鐵路信號計算機聯(lián)鎖技術介紹

李佳蔚

（中鐵十四局集團電氣化工程有限公司，濟南 250014）

1 概述

隨著微電子技術、計算機科學和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，特別是可靠性和容錯技術的提高，使鐵路信號聯(lián)鎖控制系統(tǒng)在經(jīng)歷了以機械、機電、繼電等傳統(tǒng)技術手段組成的系統(tǒng)后，正向今天的以微電子、計算機和現(xiàn)代控制技術為基礎組成的系統(tǒng)發(fā)展[1]。計算機聯(lián)鎖首先于1978年在瑞典哥德堡投入運用，后在世界各國推廣使用。1991年11月19日，中國鐵路干線上第一個計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在廣深線紅海站開通，從此我國鐵路信號進入了計算機聯(lián)鎖時代。

計算機聯(lián)鎖是一種由計算機及其他電子、電磁器件組成的具有故障-安全性能的實時控制系統(tǒng)。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)由相關硬件和軟件設備構成。硬件設備包括聯(lián)鎖計算機（完成聯(lián)鎖和顯示功能）、安全檢驗計算機（實現(xiàn)檢驗聯(lián)鎖計算機的運行情況，發(fā)現(xiàn)故障可導向安全）、彩色監(jiān)視器、微型集中操縱臺、安全繼電輸入輸出接口柜、計算機聯(lián)鎖專用電源屏以及現(xiàn)場信號機、轉(zhuǎn)轍機、軌道電路等室外設備。軟件設備是實現(xiàn)進路、信號機和道岔相互制約的核心部分，由兩部分組成：一是參與聯(lián)鎖運算的車站數(shù)據(jù)庫；二是進行聯(lián)鎖邏輯運算，完成聯(lián)鎖功能的應用程序。車站數(shù)據(jù)庫包括車站賦值表、車站聯(lián)鎖表、按鈕進路表、車站顯示數(shù)據(jù)等。應用程序由多個程序模塊組成，即系統(tǒng)管理程序、時鐘中斷管理程序、表示信息采集及信息處理程序、操作命令輸入及分析程序、選路及轉(zhuǎn)岔程序、信號開放程序、解鎖程序和站場彩色監(jiān)視器顯示程序模塊等。

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能包括如下幾點。

1）聯(lián)鎖邏輯運算：接收ATS或車站值班員的進路命令，進行聯(lián)鎖邏輯運算，實現(xiàn)對道岔和信號機的控制。

2）軌道電路信息處理：處理列車檢測功能的輸出信息，以提高列車監(jiān)測信息的完整性。

3）進路控制：設定、鎖閉和解鎖進路。

4）道岔控制：解鎖、轉(zhuǎn)換和鎖閉道岔。

5）信號機控制：確定信號機的顯示。

2 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構組成

計算機聯(lián)鎖控制技術是實現(xiàn)以進路控制為主要內(nèi)容的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是以色燈信號機、動力轉(zhuǎn)轍機和軌道電路作為室外3大基礎設備，以電氣設備或電子設備實現(xiàn)聯(lián)鎖功能對軌道區(qū)段狀態(tài)、信號狀態(tài)和道岔狀態(tài)進行檢測，并對信號機和道岔實施控制的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)各部分功能，一般的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構，如圖1所示。

計算機聯(lián)鎖的操作方法與繼電聯(lián)鎖相似，由于它實現(xiàn)了從有接點到無接點的變革，操作人員辦理進路時，只需先按進路始端鈕，再按進路終端鈕即可完成。此時計算機就執(zhí)行操作輸入程序和聯(lián)鎖處理程序。根據(jù)輸入的按鈕代碼，從進路矩陣中找出相應的進路，然后檢查是否符合選路條件，只有完全滿足選路條件后，程序才能轉(zhuǎn)入選路部分。之后，先檢查對應道岔是否在規(guī)定位置，再將需要變換位置的道岔轉(zhuǎn)換位置，接著鎖閉進路，并建立對應的運行表區(qū)[2]。

在執(zhí)行信號開放程序中，是根據(jù)運行表區(qū)內(nèi)容，連續(xù)不斷地檢查各項聯(lián)鎖條件，條件滿足后信號機才能開放。當列車進入信號機后方，信號機即自動關閉，隨著列車的運行，進路可順序逐段解鎖。

3 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)通信方式

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)不僅要具有高度的安全性、可靠性、可用性，還要有快速、強大的數(shù)據(jù)處理能力，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間以及計算機聯(lián)鎖和其他系統(tǒng)之間要相互傳輸大量數(shù)據(jù)，協(xié)同工作，因此，各種通信方式在計算機聯(lián)鎖及相關系統(tǒng)中得到了大量的運用。其中最主要的有以太網(wǎng)通信、串口通信、現(xiàn)場總線通信等。

1）串口通信

串口通信具有使用線路少、成本低的特點而得到了廣泛的應用。串口通信常應用在計算機聯(lián)鎖與其他相關系統(tǒng)之間的通信以及聯(lián)鎖機之間的相互通信中。如TYJL-2型計算機聯(lián)鎖的聯(lián)鎖機之間就采用了RS-485串口通信方式。

2）以太網(wǎng)通信

以太網(wǎng)是當今局域網(wǎng)中采用的最通用的通信協(xié)議標準。在計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中主要應用在計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的相互通信。如上位機與聯(lián)鎖機通信、上位機之間通信、上位機與電務維修機之間的通信等。最新研制的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)目前都已使用快速以太網(wǎng)進行通信。例如：北京卡斯卡公司研制的CIS-1型計算機聯(lián)鎖的上位機以及聯(lián)鎖機、電務維修機之間使用100 M的雙絞線快速以太網(wǎng)進行通信。北京交大微聯(lián)公司研制的EI32-JD型計算機聯(lián)鎖的聯(lián)鎖機與驅(qū)動采集機間采用雙環(huán)的光纜進行通信。目前光纖以太網(wǎng)正在開始大規(guī)模應用。

3）現(xiàn)場總線通信

由于現(xiàn)場總線傳輸速度快，響應時間短等優(yōu)點，Can總線、Profibus總線也開始在鐵路計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中應用。例如HOLLiAS VSI2002型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的聯(lián)鎖主機與I/O系統(tǒng)的通信就采用了Profibus-DP通信協(xié)議?，F(xiàn)場總線支持遠程操作，為區(qū)域聯(lián)鎖系統(tǒng)的應用奠定了基礎[3]。

4 可靠性技術

為了提高系統(tǒng)可靠性指標，在長期的研究中發(fā)展了兩類可靠性技術。一類是防止和減少故障發(fā)生的技術，叫做避錯技術；另一類是當系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能保持正常工作的技術，稱之為容錯技術。計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)采用避錯和容錯技術來保證系統(tǒng)的可靠性。其中避錯技術分為硬件避錯和軟件避錯，硬件避錯主要是選擇并使用高可靠性的元部件來組成計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，并充分考慮到其中環(huán)境因素，從而提高系統(tǒng)整體的可靠性，軟件避錯最基本原則是減少軟件中的缺陷，確保軟件不出錯。常用的軟件避錯技術有：開展軟件工程、加強軟件可靠性管理、優(yōu)化程序設計，強化程序驗證等。對于計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的容錯技術，是通過系統(tǒng)各部分之間冗余來實現(xiàn)的。主要通過以下3個層次來實現(xiàn)。

1）系統(tǒng)級保障技術

為完成系統(tǒng)的可靠性保證，在計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)設計時采用冗余可靠性結(jié)構配置。目前主要研究和使用有兩種：三取二靜態(tài)冗余結(jié)構和雙機熱備動態(tài)冗余結(jié)構。

2）設備級保障技術

包括硬件、軟件和數(shù)據(jù)可靠性保障。硬件可靠性保障技術主要包括故障檢測和故障屏蔽技術。軟件可靠性保障則包括容錯設計基本技術、容錯算法以及減少程序失控的編程技術等。此外，為了提高軟件設計可靠性，還可在程序設計過程中采取程序失控的捕捉技術，將容錯設計體現(xiàn)在接口軟件的設計過程中，包括I/O接口設計和模擬量接口設計等。數(shù)據(jù)可靠性保障，實質(zhì)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的容錯，即對檢驗碼和糾錯碼的應用。利用編碼技術進行檢錯和糾錯，是一種基于信息冗余的容錯技術。使用冗余校驗位可以有效實現(xiàn)。

3）網(wǎng)絡通信保障技術

通過鏈路的冗余、節(jié)點的冗余、通信協(xié)議的冗余來提高整個局域網(wǎng)的可靠性。

5 主要聯(lián)鎖系統(tǒng)介紹

我國計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為鐵路信號領域的重要設備，也關系到列車安全穩(wěn)定運行。目前國內(nèi)市場上各種類型的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)有很多種，從事計算機聯(lián)鎖領域研究工作的廠家也很多。為此，鐵道部自1998年起加強了項目管理，開始對各種產(chǎn)品設備進行嚴格的技術質(zhì)量評估，并制定了諸多規(guī)章制度來規(guī)范計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)領域的研究。從系統(tǒng)配置的角度來講，目前市場上應用最為廣泛的有3種，分別是雙機熱備配置、三取二冗余配置、二乘二取二冗余配置，屬于這3種配置的產(chǎn)品也有很多種。

雙機熱備配置是目前技術比較成熟的硬件冗余配置方式，我國鐵路使用的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)較多采用硬件配置方式。本文將重點介紹具有雙機熱備配置特點的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，主要包括TYJLII型、DS6-11型、JD-IA型、CIS-1型等。其中TYJL-II型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是由鐵道部科學研究院研制的是第一個在我國鐵路投入使用、實現(xiàn)雙機熱備并通過鐵道部科技成果鑒定的國產(chǎn)計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。DS6-11型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是由北京全路通信信號研究設計院研制開發(fā)的雙機熱備計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用具有高可靠性的工業(yè)控制計算機，運用網(wǎng)絡通信技術構成多機分布式控制系統(tǒng)。DS6-11型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在國鐵和城軌系統(tǒng)有比較廣泛的應用。JD-IA型計算機聯(lián)鎖是北京交大微聯(lián)科技股份有限公司研制的雙機熱備系統(tǒng)，它采用最新的計算機、總線、網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)了一套性能可靠、具有“故障-安全”性能、功能完善、操作簡單、維護方便的車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。CIS-1型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是從原美國GRS公司（現(xiàn)阿爾斯通集團交通運輸部所屬美國公司）引進的VPI型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)作為基礎，結(jié)合中國鐵路運輸?shù)募夹g條件和當今世界快速發(fā)展計算機網(wǎng)絡技術，開發(fā)研制的能夠滿足大、中型鐵路站場需要，并能與其他計算機系統(tǒng)平臺進行聯(lián)網(wǎng)的新一代計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，廣泛適用于400組聯(lián)鎖道岔以下的鐵路車站。

三取二計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)采用三重系的容錯計算機，具有更高的可靠性、安全性和可用性。包括TYJL-TR9、TYJL-ECC和DS6-20型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。TYJL-TR9型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)也是鐵道部科學院產(chǎn)品。與TYJL-II型系統(tǒng)相比，最大區(qū)別在于從輸入模塊、主處理模塊到輸出模塊全面實現(xiàn)三重系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)中任何部分的單永久性故障或瞬間故障發(fā)生時，系統(tǒng)仍能無差錯、不間斷的工作。TYJL-ECC型三取二容錯計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)同樣由鐵道部科學院研制，采用了西門子公司鐵路信號控制專用的故障-安全計算機和操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)全面遵從歐洲電子技術標準化委員會的標準，并通過了SIL4級的安全認證，具有強大的信息處理能力和接口能力，在功能和規(guī)模上均可靈活配置，能適應各種規(guī)模的站場，易于實現(xiàn)綜合信號一體化控制。DS6-20型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是北京全路通信信號研究設計院研制的具有三重冗余（三取二）結(jié)構的高性能計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)的聯(lián)鎖子系統(tǒng)和輸入輸出部分，采用具有容錯和故障-安全性能的GMR系統(tǒng)。

6 總結(jié)

計算機聯(lián)鎖是目前最先進的車站聯(lián)鎖設備，具有運作速度快，信息量大，操作方便，安全性高，設備體積小、重量輕，便于調(diào)試和維修的特點，提高了自動化程度和作業(yè)效率。全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)和區(qū)域計算機聯(lián)鎖是鐵路計算機聯(lián)鎖今后的發(fā)展方向，對現(xiàn)場信號設備的控制采用模塊化設計，去掉了原有計算機聯(lián)鎖執(zhí)行部分的繼電器電路，代之以智能全電子執(zhí)行單元，通過現(xiàn)場總線，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)對現(xiàn)場道岔、信號機等設備進行操作，形成分布式控制，可以實現(xiàn)控制、監(jiān)督、檢測一體化。邏輯可編程控制器（PLC）技術也已經(jīng)開始應用在計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中。

未來計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的應用還將逐步走向智能化，使用先進的智能控制技術，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡等先進控制算法的應用，可以實現(xiàn)故障預測，問題分析等智能控制。

[1]黃永忠，趙守民.微機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)施工技術[J].鐵道

技術監(jiān)督，2004（11）：21-22.

[2]程少海，王陳保，牛德福.微機聯(lián)鎖技術及其在廠礦的應用[J].西部探礦工程，2005（3）：167-168.

[3]佟陽.微機聯(lián)鎖中幾種通訊方式的分析比較[J].工業(yè)控制計算機，2009，22（5）：19-21.

[4]付琳.淺析智能模擬盤在車站開通過程中的應用[J].鐵路通信信號工程技術，2008，5（2）：60-62.

[5]傅世善.計算機聯(lián)鎖進一步發(fā)展的探索[J].鐵路通信信號工程技術，2006（2）：03-04.

[6]范旋.鐵路信號計算機聯(lián)鎖與電器集中聯(lián)鎖的比較[J].信息技術與信息化，2008（2）：80-81.