鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的研究與設(shè)計

王彩

（新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830011）

近幾年，隨著鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，高密性、重載性以及高速性成為了其主要發(fā)展方向，大部分車站的鐵路信號聯(lián)鎖裝置已經(jīng)沒有辦法滿足鐵路信號安全性的更好需求。從技術(shù)方面來看，電氣聯(lián)鎖和機械聯(lián)鎖是鐵路信號系統(tǒng)所經(jīng)歷的最重要兩個階段?，F(xiàn)如今，我國繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)仍然應(yīng)用在干線鐵路和企業(yè)自備鐵路中。在70年代末期出現(xiàn)的新型微處理器以及相關(guān)技術(shù)理論的完善，正在使人們認(rèn)識到以微型計算機所謂計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)核心應(yīng)用的重要性。

通常情況下，常規(guī)的計算機控制系統(tǒng)不能保證故障解決工作的安全性，不能辨別外部輸入的信息是否正確，以及不能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候給予正確的安全導(dǎo)向，在實際應(yīng)用上受到了很大的約束。目前，存在于我國干線鐵路的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，大多數(shù)都是價格昂貴的國外鐵路信號公司的容錯計算機控制系統(tǒng)。因此，最近幾年，國內(nèi)也有不少鐵路科研院的專業(yè)人員都將鐵路安全的信號控制系統(tǒng)作為主要研究內(nèi)容。只有確保在鐵路工程中有效應(yīng)用計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，才能將鐵路信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率降到最低，最終使鐵路企業(yè)能夠安全的運作。

1 關(guān)于計算機聯(lián)鎖系的定義和作用

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)指的在計算機系統(tǒng)的有效應(yīng)用下，結(jié)合硬件和軟件，從而保證鐵路信號各組成部分有一個穩(wěn)定的聯(lián)鎖關(guān)系。從根本上來講，也是一種相對安全的邏輯運算系統(tǒng)。在此過程中，可以錄入操作信息命令，在邏輯系統(tǒng)中得到最準(zhǔn)確的數(shù)值。并向執(zhí)行機構(gòu)反饋有價值的信息，建立高效率的傳輸通道。從計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能角度來看，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)不但可以控制繼電聯(lián)鎖設(shè)備，同時在計算機設(shè)備的告訴處理下，還有良好的儲存和聯(lián)網(wǎng)功能，對繼電器聯(lián)鎖設(shè)備的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

2 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要特點

2.1 實效性特征

此特點代表著信息能夠通過計算機進(jìn)行有效的傳輸，利用分析和判斷輸入的信息，及時更新各種各樣的信息，然后安全的方式將信息傳遞出去。因此利用計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N信息的變化情況進(jìn)行實時掌握，使信號傳輸更加高效，這便是體現(xiàn)了計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的實效性。

2.2 經(jīng)濟性特點

在鐵路工程中，計算機系統(tǒng)之所以被廣泛應(yīng)用，就是因為系統(tǒng)性的經(jīng)濟特點，聯(lián)鎖系統(tǒng)在很大程度上有效減少行業(yè)的程序成本投入。

2.3 機構(gòu)模塊標(biāo)準(zhǔn)化特點

在各個不同的領(lǐng)域應(yīng)用計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，它的功能也各不相同，以應(yīng)用在鐵路工程中舉例，因為鐵路車站規(guī)模不同，因此，對結(jié)構(gòu)模塊的要求也有所不同。所以，在計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，它的硬件和軟件都相對比較標(biāo)準(zhǔn)。

圖1：可靠性冗余結(jié)構(gòu)圖

圖2：安全性冗余結(jié)構(gòu)圖

2.4 系統(tǒng)功能拓展性特點

以往的繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)，只有操作界面和解鎖功能在用戶的范圍之內(nèi)，缺乏其他功能的設(shè)計，但是通過計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠有效填補這一漏洞，使鐵路信號系統(tǒng)除了具備以上幾個特點之外，還兼具了遠(yuǎn)程通信等相關(guān)管理功能。

2.5 系統(tǒng)安全特點

由于上述實效性的特點，因此系統(tǒng)的安全和可靠就顯得至關(guān)重要。那么為了減少鐵路通信系統(tǒng)的故障，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)要針對這倆方面提出有效措施，這樣才能使信息在計算機系統(tǒng)中高效安全地傳遞。但是計算機本身就具備著不安全的特性，因此，這些安全隱患問題的解決刻不容緩。

3 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和組成部分

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是利用計算機技術(shù)來取代以往的繼電技術(shù)，在車站內(nèi)部構(gòu)建出實時控制系統(tǒng)。和類似于視頻監(jiān)控的相關(guān)控制系統(tǒng)相比，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)具有自己獨特的特點，不僅要具有可靠性的實時目標(biāo)，同時還要保證列車行車的安全，在技術(shù)應(yīng)用方面具有嚴(yán)格的安全指標(biāo)。

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)和工業(yè)市場上大多數(shù)的微機實時控制系統(tǒng)存在著很多共同點，通常組成為：聯(lián)鎖機、接口、過程輸入通道和相關(guān)的外部的輔助設(shè)備，通過系統(tǒng)的主線關(guān)聯(lián)在一起，最終形成了一個完整的計算機車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

由于對實效性和安全性的嚴(yán)格要求，對聯(lián)鎖系統(tǒng)的技術(shù)方面來講，只采用單層的結(jié)構(gòu)是無法滿足其技術(shù)要求的，應(yīng)該要用到更多層次的結(jié)構(gòu)體系。鐵路車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是通過技術(shù)手段來控制站場的進(jìn)路。在操作指令下發(fā)到進(jìn)路控制的過程中，主要可以分為人機對話層、聯(lián)鎖層以及控制層。人機對話層主要負(fù)責(zé)的是操作指令的下達(dá)，以及對實時站場內(nèi)部的情況進(jìn)行接收，最終在顯示屏幕上顯示出來。聯(lián)鎖層主要負(fù)責(zé)的是對接收到的信息進(jìn)行分析和處理，滿足聯(lián)鎖操作條件的信息才能傳遞到控制層。而控制層則是對室外進(jìn)路控制信號設(shè)備進(jìn)行控制，并采集其狀態(tài)信息。具體對象為：信號機、道岔和軌道電路。

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在通過微機技術(shù)對車站信號進(jìn)行實時監(jiān)控時，必須要確定系統(tǒng)的可靠性，保證在安全原則下進(jìn)行故障排解。這時就需要在軟件方面利用冗余技術(shù)應(yīng)用到軟件各部分模塊當(dāng)中，雖然在系統(tǒng)功能角度來看，增加模塊是沒必要的，但是它恰恰能夠保證系統(tǒng)運行能夠安全可靠。雖然冗余系統(tǒng)在不同的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，所表現(xiàn)出的方式不同，但是其中也有可靠性冗余結(jié)構(gòu)和安全性冗余結(jié)構(gòu)這樣的共同之處。

如圖1 所示為可靠性冗余結(jié)構(gòu)。為了有效降低系統(tǒng)軟件在故障時停止運作的幾率，應(yīng)用儲備的二重結(jié)構(gòu)，也就是加強可靠性來采取“或”關(guān)系的二重結(jié)構(gòu)。安全性冗余結(jié)構(gòu)在圖2 中有所展示。為了降低系統(tǒng)故障是的危險性，要應(yīng)用互相對比的二重結(jié)構(gòu)。

依據(jù)不同類型的冗余結(jié)構(gòu)，聯(lián)鎖系統(tǒng)也可以分為單機、雙擊儲備、三級表決以及二乘二取二的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。

4 鐵路計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

4.1 設(shè)計聯(lián)鎖數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以分為：繪制站場圖中的靜態(tài)站場數(shù)據(jù)和進(jìn)路表的靜態(tài)數(shù)據(jù)文件。站場靜態(tài)數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于初始化站場設(shè)備控件和儲存站場空間的具體位置等。其中上位機軟件和模擬指標(biāo)軟件等，都需要從中讀取到完整的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件可以分為兩個階段：概述和詳述。其中站場名稱、屏幕的寬度和亮度、XY 網(wǎng)格的大小以及控件總數(shù)，都是概述的主要組成內(nèi)容。XY 網(wǎng)格的作用主要是為了明確控件在整個站場圖的位置。

在鐵路計算機軟件聯(lián)鎖處理過程當(dāng)中，所需要處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，一個有效的處理措施直接影響著聯(lián)鎖程序的應(yīng)用質(zhì)量。在設(shè)計進(jìn)路表靜態(tài)文件時，要對每一條進(jìn)路都單獨列出一個數(shù)據(jù)表，在此進(jìn)路表中，納入所有與此進(jìn)路是相關(guān)的特性和變量。通常情況下，進(jìn)路表的設(shè)計站場普遍很小，進(jìn)路的數(shù)量少又單一，應(yīng)用進(jìn)路表靜態(tài)文件，能夠加快進(jìn)路的處理速度，并能夠保證進(jìn)路處理工作的高效性和安全性。具體進(jìn)路表應(yīng)該囊括以下數(shù)據(jù)：進(jìn)路起始段信號機名稱、進(jìn)路終止端信號機名稱、進(jìn)路的具體方式、所有岔道的詳細(xì)信息、所有區(qū)段的全部信息、信號機信息、進(jìn)路組成結(jié)構(gòu)、有關(guān)敵對信號的相關(guān)消息。在這些數(shù)據(jù)當(dāng)中，進(jìn)路的方式可以用數(shù)字來進(jìn)行標(biāo)識，例如：1 代表正線接車的進(jìn)路、2 代表側(cè)線接車進(jìn)路的情況、3 代表正線發(fā)車、4 代表側(cè)線發(fā)車、5、6 分別代表不同的調(diào)車進(jìn)路。

4.2 設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在鐵路計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，上位機、聯(lián)鎖機和模擬指標(biāo)機在信息傳遞上，都需要一個明確的格式，而且三者也有各自不同的方向。首先是從模擬指標(biāo)機到上位機的傳遞方向。模擬指標(biāo)機→聯(lián)鎖機和聯(lián)鎖機→上位機，都需要將站場上的控件信息傳遞出去。站場設(shè)備的狀態(tài)也是由各種繼電器的線路來決定的，在采集到的每個繼電器上面的數(shù)值在聯(lián)鎖系統(tǒng)中被稱為開關(guān)量。在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，每個站場的設(shè)備都有兩個狀態(tài)位“0”和“1”的共同特性。

其次，在上位機到模擬指標(biāo)機的傳輸過程中，上位機→聯(lián)鎖機指的講信息從上位機傳遞到聯(lián)鎖機；聯(lián)鎖機→模擬指標(biāo)機代表著收到上位機傳送過來的信息，經(jīng)過聯(lián)鎖處理，最終安全輸送出站場，實現(xiàn)聯(lián)鎖控制。

進(jìn)路的排列數(shù)據(jù)命令格式為：

?

取消進(jìn)路的命令格式為：

聯(lián)鎖機到模擬指標(biāo)及的軟件傳送，實質(zhì)上是模擬聯(lián)鎖處理后的站場設(shè)備操作命令。

4.3 改變聯(lián)鎖信號的邏輯表達(dá)方式

在鐵路計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中硬件設(shè)備保證了信息的安全性，因為硬件存在著第二種邏輯的特點：安全和危險。根據(jù)故障發(fā)生的原則可以知道，一旦硬件設(shè)備出現(xiàn)故障，就會很大概率的呈現(xiàn)導(dǎo)向狀態(tài)。這時就必須要保證電子電路的輸出具有不對稱性，也就是在電路出現(xiàn)故障的時候，保證安全性信息能夠占有更高的優(yōu)勢。由此可見，常規(guī)的電子電路設(shè)計和邏輯表達(dá)方式很難滿足其要求，最根本的原因是因為“s-a-0”和“s-a-1”兩種固定邏輯型出現(xiàn)的故障是對稱的。因此要將聯(lián)鎖信號的邏輯表達(dá)形式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，在HJ04A 系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用了動靜結(jié)合的相位判斷安全邏輯表達(dá)形式，這樣可以很好地滿足聯(lián)鎖系統(tǒng)提出的容錯率。

4.4 加強可靠性和故障的安全設(shè)計

在鐵路信號領(lǐng)域范圍內(nèi)，行車安全一直都是鐵路工程重點關(guān)注的對象。因此對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性和可靠性要求十分嚴(yán)格，面對這樣的情況，有兩種設(shè)計方式可以提供參考。一是加強系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，此方法是基于可靠性的理論當(dāng)中包含了系統(tǒng)故障的屏蔽效應(yīng)，因此來用高可靠性來換取計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的低故障率。但是可靠性技術(shù)一直都受不同程度的條件所控制，例如硬件冗余資源使用、高可靠性器材等。如果計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠在可靠性的前提下來實現(xiàn)技術(shù)安全，那么也同樣能夠滿足鐵路信號穩(wěn)定性為系統(tǒng)性能的高要求。

5 結(jié)束語

總而言之，鐵路計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)作為一種在鐵路工程中應(yīng)用廣泛的一種新型現(xiàn)代化系統(tǒng)，不到能夠提高鐵路列車的運作效率，同時還能夠加快鐵路的自動化水平發(fā)展和管理水平發(fā)展。通過研究和分析計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，最終采取三模靜態(tài)的冗余技術(shù)，有效處理因系統(tǒng)故障造成的危險性問題，進(jìn)而使我國鐵路事業(yè)的發(fā)展能夠有一個良好的支持。