论文部分内容阅读
摘要：全自动驾驶(Fully Automatic Operation, FAO)系统是一种将列车驾驶员的任务职能,完全由自动化的控制系统所替代的列车运行控制系统。在FAO系统中,列车上不再安排司乘人员,完全由列车自动驾驶(Automatic Train Operation, ATO)设备驾驶列车运行。ATO设备的故障将会对列车运行造成较大影响,因此对ATO设备的可靠性提出了更高的要求。为满足FAO系统对ATO设备的高可靠性需求,本文利用动态故障树法对不同结构车载设备可靠性进行了研究。并基于RM48微处理器完了双机热备冗余结构ATO的硬件设计和软件设计。最后搭建了用于测试ATO切换性能的测试平台,验证了切换机制的合理性。本文具体研究内容如下：(1)FAO系统车载设备可靠性分析。综合FAO系统及车载设备研究现状,分析了FAO系统车载设备的原理结构以及故障切换机制。并采用动态故障树法对双机热备冗余结构ATO结合不同结构ATP的车载设备可靠性进行了对比分析。分析结果表明,采用车头/尾冗余结构车载控制器(Vehicle on-Board Controller, VOBC)、三取二冗余结构列车自动防护(Automatic Train Protection, ATP)、双机热备冗余结构ATO的车载设备能够满足高可靠性需要,又具有较好的经济性。(2)双机热备冗余结构ATO的硬件设计。RM48芯片是业界首款基于ARMCortex-R4F的双核浮点锁步安全微处理器,它利用自身硬件结构实现在线诊断功能以监测芯片内部故障。RM48芯片通过SIL3安全标准认证。基于RM48设计了双机热备冗余结构ATO,与其它双机热备方案不同的是,该设计不但可以实现对RM48微处理器的工作状态进行实时监测,而且还能够对CAN通信状态进行监测。(3)双机热备冗余结构ATO的软件设计。软件设计是保证主备机之间的切换和数据同步的重要条件。本文通过检测CAN总线消息ID来判断处理单元A和处理单元B的工作状态,并采用基于任务的同步方式来保证切换过程的平稳性。(4)搭建ATO测试平台,测试ATO切换性能。由于ATO能够实现对处理单元微控制器工作状态和CAN通信状态进行监测,本文借助ATO测试平台,通过硬件故障注入法,验证了微处理器和CAN通信故障引起的切换性能。以上研究表明,采用双机热备冗余结构ATO的VOBC可靠性指标MTBF均高于105小时,达到了北京机场线FAO系统VOBC的可靠性指标MTBF>2.5×105小时。与此同时,切换测试验证了ATO能够实现无缝切换,切换时间小于ATO工作周期(200ms),满足设计要求。