基于軌道交通聯(lián)鎖控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

李 娟 ，陳 珊

（1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2. 廣州地鐵總公司 運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部，廣州 510308）

軌道交通實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能涵蓋了鐵路信號(hào)、運(yùn)輸和電務(wù)管理等專業(yè)，可滿足高校學(xué)生的要求。還可以作為鐵路局中職工培訓(xùn)的設(shè)備，用于提高行車設(shè)備操作人員職業(yè)技能。軌道交通實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有輔助教學(xué)，實(shí)際演練，科學(xué)普及和社會(huì)教育的功能，整個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)微縮的鐵路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，布局美觀、設(shè)備逼真，是展示鐵路新面貌、新科技、新氣象的最佳作品。

本文基于這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，研究聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)沙盤分為3個(gè)站場(chǎng)：交大站、紅果園站和駝峰站。

交大站是沙盤演示系統(tǒng)中最大的站場(chǎng)，其中I軌和II軌是與紅果園站相接的，交大站和紅果園站構(gòu)成2條環(huán)線，可以讓車在上面跑圈。3軌和5軌是通往駝峰編組站的軌道，順時(shí)針上坡，有6‰的坡度，如圖1。

圖1 交大站站場(chǎng)圖

駝峰站作為列車編組站場(chǎng)。編組站駝峰調(diào)車場(chǎng)頭部分為溜放進(jìn)路自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖2。

圖2 駝峰編組站站場(chǎng)圖

紅果園站是沙盤演示系統(tǒng)中的第二大站場(chǎng)，主路由I軌和II軌2個(gè)股道組成，進(jìn)站、出站上方都布置了信號(hào)機(jī)，如圖3。

圖3 紅果園站站場(chǎng)圖

通過設(shè)計(jì)聯(lián)鎖軟件控制信號(hào)機(jī)、進(jìn)路、道岔之間的聯(lián)鎖關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)的聯(lián)鎖功能。

1.1 防護(hù)信號(hào)機(jī)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用三顯示自動(dòng)閉塞情況。信號(hào)機(jī)上同時(shí)點(diǎn)亮的基本燈光，原則上不超過2個(gè)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用的基本信號(hào)顯示分為3類顏色：紅色：要求停車的信號(hào)；黃色：要求注意或減速運(yùn)行的信號(hào)；綠色：準(zhǔn)許按規(guī)定速度運(yùn)行的信號(hào)。

調(diào)車信號(hào)顯示顏色分為：月白色：準(zhǔn)許調(diào)車，或與紅燈組合為引導(dǎo)信號(hào)；藍(lán)色：禁止調(diào)車，或作為容許信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中，采用比較簡(jiǎn)單直觀易行的信號(hào)防護(hù)方法，對(duì)于通過信號(hào)機(jī)，一般情況下都開放著，當(dāng)某軌道區(qū)間有車占用時(shí)，防護(hù)該區(qū)間的通過信號(hào)機(jī)關(guān)閉，顯示紅燈；該區(qū)間之前一個(gè)區(qū)段的通過信號(hào)機(jī)顯示黃燈，提醒列車注意減速運(yùn)行；進(jìn)路上其他信號(hào)機(jī)，如發(fā)車接車信號(hào)機(jī)等，在初始狀態(tài)都使其顯示紅燈，只有在進(jìn)路確定后開放，允許列車通過，一旦列車進(jìn)入它所防護(hù)的區(qū)間后，應(yīng)立即關(guān)閉，顯示紅燈信號(hào)。對(duì)于調(diào)車信號(hào)機(jī)，一般情況下都開藍(lán)色燈，在調(diào)車進(jìn)路選擇確定后，該進(jìn)路內(nèi)允許開放的調(diào)車信號(hào)機(jī)開放，開白色燈。

1.2 基本電路

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系，對(duì)沙盤上運(yùn)行的軌道區(qū)間車輛占用信息的采集、道岔驅(qū)動(dòng)和表示的采集、進(jìn)路與信號(hào)的聯(lián)鎖關(guān)系成為了整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。經(jīng)過綜合分析，系統(tǒng)沙盤電路設(shè)計(jì)形成了現(xiàn)有的電路結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)采用軌道直接向機(jī)車提供直流電源；采用開路式交流軌道電路對(duì)軌道的占用和出清進(jìn)行檢測(cè)；采用磁環(huán)和干簧管完成對(duì)道岔定位、范圍表示的采集；編組站采用了自動(dòng)溜放控制系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)連接

采用3臺(tái)CONTEC工控機(jī)分別作為控制交大站、紅果園站、駝峰站的聯(lián)鎖機(jī)。把輸入輸出卡裝入對(duì)應(yīng)工控機(jī)并連接到相應(yīng)鐵路沙盤設(shè)備，再把軌道電路采集板卡裝入工控機(jī)連接到軌道電路，就可把機(jī)箱裝入機(jī)柜了。

在以上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的支持下，剩下的工作就是設(shè)計(jì)軟件算法實(shí)現(xiàn)對(duì)演練沙盤上的信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段、道岔的聯(lián)鎖控制。

2 聯(lián)鎖軟件設(shè)計(jì)

聯(lián)鎖控制主要體現(xiàn)在進(jìn)路控制上。進(jìn)路控制過程分為2個(gè)階段：進(jìn)路建立和進(jìn)路解鎖。

進(jìn)路建立包括3個(gè)部分：進(jìn)路選擇，進(jìn)路鎖閉，開放信號(hào)。

進(jìn)路解鎖與進(jìn)路鎖閉相對(duì)應(yīng)，當(dāng)列車或車列越過了道岔區(qū)段后，該區(qū)段內(nèi)的道岔以及相關(guān)的敵對(duì)進(jìn)路解除鎖閉。進(jìn)路解鎖分成自動(dòng)解鎖和非自動(dòng)解鎖，本次實(shí)驗(yàn)過程中，采用的是分段自動(dòng)解鎖。車列每駛過一段區(qū)間，該小段區(qū)間就自動(dòng)解鎖。

2.1 信息采集及設(shè)備驅(qū)動(dòng)

輸入：完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備道岔定位反位，軌道區(qū)段的狀態(tài)信息采集，為聯(lián)鎖控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

輸出：根據(jù)聯(lián)鎖軟件生成的控制命令來控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)開放、道岔動(dòng)作和軌道供電。

2.2 基本聯(lián)鎖控制軟件的設(shè)計(jì)

本文采用VB語(yǔ)言通過簡(jiǎn)單的算法設(shè)計(jì)該軟件，其最大優(yōu)點(diǎn)在于思路清晰，算法簡(jiǎn)單，不需要建立數(shù)據(jù)庫(kù)，只是通過VB語(yǔ)言中一些簡(jiǎn)單的程序結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)軟件功能。對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的演示系統(tǒng)來說，沙盤規(guī)模不大，進(jìn)路也不多，該方法還是十分可行的。由于算法簡(jiǎn)單，學(xué)生可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和編碼，這對(duì)于教學(xué)是十分有利的。下面僅以紅果園站的聯(lián)鎖軟件設(shè)計(jì)為例說明。

2.2 .1 設(shè)計(jì)界面顯示軌道區(qū)段占用狀況

以給軌道9DG供電為例說明設(shè)計(jì)思路，見圖4。

圖4 界面上表示軌道9DG各線控件的名稱

在給軌道9DG上電的同時(shí)，將變量9DG賦值為1，用來表示該軌道已經(jīng)被選擇。當(dāng)9DG=0時(shí)，表示該軌道沒有被選擇。界面上要顯示出軌道當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)，即可以表示出空閑沒有被選擇（軌道藍(lán)綠色）、空閑但被選擇（軌道白色）、軌道上面有車（軌道紅色）。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先要讀入軌道占用狀態(tài)和道岔狀態(tài)（即信息采集）—軌道選擇標(biāo)志變量（9DG）就是為判斷出軌道應(yīng)該顯示出什么顏色而采用的中間變量。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)道岔單獨(dú)操作轉(zhuǎn)轍控制

演示界面上需要顯示出道岔的狀態(tài)，并且可以對(duì)道岔進(jìn)行單獨(dú)的操作。首先，判斷采集進(jìn)來的道岔狀態(tài)，然后將“反”或“定”賦給相應(yīng)的command控件的Caption屬性即可。單獨(dú)扳動(dòng)道岔時(shí)，需要先判斷command的Caption屬性的的值，若為“定”，則當(dāng)按下command控件時(shí)，輸出相應(yīng)電平將相應(yīng)的道岔變?yōu)椤胺础蔽?；若為“反”位，按下command控件時(shí)，輸出相應(yīng)電平將相應(yīng)的道岔變?yōu)椤岸ā蔽?。道岔顯示界面及單獨(dú)操作按鈕如圖5。

圖5 道岔界面顯示及單獨(dú)操作按鈕

2.3 實(shí)現(xiàn)進(jìn)路選擇與進(jìn)路解鎖

（1）進(jìn)路選擇

進(jìn)路選擇的目的是在條件滿足的前提下，選定想要給電的軌道區(qū)段，將相應(yīng)的道岔搬到正確的位置，并開放相應(yīng)信號(hào)機(jī)，關(guān)閉敵對(duì)信號(hào)，鎖閉相應(yīng)道岔。

算法說明：根據(jù)連鎖的規(guī)則，判斷預(yù)選進(jìn)路的各個(gè)絕緣區(qū)段是否被其他進(jìn)路所選擇，是通過查詢標(biāo)志變量來實(shí)現(xiàn)的。由于該試驗(yàn)系統(tǒng)不能采集到軌道是否給電，所以要想知道軌道是否已經(jīng)給電就要通過查詢標(biāo)志變量。判斷預(yù)選進(jìn)路上是否有車，只需查詢存放軌道占用狀態(tài)的數(shù)組的相應(yīng)位置上的數(shù)是否為1即可。

所謂標(biāo)志變量，就是在通過輸出卡將某段絕緣區(qū)段給電的同時(shí)，用一個(gè)變量將給電這一是事件記錄下來。每段區(qū)段都對(duì)應(yīng)自己的一個(gè)標(biāo)志變量，如對(duì)于9DG這一區(qū)段，我們定義一個(gè) 變量9DG，其它區(qū)段類似。程序開始運(yùn)行或是復(fù)位時(shí)，標(biāo)志變量都為0。在選擇進(jìn)路時(shí)，將某一區(qū)段給電的同時(shí)要將標(biāo)志位賦值為1。當(dāng)解鎖該區(qū)段時(shí)，標(biāo)志位清0。當(dāng)再選擇含有該區(qū)段的進(jìn)路時(shí)，可通過查詢?cè)摌?biāo)志變量來判斷該區(qū)段是否被其它進(jìn)路所選擇了。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)軌道是空閑時(shí)，即沒有被其他進(jìn)路選擇并且沒有車存在時(shí)，便可以對(duì)道岔進(jìn)行操作。由近到遠(yuǎn)依次檢查道岔的狀態(tài)，若道岔是在正確的位置則不需要搬動(dòng)，否則要通過輸出卡將道岔搬到正確位置。再依次檢查道岔狀態(tài)，若全部都正確，則開始鎖閉道岔。鎖閉道岔的方法是將相應(yīng)單獨(dú)操作道岔的按鈕的Enabled 屬性為 False，這樣就無法單獨(dú)操作道岔了。之后是開放相應(yīng)的信號(hào)，并關(guān)閉敵對(duì)信號(hào)，同時(shí)將軌道給電。至此，一條進(jìn)路就選擇好了。

（2）進(jìn)路解鎖

圖6 紅果園站9DG-IIG-10DG部分區(qū)段圖示

進(jìn)路解鎖的目的是當(dāng)火車跑過一個(gè)絕緣區(qū)段后，應(yīng)該斷電，信號(hào)關(guān)閉，相應(yīng)的道岔去掉鎖閉。本實(shí)驗(yàn)采用的是逐段解鎖的方式，即火車跑完一段就解鎖一段。

算法說明：解鎖的條件是當(dāng)查詢到某區(qū)段上有車而其上一段沒車時(shí)將上一段解鎖。

舉例說明：如圖6所示的9DG-IIG-10DG區(qū)段，當(dāng)火車上行運(yùn)行在IIG上的時(shí)候，程序查詢到IIG上有車并且10DG沒有車，則就要將10DG區(qū)段斷電—完成對(duì)區(qū)段的解鎖；并且將道岔10的狀態(tài)變?yōu)榭梢圆僮鳎磳⑾鄳?yīng)單獨(dú)操作道岔的按鈕的Enabled 屬性為 True—即完成對(duì)道岔的解鎖；火車在IIG上運(yùn)行時(shí)，其前方的信號(hào)機(jī)SII應(yīng)該為綠色，允許駛?cè)?DG。同理，當(dāng)火車運(yùn)行到9DG上時(shí)候，程序查詢到9DG上有車，IIG上沒有車，這時(shí)就應(yīng)該將IIG斷電，并將信號(hào)機(jī)變?yōu)榧t色。

注意，在給軌道斷電的同時(shí)，要將前面所提到的標(biāo)志變量的值變?yōu)?，便于界面上軌道線條顏色的同步變化。解鎖部分程序流程如圖7。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于聯(lián)鎖軟件的設(shè)計(jì)，首先要明確軟件要實(shí)現(xiàn)的功能及聯(lián)鎖的條件，其次，關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)鎖設(shè)備信息的采集及對(duì)設(shè)備的聯(lián)鎖同步控制。結(jié)合演示界面，將采集到的信息及時(shí)表示在界面上，進(jìn)而利用這些信息設(shè)計(jì)聯(lián)鎖軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。

目前存在的問題是由于微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用了大量的電子元件，在抗電磁干擾等方面的防護(hù)措施沒有做到很好，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高。在聯(lián)鎖關(guān)系實(shí)現(xiàn)上，采用VB語(yǔ)言通過簡(jiǎn)單的算法編寫軟件，其最大不足在于算法不夠科學(xué)，工作量較大，還不能真正做到高度的仿真模擬現(xiàn)場(chǎng)。

圖7 例子說明解鎖流程

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