基于CAN的全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計

海小娟

（西安文理學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西西安710065）

對于鐵路車站信號設(shè)備及其相關(guān)控制系統(tǒng)的布置設(shè)計而言，安全性永遠(yuǎn)是排在首位的，也是最需要關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。近些年，隨著經(jīng)濟(jì)社會的繁榮發(fā)展、鐵路交通與信息技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在這種新局面下，鐵路信號系統(tǒng)對于功能要求越來越高，相應(yīng)的也就加大了整個鐵路信號系統(tǒng)的復(fù)雜程度。因而，對于整個鐵路信號設(shè)備與運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全性和可靠性提出了更高層次的標(biāo)準(zhǔn)。通過近些年國內(nèi)外的相關(guān)研究并結(jié)合著我國在該領(lǐng)域的發(fā)展建設(shè)應(yīng)用實際來看，全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)就屬于一種安全系統(tǒng)，尤其是其信號模塊，與當(dāng)前鐵路車站信號設(shè)備對于技術(shù)嵌入的標(biāo)準(zhǔn)要求基本吻合。而CAN總線則是一種當(dāng)前該領(lǐng)域應(yīng)用相對完善的一種高可靠性場合的串行現(xiàn)場總線，它的最大特點(diǎn)就是抗干擾能力強(qiáng)、實時性高、數(shù)據(jù)傳輸有保障。除了上述提到的列車車站外，還被廣泛應(yīng)用于微機(jī)監(jiān)測、機(jī)車車輛等系統(tǒng)[1]。

1 全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信息技術(shù)的發(fā)展，迫于新技術(shù)研發(fā)與技術(shù)體系的創(chuàng)新變革需要，軟件規(guī)模也在不斷增大。在這種新局面下，軟件的復(fù)雜性在提高，相應(yīng)的整個控制程序與運(yùn)行系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不同程度的提升。一旦某一個控制環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，即軟件在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)一些技術(shù)上的缺陷，所造成的危害往往是非常突出的。正因如此，計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸軟件控制系統(tǒng)之中。

具體來看，計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性與可靠性是對計算機(jī)聯(lián)鎖性能進(jìn)行驗證的主要依據(jù)[2]。所以，對于計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計所選擇的設(shè)備，必須是能夠進(jìn)行和滿足連續(xù)工作的一套系統(tǒng)。只有如此，才能進(jìn)一步滿足鐵路運(yùn)輸和軌道交通高效與安全運(yùn)營等要求。總之，在全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計中，最為關(guān)鍵的一環(huán)仍是安全性能的設(shè)置。關(guān)于聯(lián)鎖系統(tǒng)安全性能，即聯(lián)鎖設(shè)備無論是在什么情況下運(yùn)行，或者運(yùn)行的過程中無論發(fā)生了什么樣的問題故障，都要最大限度的確保不能有任何的危險因素危及到整個列車的運(yùn)行安全?？傊?，該系統(tǒng)的存在目的就是規(guī)避風(fēng)險故障的發(fā)生，在規(guī)定的時間、條件下來完成規(guī)定功能的能力如圖1所示。

圖1 全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從上述圖1中可以清楚的觀察到，聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算部分采用的是冗余二取二結(jié)構(gòu)安全平臺。此外，還可以看到，在安全平臺之間可進(jìn)一步通過冗余光纖通道實現(xiàn)同步。再者就是系統(tǒng)中的執(zhí)行部分，如結(jié)構(gòu)圖所示，此次采用的是全電子執(zhí)行單元，主要包括五大功能模塊。第一，通信網(wǎng)關(guān)；第二，道岔單元；第三，信號單元；第四，軌道單元；第五，零散單元。所有的模塊均按照站場來設(shè)計[3]，如此一來，便可更加靈活的安裝在獨(dú)立插箱中，進(jìn)而將每一個模塊做電子化處理。每一個電子模塊均可以通過專屬的電務(wù)維護(hù)CAN總線。

1.2 運(yùn)行分析

就目前我國國內(nèi)基本發(fā)展態(tài)勢來看，大部分車站采用的6 502電氣集中聯(lián)鎖系統(tǒng)和傳統(tǒng)計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，以上這兩種屬于現(xiàn)階段應(yīng)用比較多的兩類。從嵌入式技術(shù)及其執(zhí)行層面上來看，無論是6 502電氣集中聯(lián)鎖系統(tǒng)還是傳統(tǒng)計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，均采用了大量的重力式繼電器。在這種情況下，所存在的問題也是非常的突出。例如，繼電器信息單一、故障定位困難、后期維修工作量大、使用壽命短等技術(shù)缺陷。當(dāng)然，隨著電力電子與通信技術(shù)的快速發(fā)展，全電子計算聯(lián)鎖系統(tǒng)必將成為今后該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的主流方向。正如上述圖2-1結(jié)構(gòu)框圖所示，通過實現(xiàn)全電子化，改進(jìn)原有的技術(shù)缺陷，創(chuàng)新新的運(yùn)行路徑。

2 全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

關(guān)于全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，上部分內(nèi)容中也較為詳細(xì)的闡述過了。總之，全電子計算機(jī)聯(lián)鎖主要是以計算機(jī)控制技術(shù)作為核心，以電子開關(guān)技術(shù)、計算機(jī)通信技術(shù)以及自動監(jiān)測技術(shù)作為系統(tǒng)搭建和實現(xiàn)的基礎(chǔ)保障。當(dāng)然，盡管其為全電子控制系統(tǒng)，但是在內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的設(shè)置上，仍需要根據(jù)不同的情況來進(jìn)行。比如以系統(tǒng)內(nèi)部各區(qū)塊功能的不同來劃分，即可劃分為3個層次面。第一，系統(tǒng)的上位機(jī)部分，也就是人機(jī)交互層；第二，系統(tǒng)的中間控制部分，即聯(lián)鎖控制層；第三，系統(tǒng)的執(zhí)行部分，即全電子執(zhí)行單元，所采用的是I/O接口層設(shè)備。以上3個核心性部分，相互之間實現(xiàn)連接，包括上位機(jī)與聯(lián)鎖機(jī)之間的連接、聯(lián)鎖機(jī)與執(zhí)行單元之間的連接、執(zhí)行單元與室外設(shè)備之間的連接，最終搭建組成了一個具有三目標(biāo)層次的實時控制系統(tǒng)。

幾大不同功能與執(zhí)行控制的電子模塊，包括對參數(shù)任務(wù)的執(zhí)行、對數(shù)據(jù)信息的采集、對業(yè)務(wù)流程的監(jiān)測、對系統(tǒng)安全性的保護(hù)等[5]，通過實現(xiàn)各電子執(zhí)行單元控制、監(jiān)督、監(jiān)測一體化，以此來起到強(qiáng)化聯(lián)鎖機(jī)指令的下發(fā)強(qiáng)度和執(zhí)行力度。比如對于故障的維護(hù)檢修這一塊，它可以通過監(jiān)測痛通道向維修機(jī)提供軌道電壓、道岔電流、道岔動作時間等寶貴的數(shù)據(jù)信息，且準(zhǔn)確、及時。

2.2 工作原理

關(guān)于全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的工作原理，繼續(xù)結(jié)合著上述圖2來看。筆者以為，最核心的部分集中體現(xiàn)在兩個層面，第一層面是命令執(zhí)行的過程，第二層面是信息反饋的過程，如圖2所示。

圖2 計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)工作原理

從圖2中可以清楚的觀察到，包括命令執(zhí)行過程和信息反饋過程，所起到的最大功能作用就是對故障的報警。比如，當(dāng)整個系統(tǒng)出現(xiàn)不良故障的時候，在第一時間報警提示該崗位的工作管理人員。此外，還可以對系統(tǒng)的操作、運(yùn)行、故障等情況更加詳致的查詢，并通過打印將圖形再現(xiàn)。如此一來，便可在很短的時間內(nèi)迅速為維護(hù)故障現(xiàn)場和分析故障的原因提供可靠的依據(jù)[6]。如圖2所示，該系統(tǒng)的整個工作流程，首先是命令執(zhí)行。以某列車車站為例，車站操作人員根據(jù)站場的顯示，以及調(diào)度命令的要求，通過利用該控制系統(tǒng)上位機(jī)來操作上級下發(fā)的相對應(yīng)的指令。比如，先排進(jìn)路、單操道岔等。當(dāng)該步驟完成之后，上位機(jī)便會接收到操作人員的操作命令，然后就可以以固定的命令格式進(jìn)一步傳送給聯(lián)鎖機(jī)。當(dāng)然，并不是操作人員操作的所有命令都會發(fā)送出去，因為上位機(jī)不僅承擔(dān)著傳送命令指標(biāo)的任務(wù)，也會對命令進(jìn)行簡單的判斷，對于判定不成立的操作命令，實際上是不予發(fā)送的。其次是信息反饋。在全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，每一個執(zhí)行單元模塊均時刻處在工作運(yùn)行的狀態(tài)，這樣可以及時、高效的采集到室外設(shè)備的狀態(tài)。完成之后，便可進(jìn)一步通過通信的方式將這些信息數(shù)據(jù)傳給聯(lián)鎖機(jī)。聯(lián)鎖機(jī)接收到這些信息之后，會在很短的時間內(nèi)對其進(jìn)行存儲。存儲信息的目的也非常明確。其一，作為后期聯(lián)鎖處理的依據(jù)；其二，將該信息發(fā)送給上位機(jī)，這樣可以讓上位機(jī)對站場進(jìn)行實時顯示，最大限度的保障系統(tǒng)的“故障-安全”。

2.3 功能實現(xiàn)

關(guān)于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，筆者以為，需要切實做好兩個方面的保障。第一項，多通信節(jié)點(diǎn)的問題處理。關(guān)于此次計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計，前文中已經(jīng)明確的提及過了。正是因為在全電子計算機(jī)聯(lián)鎖應(yīng)用環(huán)境下，更需要多加考慮CAN總線的節(jié)點(diǎn)通信問題。因為該項問題如若被忽略掉，極有可能引起另一層問題，即第二項問題，系統(tǒng)通信實時性與數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題。

圖3 安全平臺與執(zhí)行單位通信結(jié)構(gòu)

如圖3所示，此次全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計容量初步設(shè)定為150組道岔規(guī)模的站場。其中，關(guān)于道岔、信號、軌道等各模塊的數(shù)量，在這里全部按照1：2：2這一比例來估算，共32個插箱，大約可以接入其中五百個電子模塊。該系統(tǒng)功能網(wǎng)絡(luò)為二級網(wǎng)絡(luò)，這一點(diǎn)上述已經(jīng)闡明過了，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為32×16，這樣可以最大限度的滿足設(shè)計容量需求。

3 結(jié)束語

全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是計算機(jī)聯(lián)鎖的一種，它是指始終以計算機(jī)控制技術(shù)作為系統(tǒng)運(yùn)行與優(yōu)化布局的核心，并最大程度的嵌入電子開關(guān)自動監(jiān)測技術(shù)。以此為基礎(chǔ)，基于CAN總線通信建立在軟、硬件雙重防護(hù)下的新一代鐵路信號控制設(shè)備。關(guān)于本次專題研究，從中再一次發(fā)現(xiàn)，CAN總線通信非常適合高可靠性的應(yīng)用場景。如上述圖1，2，3結(jié)構(gòu)圖所示，它的最大優(yōu)勢就體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛇_(dá)性，以及故障后自動脫離總線的特性。

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