基于目標(biāo)控制器的鐵路應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)方案研究

卡斯柯信號(hào)有限公司 陳小猛 鄒國順 韋啟盟

中國幅員遼闊、內(nèi)陸深廣、人口眾多，資源分布及工業(yè)布局不平衡，鐵路作為人員和物資流通的重要渠道，非航空、公路能比擬。近年來，地震、水災(zāi)等自然災(zāi)害頻發(fā)，當(dāng)遇到自然災(zāi)害時(shí)，快速恢復(fù)鐵路生產(chǎn)秩序?qū)τ趪液腿嗣裼兄卮笠饬x。針對(duì)緊急情況下快速恢復(fù)鐵路運(yùn)輸秩序的需求，提出一種基于目標(biāo)控制器（Object controller，OC）的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)作為車站的大腦，對(duì)提高鐵路運(yùn)輸效率、保障鐵路運(yùn)輸安全起著舉足輕重的作用。當(dāng)因自然災(zāi)害或戰(zhàn)爭導(dǎo)致車站陷入癱瘓，完成一套傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，需要經(jīng)過設(shè)備安裝、室內(nèi)外線纜敷設(shè)、設(shè)備配線、室內(nèi)調(diào)試、室外調(diào)試等一系列繁復(fù)的過程，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法滿足快速恢復(fù)生產(chǎn)的需求。為了確保鐵路運(yùn)輸作業(yè)在突發(fā)事件后的限定時(shí)間內(nèi)能夠得到恢復(fù)，保證現(xiàn)場作業(yè)安全、提高作業(yè)效率，降低突發(fā)事件對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失。亟需一套應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)來快速恢復(fù)鐵路運(yùn)輸作業(yè)，本文提出的基于目標(biāo)控制器的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，具備結(jié)構(gòu)簡單、組態(tài)靈活、快速接入、施工簡單等特點(diǎn)，能夠以最快的速度打通鐵路運(yùn)輸通道、提高作業(yè)效率，為人員和物資運(yùn)輸提供安全保障。

1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖介紹

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)仍沿用了6502電氣集中的執(zhí)行組電路，主要包括信號(hào)點(diǎn)燈電路、道岔啟動(dòng)電路、軌道電路以及各種站間聯(lián)系電路，各種繼電電路經(jīng)過幾十年的發(fā)展與應(yīng)用，其可靠性和穩(wěn)定性早已得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可，其制原理如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制原理圖

受限于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在應(yīng)對(duì)突發(fā)緊急事件時(shí)仍有以下不足：

（1）使用大量定型組合。為了恢復(fù)對(duì)軌旁信號(hào)設(shè)備的控制，組合柜內(nèi)部需放置信號(hào)組合、道岔組合、軌道組合等定型組合，每個(gè)定型組合均需要使用大量繼電器。以道岔組合組合為例，每個(gè)直流道岔組合需要10臺(tái)繼電器，交流道岔組合需要17臺(tái)繼電器。組合內(nèi)部存需要完成大量放線、配線工作，施工周期長，時(shí)效性差，不能滿足緊急情況對(duì)時(shí)效的要求。

（2）安裝、調(diào)試工作量大?，F(xiàn)場需要?dú)v經(jīng)設(shè)備定位、設(shè)備安裝、室內(nèi)外線纜敷設(shè)、線纜配線、設(shè)備單體調(diào)試、室內(nèi)設(shè)備聯(lián)調(diào)、室內(nèi)外設(shè)備一致性核對(duì)等階段，最終完成調(diào)試投入使用。整個(gè)過程需要敷設(shè)大量的柜間線纜和室外干線電纜，線纜數(shù)量龐大，配線難度大、出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)高；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖內(nèi)部、組合柜內(nèi)部設(shè)備種類多安裝過耗時(shí)長；室外干線電纜數(shù)量多、距離長，敷設(shè)、安裝、防護(hù)難度大。

（3）備數(shù)量多，靈活相差。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通過接口柜、組合柜、分線柜等設(shè)備等設(shè)備控制軌旁信號(hào)設(shè)備。以應(yīng)急恢復(fù)一個(gè)車站的5組道岔、2條正線線路、1條側(cè)線線路、10架信號(hào)機(jī)為例，需要2套聯(lián)鎖機(jī)柜、3～4架組合柜、1架接口柜，不僅占用較大的信號(hào)機(jī)房面積，現(xiàn)場安裝也極為不便。

2 應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)方案

應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)按照各組成部分完成的功能劃分，如圖2所示，可劃分為：邏輯運(yùn)算單元、操作顯示設(shè)備、OC、應(yīng)急電源以及多模通信網(wǎng)關(guān)。

圖2 應(yīng)急系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 操作顯示設(shè)備

操作顯示設(shè)備布置于應(yīng)急指揮中心，主要由：工控機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備組成。具有站場信息顯示、操作道岔、辦理進(jìn)路等操作顯示功能，并顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息、操作提示信息、報(bào)警信息等。應(yīng)急指揮人員可通過鼠標(biāo)進(jìn)行有關(guān)操作，系統(tǒng)能夠給予簡潔明了的操作和語音提示。與邏輯運(yùn)算單元直接通信，操作顯示設(shè)備向邏輯運(yùn)算單元發(fā)送控制命令，邏輯運(yùn)算單元向操作顯示設(shè)備發(fā)送軌旁設(shè)備狀態(tài)信息。

2.2 邏輯運(yùn)算單元

邏輯運(yùn)算單元是運(yùn)算核心，布置于應(yīng)急指揮中心，通過局域網(wǎng)與操作顯示設(shè)備進(jìn)行通信，其主要功能如下：

（1）接收并執(zhí)行由操作顯示設(shè)備發(fā)送的操作命令，并將控制區(qū)域內(nèi)軌旁設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給操作顯示子系統(tǒng)。

（2）能夠執(zhí)行邏輯運(yùn)算，根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果向OC發(fā)送控制命令，并接收目標(biāo)控制器采集到的軌旁設(shè)備狀態(tài)信息。

（3）可通過多模網(wǎng)關(guān)與多站目標(biāo)控制器通信，實(shí)現(xiàn)多站集中控制。

2.3 多模通信網(wǎng)關(guān)

多模通信網(wǎng)關(guān)如圖3所示，是融合了Wi-Fi通信、5G通信以及衛(wèi)星通信的無線通信技術(shù)，同時(shí)使用上述3種無線通信方式，可以自動(dòng)在Wi-Fi、5G以及衛(wèi)星傳輸之間進(jìn)行切換。在任一種通道出現(xiàn)性能不足時(shí)可啟用多路傳輸。

圖3 多模通信網(wǎng)關(guān)原理圖

多模通信網(wǎng)關(guān)采用冗余方式布置，提供以太網(wǎng)絡(luò)接口，現(xiàn)場OC設(shè)備和中心邏輯運(yùn)算單元直接通過以太網(wǎng)絡(luò)接口與多模通信網(wǎng)關(guān)連接，亦可通過交換機(jī)設(shè)備對(duì)網(wǎng)口進(jìn)行集連后接入多模通信網(wǎng)關(guān)。

2.4 目標(biāo)控制器

目標(biāo)控制器由多個(gè)控制板組成，直接布置于軌旁，目標(biāo)控制器可根據(jù)需要布置多種控制板，每個(gè)目標(biāo)控制器均設(shè)置獨(dú)立的通信控制板，通過多模通信網(wǎng)關(guān)與邏輯運(yùn)算單元進(jìn)行通信。目標(biāo)控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，接收邏輯運(yùn)算單元控制命令完成道岔、信號(hào)機(jī)等信號(hào)設(shè)備的控制，并將采集的道岔、信號(hào)機(jī)和軌道電路狀態(tài)信息發(fā)送給邏輯運(yùn)算單元。

圖4 目標(biāo)控制器組成示意圖

2.5 應(yīng)急電源

應(yīng)急電源為目標(biāo)控制器提供220V交流電源，用以完成信號(hào)機(jī)和轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制，若軌旁使用交流轉(zhuǎn)轍機(jī)則需要同時(shí)提供380V交流電源。結(jié)合軌旁軌道電路類型，提供所需的軌道電源。

3 應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用場景

3.1 道岔設(shè)備應(yīng)急恢復(fù)

（1）道岔控制原理

轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備能夠轉(zhuǎn)換道岔位置，鎖閉道岔岔尖，反映道岔位置，是重要的軌旁信號(hào)設(shè)備。在緊急情況下如何能夠快速恢復(fù)轉(zhuǎn)轍機(jī)的使用對(duì)保證行車安全、提高運(yùn)輸效率、改善行車人員勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中軌旁道岔控制設(shè)備主要由交流道岔控制板、直流道岔控制板、多模網(wǎng)關(guān)組成，如圖5。交流道岔控制板和直流道岔控制板通過多模網(wǎng)關(guān)獲取邏輯運(yùn)算單元的控制命令，并通過多模通信網(wǎng)關(guān)向邏輯運(yùn)算單元發(fā)送道岔表示信息。

圖5 道岔控制原理圖

（2）道岔控制過程

邏輯運(yùn)算單元通過多模網(wǎng)關(guān)，向道岔控制板發(fā)送控制命令，道岔控制板通過多模網(wǎng)關(guān)接收到道岔控制命令后，通過對(duì)應(yīng)接口向轉(zhuǎn)轍機(jī)輸出動(dòng)作電源；轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換到位后，溝通表示電路，將表示信息發(fā)送給道岔控制板；通過多模網(wǎng)關(guān)將道岔狀態(tài)信息發(fā)送給邏輯運(yùn)算單元，邏輯運(yùn)算單元通過多模通信網(wǎng)關(guān)獲取軌旁道岔位置信息。5線制道岔控制板與交流轉(zhuǎn)轍機(jī)間接口如圖6所示，共有5根電纜分別為：X1、X2、X3、X4、X5。

圖6 5線制道岔控制板與轉(zhuǎn)轍機(jī)接口

5線制道岔控制板收到定操控制命令后，向轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備輸出五線制轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，輸出電源滿足如下相序：

X1輸出三相380V三相交流50Hz電源的A相；

X2輸出三相380V三相交流50Hz電源的B相；

X5輸出三相380V三相交流50Hz電源的C相。

5線制道岔控制板收到定操控制命令后，向轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備輸出五線制轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，輸出電源滿足如下相序：

X1輸出三相380V三相交流50Hz電源的A相；

X4輸出三相380V三相交流50Hz電源的B相；

X3輸出三相380V三相交流50Hz電源的C相。

道岔控制板與直流轉(zhuǎn)轍機(jī)間接口（以四線制道岔為例）如圖7所示，共有4根電纜分別為：X1、X2、X3、X4。

圖7 4/6線制道岔控制板與轉(zhuǎn)轍機(jī)接口

直流道岔控制板收到定位操縱命令后，通過X1、X4向轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備輸出直流轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作到位后通過X1、X3溝通道岔定位表示回路；直流道岔控制板收到反位操操縱命令后，通過X2、X4向轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備輸出直流轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作到位后通過X2、X3溝通道岔反位表示回路。

3.2 信號(hào)機(jī)設(shè)備應(yīng)急恢復(fù)

（1）信號(hào)機(jī)控制原理

信號(hào)機(jī)能夠提供黃、綠、紅、黃、白等多種信號(hào)顯示，是指示列車運(yùn)行的重要軌旁信號(hào)設(shè)備。在緊急情況下快速恢復(fù)信號(hào)機(jī)設(shè)備，能夠有力的保證行車安全、提高運(yùn)輸效率。應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中軌旁信號(hào)機(jī)設(shè)備主要由信號(hào)機(jī)控制板、多模網(wǎng)關(guān)組成，如圖8所示。信號(hào)機(jī)控制板通過多模網(wǎng)關(guān)獲取邏輯運(yùn)算單元的控制命令，完成軌旁信號(hào)機(jī)的控制，并通過多模通信網(wǎng)關(guān)向邏輯運(yùn)算單元發(fā)送信號(hào)機(jī)的狀態(tài)信息。

圖8 信號(hào)機(jī)控制板信息流

（2）信號(hào)機(jī)機(jī)控制過程

邏輯運(yùn)算單元通過多模網(wǎng)關(guān)，向信號(hào)機(jī)控制板發(fā)送控制命令，信號(hào)機(jī)控制板通過多模網(wǎng)關(guān)接收到信號(hào)機(jī)控制命令后，通過對(duì)應(yīng)接口向信號(hào)機(jī)輸出動(dòng)作電源；軌旁信號(hào)機(jī)點(diǎn)亮后，信號(hào)機(jī)控制板通過多模網(wǎng)關(guān)將信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息發(fā)送給邏輯運(yùn)算單元，邏輯運(yùn)算單元通過多模通信網(wǎng)關(guān)獲取軌旁信號(hào)機(jī)信息。

信號(hào)機(jī)控制板與信號(hào)機(jī)間接口如圖9所示，應(yīng)急電源直接為信號(hào)機(jī)控制板提供點(diǎn)燈電源，信號(hào)機(jī)控制板可控制多架信號(hào)機(jī)。

圖9 信號(hào)機(jī)控制板與信號(hào)機(jī)接口

3.3 軌道電路應(yīng)急恢復(fù)

（1）軌道電路采集原理

軌道電路能夠反映列車的占用出清狀態(tài)，正確的獲取軌道電路的狀態(tài)對(duì)保證行車安全起著至關(guān)重要的作用。在緊急情況下快速恢復(fù)軌道狀態(tài)的采集，能夠有效提高運(yùn)輸效率、保障行車安全、降低運(yùn)輸人員勞動(dòng)強(qiáng)度。應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中軌道狀態(tài)采集主要由軌道控制板、多模網(wǎng)關(guān)組成，如圖10所示。軌道控制板采集到軌道電路狀態(tài)后，通過多模通信網(wǎng)關(guān)向邏輯運(yùn)算單元發(fā)送軌道區(qū)段的狀態(tài)信息。

圖10 信號(hào)機(jī)控制板信息流

（2）軌道狀態(tài)采集過程

軌道機(jī)控制板通過多模網(wǎng)關(guān)將軌道狀態(tài)信息發(fā)送給邏輯運(yùn)算單元，邏輯運(yùn)算單元通過多模通信網(wǎng)關(guān)獲取軌旁信號(hào)機(jī)信息。

軌道控制板與軌道接口如圖11所示，應(yīng)急電源直接為信號(hào)機(jī)控制板提局部電源，軌道控制板可控制個(gè)軌道區(qū)段。

圖11 軌道控制板與軌道接口

結(jié)束語：本文從傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在應(yīng)急響應(yīng)場景下的弊端、應(yīng)急響應(yīng)總體技術(shù)方案、應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用場景等維度，對(duì)基于目標(biāo)控制器的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的進(jìn)行研究分析。該系統(tǒng)具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、電子化、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)，面對(duì)突發(fā)情況能夠已最快的速度恢復(fù)鐵路運(yùn)營秩序，保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全，該系統(tǒng)可以作為既有系統(tǒng)補(bǔ)充，為鐵路控制系統(tǒng)提供一種應(yīng)對(duì)鐵路系統(tǒng)突發(fā)事件的新思路。