。

故障安全型道口控制系统40与联锁系统相关联，利用联锁系统提供列车接近信息。同时将道口状态通过联锁条件通知继电器反映给联锁，减少了人为操作引起事故的可能性，进一步提高了系统的可靠性与安全性。根据接口要求，系统从联锁通过接口继电器获得列车接近通知条件，控制室内室外设备报警，同时将道口状态反馈至联锁，由联锁控制列车运行。

在与联锁的接口电路中，栏木位置接点与联锁的接口电路相串联，作为判断道口是否关闭的依据，即判断列车是否通过时加入栏木位置的条件，用于道口接近通知报警、控制公路信号机及道口栏木，加强了系统的可靠性和安全性。

在有联锁通知情况下，即列车接近或进路办理时，栏木不能升起，栏木升起过程中有新的列车接近通知应保证栏木能正常升起；当栏木全部放下时，列车联锁才会接到可以通过道口的信息。

道口CIP控制表示盘用于表示道口设备实时状态，道口控制表示盘设置于道口房控制台上，将道口状态实时的反应到CIP表示盘上，值班员可以直观的观察到道口系统的状态。

道口控制表示盘包括触摸屏主机及控制按钮，按钮电路直流供电线及触摸屏主机供电线由机柜引出，道口控制表示盘设置于道口控制室控制台上，采用液晶显示屏幕对道口设备状态进行表示。

室外设备包括栏木机、公路信号机与喇叭。

故障安全型道口控制系统具有道口接近通知报警、控制公路信号机及道口栏木功能。道口接近通知报警:道口系统通过接口继电器与联锁系统接口，当列车从任何方向接近道口时，联锁系统根据道口接近区段的占用条件或通过道口进路的建立条件，给道口信号系统发送列车接近通知报警信息:道口信号系统根据列车接近通知信息，自动发出道口室内和室外的列车接近通知报警。室内采用电铃方式，室外采用扬声器；当上行、下行均有列车接近道口时，道口信号系统能持续或再次发出列车接近通知报警；道口室内的列车接近通知报警通过看守员按压道口控制盘上的确认按钮取消；室外报警通过检测到栏杆落到位后，自动切除报警，如果栏杆不能落到位，则在列车接近预告信息清除后，自动切除报警；列车再次接近时，室内、室外同时报警，通过按下室内确认按钮，同时切除室内、室外报警。

故障安全型道口控制系统的道口最小开放时间:为保证公路车辆及行人的通行效率，系统设置道口最小开放时间。栏杆离开水平位置时,系统立即触发最小开放时间计时器。在最小开放时间内(暂定60秒，可配置)，道口系统不处理列车接近预告，此时如果有接近通知，液晶屏显示列车接近，但系统不发出室内室外声音报警，不能放下栏木，直到最小开放时间结束。

故障安全型道口控制系统40结构包括硬件结构和软件结构：硬件部分包括核心控制主机系统、控制接口电路和室外设备；所述软件部分位于核心控制单元内部，主要用于系统输入采集、逻辑判断和控制输出。其中，故障安全型道口主控单元为系统的核心。

故障安全型道口控制系统可以改变采集及驱动口的配置，从而适应各种道口的不同需求，如设备数量或种类不同等情况。

本发明提供的故障安全型道口控制系统40，包括故障安全型道口控制柜41、道口控制表示42、以及室外设备43。通过把道口信号设备与电子联锁设备一体化，降低道口事故发生率。道口控制系统由硬件对比结构及软件设计，保证了在有联锁通知的情况下即列车接近或进路办理时，栏木不能升起，从而达到系统处于任何状态下均不会给出危险侧输出，达到了铁路标准中SIL4的最高等级认证。系统在正常和故障状态下，均不能给出危险侧输出，即栏木未在水平位置时，联锁通知条件继电器吸起。

需要注意的是，在本发明实施例的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种故障安全型道口主控单元，其特征在于，包括两块CPU板、三块采集板、四块或五块驱动板及一块电源板；

所述两块CPU板互为热备关系；

每块所述CPU板包括两块MCU，所述两块MCU分别进行运算，并对运算进行任务级对比，当所述对比一致时，输出最终对比结果；

所述采集板与所述驱动板也均采用双MCU运算，进行任务级对比，一致后再输出。

2.根据权利要求1所述的故障安全型道口主控单元，其特征在于，所述CPU板用于接收采集板的状态变化并作出相应逻辑运算，将控制命令发送到驱动板，每块所述CPU板中的两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算。

3.根据权利要求1或2所述的故障安全型道口主控单元，其特征在于，所述采集板用于实时采集道口控制表示盘按钮状态、栏木机位置状态和道口上下行列车接近状态，并将采集结果发送到CPU板进行逻辑运算，每块所述采集板中的两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算。

4.根据权利要求1或2所述的故障安全型道口主控单元，其特征在于，所述驱动板用于接收CPU板的运算结果并处理，驱动相应外部设备动作，每块所述驱动板中的两块MCU均采用TITMS570安全控制芯片，进行道口逻辑对比运算。

5.一种故障安全型道口控制柜，其特征在于，包括通知复示继电器、电源模块、室外设备接口板模块以及如权利要求1所述的故障安全型道口主控单元。

6.根据权利要求5所述的故障安全型道口控制柜，其特征在于，道口信号系统对道口设备控制采用电子模式。

7.根据权利要求5或6所述的故障安全型道口控制柜，其特征在于，所述通知复示继电器为N型重力继电器。

8.一种故障安全型道口控制系统，其特征在于，包括道口控制表示盘、室外设备以及如权利要求5所述的故障安全型道口控制柜。

9.根据权利要求8所述的故障安全型道口控制系统，其特征在于，所述故障安全型道口控制系统与联锁系统相关联，栏木位置接点与联锁的接口电路相串联，联锁系统提供列车接近信息。

10.根据权利要求8或9所述的故障安全型道口控制系统，其特征在于，所述道口控制表示盘用于表示道口设备实时状态。