現代有軌電車道岔控制系統研究*

段宏偉

(中國鐵道科學研究院通信信號研究所，100081，北京//助理研究員)

現代有軌電車道岔控制系統是運行控制系統的核心組成部分，是基于信號故障導向安全原則的計算機控制系統，是保障行車安全、保證運輸效率的關鍵[4]。

1 道岔控制系統功能分析

道岔控制系統屬于計算機聯鎖的一種，但其部分功能又超出了傳統計算機聯鎖的范圍。道岔控制系統確保有軌電車的運行安全，處理來自運營調度管理系統的自動進路控制指令或車載人工道岔控制指令，完成道岔的自動轉換，實現安全聯鎖；可在滿足安全的前提下開放進路，并且最大程度地提高有軌電車的運行效率。

道岔控制系統主要具有以下功能：

(1) 進路管理。根據不同車次的計劃，通過操作進路上的道岔，排列不同的進路；在車地通信故障或者沒有安裝車載設備的情況下，具有地面人工辦理進路功能。

(2) 路口信號管理。設置在路口的道岔控制系統，根據車次計劃辦理相應的進路，進路鎖閉后，開放相應的允許信號。

(3) 解鎖管理。列車通過路口或者通過道岔后，自動解鎖相應的進路；故障后不能解鎖時，可以在人工保證安全的情況下人工辦理解鎖。

(4) 車次號管理。由運營中心的進路管理服務器對車次號進行集中管理。進路管理服務器接收運行調度管理系統的車次計劃，形成對應的進路信息，下發(fā)到各個路口的道岔控制系統子系統，并進行校核。

(5) 狀態(tài)監(jiān)督功能。各個路口的進路情況由道岔控制子系統發(fā)到進路管理單元，并上傳到運營中心的進路管理服務器，再通過進路管理服務器上傳到運行調度管理系統進行集中顯示。

(6) 診斷和記錄功能。道岔控制系統的工作狀態(tài)、故障和錯誤信息發(fā)送到進路管理單元，進路管理單元將信息上傳到進路管理服務器，再通過進路管理服務器發(fā)送到維護終端，由維護終端進行信息的儲存和查詢顯示。

道岔控制系統實現了地面道岔及信號機等設備的控制,保證其控制范圍內的有軌電車運行進路安全,實現進路上軌道區(qū)段、道岔和信號機之間的正確聯鎖關系。道岔控制系統可實現自動和人工兩種模式下辦理有軌電車通過進路。此外，道岔控制系統還可實現自身、有軌電車占用檢測設備(如計軸)、信號機、轉轍機等設備工作狀態(tài)檢測報警。

2 道岔控制系統的組成及設計

按照現代有軌電車道岔控制系統的功能需求，采用模塊化的設計方法，將道岔控制系統的主要功能明確劃分為對應的模塊。這種高內聚低耦合的設計方式，極大降低了各功能間的依賴性，有利于道岔控制系統的維護和后續(xù)開發(fā)?，F代有軌電車道岔控制系統可以劃分為聯鎖邏輯、進路管理、輸入輸出及通信接口等4個子系統。

2.1 聯鎖邏輯子系統

聯鎖邏輯子系統能實現對控制范圍內設備的控制，能實現道岔區(qū)段內道岔、信號機、軌道區(qū)段之間正確的聯鎖關系，能保障進路控制的安全。該子系統對于計算結果的準確性和高效性都有很高要求，是道岔控制系統邏輯處理的核心部分。

聯鎖邏輯子系統持續(xù)檢查進路上的道岔、信號機、區(qū)段、敵對進路及側面沖突等聯鎖條件。當判斷聯鎖條件不滿足時，道岔控制系統禁止進路開通或及時關閉相應的信號。當列車正常運行時，道岔控制系統按照“三點檢查”原則，自動逐段解鎖進路。在列車的折返作業(yè)中，聯鎖邏輯子系統可設置折返線的折入和折出進路。

聯鎖邏輯子系統是道岔控制系統的邏輯運算單元，在完成聯鎖邏輯的同時，還需完成整個系統自檢功能、初始化功能、設備狀態(tài)數據的監(jiān)測功能、對設備中斷或數據異常情況的預警功能等。其工作流程如圖1所示。

圖1 聯鎖邏輯子系統工作流程圖

2.2 進路管理子系統

進路管理子系統主要完成將進路信息轉換為道岔控制信息的功能，在解析進路管理服務器發(fā)送的進路信息后，實時計算出有軌電車對應的進路方向和道岔位置。道岔控制系統的進路控制模式包括自動轉換控制模式、車載人工控制模式、現地人工控制模式等。進路管理子系統完成對進路控制模式的管理。

自動控制模式下，道岔控制系統通過接收進路服務器下發(fā)的進路信息，結合進入控制區(qū)域的有軌電車信息，可在有機電車接近信號機時自動觸發(fā)設置電車進路，自動轉換道岔，并按聯鎖條件自動點亮軌旁信號機；有機電車出清該進路后，該進路解鎖。

車載人工控制模式下，當有軌電車接近控制區(qū)域時，由司機在有機電車上通過車載設備遙控道岔，辦理相應的進路；有機電車出清該進路后，進路解鎖。

現地人工控制模式下，由司機或軌旁工作人員在現地道岔控制柜中人工排列進路；有軌電車出清該進路后，進路解鎖。

自動控制模式下，進路管理子系統按照“先入先出”的原則自動為有軌電車排列相應的進路。當多列有軌電車同時需要排列進路時，進路管理子系統按照隊列模式依次為有軌電車辦理進路。與公共交通信號燈存在接口時，進路管理子系統可智能地優(yōu)先辦理與交通信號相一致的有軌電車進路，提高有軌電車通過的效率。此外，進路管理子系統還支持進路的優(yōu)先搶權，可為取得優(yōu)先通過權的有軌電車優(yōu)先辦理進路。

2.3 輸入輸出子系統

輸入輸出子系統是道岔控制系統運行的基礎，主要實現對外圍設備(包括道岔、信號機、軌道區(qū)段等)的數據采集和控制。輸入輸出子系統通過CAN(現場總線)與聯鎖邏輯子系統連接，具有故障-安全功能。為了適用于多種場合，增強實用性，有軌電車道岔控制系統采用了具有智能化的全電子執(zhí)行單元。全電子執(zhí)行單元采用全電子電路,由具有不同功能的各種模塊組成。電子模塊根據道岔、信號機、軌道區(qū)段等不同類型的控制與采集對象，按照完全獨立的單元模塊結構研究設計，使每個模塊相對獨立[7-8]。電子模塊將基礎數據中的元素相應劃分為不同類別，并包含獲取相應元素信息的驅動采集函數。采用智能輸入輸出子系統可減少繼電器的使用量，便于維護與維修。

2.4 通信接口子系統

現代有軌電車道岔控制系統需同車載控制系統及進路管理服務器進行信息交互，以滿足其業(yè)務需求。由于進路信息相關數據數量龐大、信息復雜、對信息傳輸實時性的要求高，故道岔控制系統使用UDP(用戶數據包)協議的數據通信方式與進路管理服務器建立通信通道。通信數據為雙向傳輸。道岔控制子系統向進路管理服務器發(fā)送的信息包括道岔控制系統工作狀態(tài)、信號機顯示狀態(tài)、信號機報警信息、道岔狀態(tài)、道岔報警信息及其他報警信息。進路管理服務器向道岔控制子系統發(fā)送的信息包括路徑ID、列車ID及進路信息。

車地采用開放式通信時，交互信息較少，但對傳輸可靠性要求高。道岔控制系統使用CAN(控制器局域網)協議的數據通信方式建立與車載控制系統的通信通道，通信數據為雙向傳輸。道岔控制子系統向車載控制系統發(fā)送的信息包括列車運行前方信號機顯示狀態(tài)(左轉、右轉、直行)、進路狀態(tài)。車載控制系統向道岔控制子系統發(fā)送的信息包括進路控制模式、列車ID、路徑號、進路方向及操作命令。

2.5 道岔控制系統仿真試驗

為充分驗證道岔控制系統的功能完備性與功能安全性，對系統功能進行了仿真試驗。仿真試驗環(huán)境功能齊全(包括設備齊全、故障模擬齊全)。測試的道岔控制系統包括運行調度管理子系統、車載子系統、信號機及道岔等。試驗線路分別為帶折返的中間線路和十字路口線路，如圖2～3所示。

圖2 帶折返的中間線路

仿真試驗結果表明：當有軌電車通過帶折返的中間線路時,道岔控制系統可自動完成折入進路和折出進路的建立和解鎖；當多列有軌電車通過十字路口線路時，道岔控制系統可滿足“先入先出”的原則，并提高有軌電車通過效率。

圖3 典型十字路口線路

可見，道岔控制系統可與其他子系統共同實現列車的安全防護，滿足通過效率要求，實現了系統的基本功能。

3 結語

道岔控制系統是有軌電車運行控制系統中不可或缺的核心子系統，對有軌電車的行車安全起著重要作用。本文設計的有軌電車道岔控制系統，其功能較傳統的計算機聯鎖更完備；采用了模塊化的結構模式，成功實現了系統所需功能。試驗結果表明：道岔控制系統的安全性能，可滿足現代有軌電車的業(yè)務要求，達到了預期效果。