重慶軌道交通2號線計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)碼設計*

齊志華

(中國鐵道科學研究院通信信號研究所，100081，北京//副研究員)

1 研究背景

重慶軌道交通2號線北延伸段(以下簡稱“2號線)采用了高架跨坐單軌制式[1]。并選用了固定閉塞信號系統(tǒng)。該信號系統(tǒng)敷設在軌道梁肩部，由調度集中(CTC)子系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖(CBI)子系統(tǒng)、列車自動防護(ATP)子系統(tǒng)及列車位置檢測(TD)子系統(tǒng)組成[2]。

CBI子系統(tǒng)采用了具備SIL4級安全證書的國產化TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)[3-4]，從層次上分為操作顯示層、邏輯運算層和輸入輸出層。具體系統(tǒng)結構如圖1所示[5-7]。操作顯示層包括操作顯示子系統(tǒng)和記錄查詢子系統(tǒng)，主要負責為車務和電務人員提供系統(tǒng)操作監(jiān)控和分析維護，為CTC子系統(tǒng)及集中監(jiān)測等其他系統(tǒng)提供信息接口；邏輯運算層包括聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)，主要負責對整個系統(tǒng)進行調度管理并進行聯(lián)鎖邏輯運算；輸入輸出層包括輸入子系統(tǒng)和輸出子系統(tǒng)，主要負責接收聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)命令并驅動軌旁設備接口層相應繼電器，從而控制軌旁設備，同時向聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)反饋軌旁設備的實時狀態(tài)。

2 聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼功能設計

2.1 發(fā)碼設計原則

由文獻[9-11]，2號線的主要發(fā)碼設計原則為：

圖1 TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結構

信號機未開放信號前，防護進路的信號機內方軌道區(qū)段、信號外方第一區(qū)段均不發(fā)碼；進站信號機開放后，接近區(qū)段和接車進路上的區(qū)段按設計圖要求驅動速度碼；發(fā)車信號機開放后，股道和發(fā)車進路上的區(qū)段按設計圖的要求驅動速度碼；調車信號機開放后，接近區(qū)段和調車進路上的區(qū)段按設計圖的要求驅動速度碼；發(fā)碼按照從遠及近的順序驅動進路上的碼繼電器，除了進路終端區(qū)段外，前方未發(fā)允許碼，后方發(fā)禁止碼；進路正常時，當前方相鄰區(qū)段順序占用時，本軌道區(qū)段停止發(fā)碼，前方區(qū)段跳動時，不影響發(fā)碼；當進路非正常占用或聯(lián)鎖條件不滿足(包括進路始端解鎖后的道岔斷表示、超限、防護等)時，進路上的所有區(qū)段均停止發(fā)碼；當區(qū)段不能正常解鎖時，停止本區(qū)段和前方區(qū)段的發(fā)碼；當收到緊急關閉信息時，相應的緊急關閉軌道區(qū)段停止發(fā)碼；股道發(fā)允許碼時，收到屏蔽門未關閉信息時，股道區(qū)段停止發(fā)碼，當收到屏蔽門關閉正常信息后，能恢復發(fā)允許碼；引導信號開放時，引導信號進路區(qū)段及接近區(qū)段不發(fā)碼；當收到限速信息時，如果對應的區(qū)段發(fā)列車允許碼，并且高于25碼(即25 km/h)時，則降為25碼；接車進路或調車進路的車列全部進入股道后，開始停穩(wěn)延時，并繼續(xù)發(fā)允許碼，停穩(wěn)延時到后，停止發(fā)允許碼；當調車進路車列全部進入無岔區(qū)段時，開始停穩(wěn)延時，并繼續(xù)發(fā)允許碼，經(jīng)過一段時間后(停穩(wěn)結束)，停止發(fā)允許碼；股道同時存在的接、發(fā)車進路性質不一致時，股道發(fā)接車進路碼值，當車全部進入股道，停穩(wěn)延時結束后，直接轉為發(fā)車進路碼值。

2.2 發(fā)碼設計的功能需求分析

既有聯(lián)鎖邏輯軟件將站場按照信號、道岔、區(qū)段等類別定義結構體模塊，并通過消息的傳遞來連接各模塊。消息包括選路消息、進路消息及引導消息。每個結構體模塊接收上一個結構體模塊的消息后進行邏輯運算，再將消息輸出給下一個結構體模塊。以進路為例，聯(lián)鎖邏輯軟件將消息從進路始端，依次經(jīng)過進路各結構體模塊，傳遞至進路終端，再將消息從該進路終端依次經(jīng)過進路各結構體模塊最終傳遞回進路始端，從而完成整個消息循環(huán)。

既有操作顯示軟件采用面向對象的思路，以模塊化結構設計方法，接收聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的站場信息并實時顯示站場狀態(tài)，接收車站車務值班員的操作命令并正確傳達給聯(lián)鎖邏輯軟件以進行邏輯處理，從而完成對站場設備的控制。

例如，2號線的魚洞站在軌道區(qū)段設置了發(fā)碼繼電器，以表示區(qū)段的發(fā)碼值。其站場布置示意圖見圖2。

圖2 魚洞站站場布置示意圖

從圖2可見，區(qū)段發(fā)碼功能同信號機的開放狀態(tài)及列車運行的位置信息相關聯(lián)，每一條進路的各區(qū)段發(fā)碼值不一定相同，不同性質進路(如列車進路和調車進路)的發(fā)碼值也不相同。魚洞站發(fā)碼繼電器的發(fā)碼信息包括：①列車碼，用于列車進路，用75J、65J、60J、50J、45J、35J及25J表示；②調車碼，用于調車進路，用S25J、S15J表示；③X碼，用于輕軌車輛段和折返線，用XMJ表示；④禁止碼，表示所有發(fā)碼繼電器落下時該繼電器吸起，用01MJ表示。其中，列車碼和調車碼的數(shù)值表示列車進入該區(qū)段的最高行駛速度(單位為km/h)。

同時，發(fā)碼繼電器是與方向繼電器配合使用和設置的。方向繼電器包括上行方向繼電器LR和下行方向繼電器RR。配合發(fā)碼功能的方向繼電器設置條件為：①單向運行區(qū)段不設置方向繼電器。②雙向運行時，常態(tài)方向區(qū)段不設置方向繼電器，反向進路區(qū)段設置方向繼電器。當上行向下行方向排列進路時，驅動RR方向繼電器；當下行向上行方向排列進路時，驅動LR方向繼電器。③當發(fā)碼方向發(fā)生改變時，先驅動方向繼電器，待其吸起后再驅動相應的發(fā)碼繼電器。④當發(fā)碼狀態(tài)由允許碼變?yōu)榻勾a后，先停止驅動發(fā)碼繼電器，再停止驅動方向繼電器。

2.3 發(fā)碼設計方案

根據(jù)既有軟件和2號線發(fā)碼要求，CBI子系統(tǒng)采用不影響既有聯(lián)鎖邏輯軟件和操作顯示軟件程序結構的設計思路，控制發(fā)碼繼電器和方向繼電器的輸出，并將其實時顯示在操作顯示軟件界面中，從而實現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯軟件的發(fā)碼功能和操作顯示軟件的發(fā)碼顯示功能。這樣既能保障既有軟件的通用性及安全性，又能滿足特定需求。

為了驗證提出的交互雙模自適應降階無跡卡爾曼濾波算法的有效性，采用MATLAB軟件進行仿真驗證。將式(6)表述為：

(1) 在聯(lián)鎖邏輯軟件中新增發(fā)碼模塊。在既有聯(lián)鎖邏輯軟件與發(fā)碼相關聯(lián)的模塊中，定義并設置新的發(fā)碼結構模塊。聯(lián)鎖邏輯軟件通過該發(fā)碼結構模塊進行發(fā)碼邏輯運算，檢查聯(lián)鎖外部條件，最終完成對發(fā)碼繼電器和方向繼電器的信息采集和驅動。此設計適用于各種類型和規(guī)模的站場，便于系統(tǒng)維護和站場升級改造，提高了系統(tǒng)的通用性和可維護性；不影響既有成熟的軟件結構，便于車站現(xiàn)場聯(lián)鎖軟件因設計變更而增加或去除相應的數(shù)據(jù)信息；新定義的發(fā)碼模塊將全部檢查條件設置在模塊內部，有效地避免了數(shù)據(jù)重復檢查問題的產生。相對于傳統(tǒng)編寫發(fā)碼數(shù)據(jù)的方法，該方法可簡單制作站場聯(lián)鎖數(shù)據(jù)，并使每個模塊功能統(tǒng)一，有效避免了發(fā)碼數(shù)據(jù)遺漏情況的發(fā)生。

(2) 在操作顯示軟件中新增發(fā)碼顯示模塊。在既有操作顯示軟件結構中，定義新的發(fā)碼顯示模塊結構體。該結構體接收由聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的發(fā)碼狀態(tài)信息和發(fā)碼方向信息，并實時正確顯示在操作顯示界面。

2.4 發(fā)碼設計功能的實現(xiàn)

在不影響既有聯(lián)鎖邏輯軟件和操作顯示軟件的程序結構基礎上，分別對聯(lián)鎖邏輯軟件的發(fā)碼功能和操作顯示軟件的發(fā)碼顯示功能進行設計開發(fā)。

2.4.1 發(fā)碼功能的實現(xiàn)

根據(jù)既有聯(lián)鎖邏輯軟件的結構和消息傳遞方式，新定義的發(fā)碼結構模塊設置在既有相應的無岔、道岔及股道等模塊中。發(fā)碼結構模塊之間同樣采取消息傳遞的方式。這樣既可得到相關區(qū)段、道岔及股道模塊的信息，又能通過消息傳遞的方式取得相鄰發(fā)碼結構模塊的消息，實現(xiàn)發(fā)碼消息的傳遞過程。

圖3為新定義的發(fā)碼結構模塊在既有軟件相應模塊中的設置方式和消息傳遞過程。由圖3可見：①虛線表示的引導消息和選路消息與發(fā)碼模塊沒有直接聯(lián)系；②新定義的發(fā)碼結構模塊只獲取既有模塊的進路消息作為發(fā)碼運算依據(jù)，且不影響或也不修改此消息值；③發(fā)碼消息由股道、道岔及無岔等模塊接收后，傳遞給發(fā)碼結構模塊運算處理；④在進路已建立的條件下，發(fā)碼結構模塊綜合傳遞進路消息、進路中包含信號機的開放狀態(tài)及列車運行位置等信息，經(jīng)邏輯運算輸出相應的發(fā)碼值和發(fā)碼消息，從而完成全部發(fā)碼功能。

圖3 發(fā)碼模塊設置及消息傳遞過程

圖4為軟件發(fā)碼結構模塊實現(xiàn)正確發(fā)碼功能的基本流程。由圖4可見，根據(jù)設計發(fā)碼原則，聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)碼模塊實現(xiàn)了從相應的區(qū)段獲取傳遞的進路消息值并用于判斷進路狀態(tài)，依據(jù)進路性質、進路方向、列車運行位置等因素決定該區(qū)段的發(fā)碼條件和發(fā)碼值，并經(jīng)邏輯運算確定用于該區(qū)段發(fā)碼的發(fā)碼繼電器和方向繼電器的驅動條件，最終完成發(fā)碼的控制輸出。

2.4.2 發(fā)碼顯示功能的實現(xiàn)

結合碼序表、聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)碼設計，操作顯示軟件應具備接收聯(lián)鎖邏輯軟件傳送的發(fā)碼值即速度碼，并在操作顯示軟件人機交互界面中相應的區(qū)段顯示該速度碼的功能。依據(jù)聯(lián)鎖邏輯軟件處理的發(fā)碼繼電器和方向繼電器種類信息，操作顯示軟件顯示速度碼參數(shù)、含義如表1所示。

圖4 發(fā)碼結構模塊實現(xiàn)發(fā)碼功能的流程

表1 速度碼顯示參數(shù)及含義

根據(jù)速度碼顯示參數(shù)及含義，發(fā)碼顯示模塊設置在既有操作顯示軟件中的軌道模塊及道岔模塊中，接收處理聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的發(fā)碼狀態(tài)信息，并實時顯示。圖5為新增加的發(fā)碼顯示模塊邏輯運算流程。

圖5 軟件發(fā)碼顯示模塊邏輯運算流程

3 聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼設計測試驗證

新增發(fā)碼模塊既不引入新的錯誤，也不影響既有計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件結構，并使CBI子系統(tǒng)仍符合SIL4級安全等級要求，對新增發(fā)碼模塊及CBI子系統(tǒng)按相關安全等級的要求進行了風險源識別、風險分析、模塊級代碼測試、系統(tǒng)集成測試、系統(tǒng)安全驗證和確認等。

文獻[14-17]的分析、測試及驗證結論表明：設計開發(fā)的發(fā)碼模塊通過了模塊級代碼測試；設計開發(fā)中沒有引入新的錯誤，不影響既有系統(tǒng)軟件結構，滿足測試要求和設計需求；采用此發(fā)碼設計的TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)足夠安全，并符合SIL4級安全等級要求，滿足2號線的要求。

4 聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼設計應用

采用這種發(fā)碼設計的TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)經(jīng)過嚴格規(guī)范的工程設計、軟件編制、軟件測試與驗證、系統(tǒng)聯(lián)鎖試驗和現(xiàn)場安裝調試等環(huán)節(jié)[18]，已在2號線投入使用。

使用情況表明，采用這種發(fā)碼設計的TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)滿足了2號線的特殊發(fā)碼需求。圖6為TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼設計實現(xiàn)的站場界面實景圖。

圖6 車站CBI子系統(tǒng)發(fā)碼設計站場界面實景圖

5 結語

區(qū)段的發(fā)碼是信號的顯示，給列車提供正確運行的授權條件。2號線計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，經(jīng)一年多運營表明，系統(tǒng)應用良好，達到了預期目的和效果。此發(fā)碼設計既可保障既有計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性和安全性，又能有效提高計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可用性和可維護性，能顯著提高軌道交通運營效率。

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