城市軌道交通信號(hào)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探析

陳兆衛(wèi)

（中鐵通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 ，100036）

1 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)概述

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分，融合應(yīng)用了現(xiàn)代電子信息技術(shù)、可靠性冗余技術(shù)在內(nèi)的多項(xiàng)主流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，凸顯出電子化、模塊化的特征[1-2]，在此技術(shù)應(yīng)用思路下，為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的升級(jí)創(chuàng)設(shè)了良好的基礎(chǔ)。

全電子聯(lián)鎖的核心組成包含安全平臺(tái)和聯(lián)鎖應(yīng)用2部分，采用的是電子接口型安全平臺(tái)，技術(shù)形式與繼電接口相比，安全功能更為突出。繼電接口型安全平臺(tái)運(yùn)行中，采用繼電接口電路，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)室外信號(hào)設(shè)備的控制，繼電接口與電子接口平臺(tái)對(duì)比見圖1。間接口電路，可顯著提升可靠性。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)的繼電接口電路，其除了完成接口功能外，還需提供防護(hù)功能；而對(duì)于繼電接口型安全平臺(tái)，需充分保留既有接口電路的安全功能，以免影響到系統(tǒng)的安全性。

圖1 繼電接口與電子接口平臺(tái)對(duì)比

電子接口型安全平臺(tái)作為一種新型方案，在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些問題，例如：不再采取弱電控制的模式，需要主動(dòng)向強(qiáng)電控制轉(zhuǎn)換；電子器件存在故障時(shí)，如何維持導(dǎo)向安全極為關(guān)鍵；無繼電接口電路的隔離，即此時(shí)室外的強(qiáng)干擾將有可能造成影響。電子接口型安全平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)也較為突出，其功能的多樣化特征顯著，具有傳統(tǒng)繼電接口電路所不具備的功能，其中以基于編碼的電路較為突出，在此項(xiàng)功能的加持下，可提高混線防護(hù)水平；又如燈絲檢測(cè)功能，能夠及時(shí)掌握燈絲的實(shí)際工作狀態(tài)，更快地識(shí)別出故障狀態(tài)的部分。

2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要特征

2.1 執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電子化

對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖執(zhí)行層，在其配置工作中，通過與6502相同的執(zhí)行組電路與室外設(shè)備接口，此方式的局限之處在于需要配套豐富的鐵路專用繼電器，且隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，更易出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化問題，后期運(yùn)維階段需要定期更換，工作繁瑣，成本較高。全電子化聯(lián)鎖系統(tǒng)則對(duì)硬件裝置的配套方式做出升級(jí)，此時(shí)不再采用重力型安全繼電器，儀器配置得到精簡(jiǎn)，取而代之的是電力電子開關(guān)器件，更加高效地控制室外設(shè)備，具有穩(wěn)定可靠、維修便捷等突出特點(diǎn)。

2.2 監(jiān)測(cè)一體化功能

信號(hào)集中監(jiān)測(cè)的模式能夠全面采集動(dòng)作電流、工作電壓等各項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，進(jìn)而做出相應(yīng)調(diào)控，例如道岔的電流動(dòng)作曲線則具有重要的參考價(jià)值。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖方式，實(shí)施的是開關(guān)量控制的機(jī)制，而全電子聯(lián)鎖模塊則配套采集電路，由其生成信號(hào)，以便對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵的信息全面監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)水平得以提高，且無需單獨(dú)安裝采集傳感器，達(dá)到精簡(jiǎn)配置、提高運(yùn)行水平的效果。

2.3 設(shè)備小型化特征突出

全電子化聯(lián)鎖系統(tǒng)采用到功能性較強(qiáng)的電子器件，在此配套方式下，可以實(shí)現(xiàn)6502執(zhí)行組電路的功能，而該類電子器件的尺寸較小，可減少對(duì)空間的占用量，尤其是在軌道交通行業(yè)，可以減小車站的建筑規(guī)模降低土建的建設(shè)成本。以6502執(zhí)行組電路的應(yīng)用為例，對(duì)于單個(gè)道岔而言，需要配套7個(gè)繼電器，而在全電子化聯(lián)鎖系統(tǒng)中，僅用體積較小的全電子模塊即可有效替代，設(shè)備的配套復(fù)雜度降低，現(xiàn)場(chǎng)檢維修工作量也隨之減少。

3 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

3.1 關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮多類標(biāo)準(zhǔn)，全方位提高全電子聯(lián)鎖的應(yīng)用水平，全電子聯(lián)鎖開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要包括EN5012X系列標(biāo)準(zhǔn)，鐵路信號(hào)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。全電子聯(lián)鎖開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可分為3類。

第1類：通用的安全標(biāo)準(zhǔn)，適用于電子系統(tǒng)的EN 50129、安全軟件的EN 50128等。

第2類：鐵路信號(hào)行業(yè)類標(biāo)準(zhǔn)，例如《LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)通用技術(shù)條件》（TB/T 3242—2010），諸如此類標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)在于提出明確的外部要求和約束，以保證運(yùn)行環(huán)境的合理性。

第3類：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖直接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，較為關(guān)鍵的是《鐵路車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》（TB/T 3027—2015），給車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖做出更為清晰的引導(dǎo)，提出聯(lián)鎖功能、可靠性要求、軟硬件配套要求等。在整個(gè)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖所涵蓋的各項(xiàng)細(xì)分內(nèi)容中，全電子聯(lián)鎖屬于重要組成部分，因此該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的頒布對(duì)于全電子聯(lián)鎖相關(guān)工作的開展具有重要的引導(dǎo)意義。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的構(gòu)成包含3部分：

（1）人機(jī)對(duì)話層。接收操作命令，高效地傳遞給聯(lián)鎖運(yùn)算層；接收狀態(tài)表示信息，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出報(bào)警和提示信息，起到告知的作用。

（2）聯(lián)鎖運(yùn)算層。核心功能在于負(fù)責(zé)聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，操作命令和接收設(shè)備狀態(tài)信息均可由該層接收，在獲得相應(yīng)的信息后，展開計(jì)算，據(jù)此生成相應(yīng)的控制命令，傳輸給執(zhí)行表示層，以便進(jìn)一步操作。

（3）執(zhí)行表示層。一方面，可全面采集源自于接口設(shè)備的信息，并將此部分完整地送至聯(lián)鎖運(yùn)算層；另一方面，接收輸出命令，有效控制驅(qū)動(dòng)接口繼電器。

3.3 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)層次：操作接口層、主控層和執(zhí)行層。

（1）操作接口層由聯(lián)鎖監(jiān)控機(jī)和維修機(jī)組成。分別為調(diào)度人員和信號(hào)人員提供設(shè)備操作監(jiān)控和分析維護(hù)兩類不同的功能界面，同時(shí)也為其它系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。

（2）主控層由聯(lián)鎖邏輯主機(jī)構(gòu)成。是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)完成其主要控制邏輯和功能邏輯的核心層，是系統(tǒng)安全平臺(tái)的核心。

（3）執(zhí)行層由對(duì)象控制器和各種執(zhí)行單元組成。接受主控層的控制，直接控制室外設(shè)備并采集室外設(shè)備狀態(tài)。其中執(zhí)行層電子執(zhí)行系統(tǒng)采用全電子接口單元直接對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)等軌旁設(shè)備進(jìn)行控制和狀態(tài)采集，取代了數(shù)量眾多的安全型繼電器。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仍保留了前述提及的3部分，但以執(zhí)行表示層較為特殊，在傳統(tǒng)方式的基礎(chǔ)上升級(jí)，此時(shí)采用到電子執(zhí)行單元，接收聯(lián)鎖運(yùn)算層的控制命令，進(jìn)而得到引導(dǎo)，做出相應(yīng)的控制動(dòng)作；并且，可全面采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)信息；也可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的模擬量信息做轉(zhuǎn)化處理，得到相應(yīng)的數(shù)字量，在此運(yùn)行機(jī)制下，發(fā)揮出集中監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能優(yōu)勢(shì)。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 全電子聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)

3.4 系統(tǒng)安全層面的要求

全電子聯(lián)鎖取消繼電接口電路，由于采取到此布置方式，聯(lián)鎖系統(tǒng)需承擔(dān)原本繼電接口提供的接口功能，顯現(xiàn)出系統(tǒng)邊界擴(kuò)大的特征。

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖中，采用到繼電接口，相關(guān)行業(yè)規(guī)范對(duì)其安全功能每小時(shí)容許危害率做出明確限定，要求該值必須控制在1×10-8以內(nèi)。從邏輯功能邊界的角度看，全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖有其獨(dú)特性，其融入接口功能部分，此時(shí)自然會(huì)對(duì)安全功能提出更高的要求，一方面需要充分考慮到傳統(tǒng)聯(lián)鎖執(zhí)行表示層所具備的安全功能，另一方面則要密切關(guān)注到傳統(tǒng)模式下的繼電電路，必須實(shí)現(xiàn)其具備的安全功能。

通過對(duì)傳統(tǒng)繼電接口電路的分析可以得知，其配套安全型繼電器，視為本質(zhì)安全一類。在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析，對(duì)于全電子聯(lián)鎖的模式，配套有電子執(zhí)行模塊，要求應(yīng)當(dāng)具備傳統(tǒng)模式下的相關(guān)安全功能，不僅于此，還需進(jìn)一步考慮到安全完整性的要求，即至少滿足執(zhí)行表示層的安全設(shè)計(jì)要求；新模式下，配套的電子執(zhí)行單元需要有良好的協(xié)調(diào)性特征，不可危及行車安全的驅(qū)動(dòng)，也不可對(duì)正常的信息輸出動(dòng)作造成干擾。

3.5 信號(hào)機(jī)模塊的設(shè)計(jì)

（1）從2個(gè)思路切入，開展信號(hào)機(jī)模塊的設(shè)計(jì)工作。①采用智能控制模塊，在此配置方式下，點(diǎn)燈命令由聯(lián)鎖運(yùn)算層下發(fā)，在調(diào)控機(jī)制下形成特定的燈光組合，或是靈活完成的斷絲處理操作；②匹配的是通用控制信號(hào)模塊，其突出優(yōu)勢(shì)在于邏輯較為簡(jiǎn)單，聯(lián)鎖邏輯具有重要的作用，例如實(shí)現(xiàn)對(duì)燈位的組合控制，也可以完成斷絲檢查作業(yè)。

（2）對(duì)于信號(hào)機(jī)模塊，無論在何種方式下，均要實(shí)現(xiàn)6502信號(hào)點(diǎn)燈電路所提供的幾項(xiàng)功能。例如：短路和混線保護(hù)，在開展信號(hào)點(diǎn)燈電路的設(shè)計(jì)工作中，需要有全局化的理念，兼顧斷線保護(hù)和混線防護(hù)的雙重要求，以便營(yíng)造良好的運(yùn)行環(huán)境；燈絲監(jiān)督功能，例如同時(shí)點(diǎn)亮兩個(gè)或更多燈光的情況，以便及時(shí)識(shí)別到其中某斷絲的燈泡；而在點(diǎn)亮單個(gè)燈光的狀態(tài)下，也必須針對(duì)斷絲現(xiàn)象做有效的反饋，及時(shí)反映出實(shí)際情況。

（3）信號(hào)機(jī)模塊的軟啟動(dòng)功能。在點(diǎn)燈的狀態(tài)下，啟動(dòng)電路有循序漸進(jìn)的變化狀態(tài)，逐步增加至正常值，在此方式下，可防止因燈絲突然點(diǎn)亮而產(chǎn)生大電流沖擊作用，對(duì)于燈絲而言有良好的保護(hù)效果，并且系統(tǒng)信號(hào)的可靠性也將大幅度提升，而從經(jīng)濟(jì)效益層面來看，維護(hù)成本也有所降低。

（4）信號(hào)機(jī)模塊的冷絲檢測(cè)功能。著重針對(duì)白熾燈展開測(cè)試，通過此方法的應(yīng)用，判斷燈泡在未點(diǎn)亮狀態(tài)下燈絲的實(shí)際情況（例如是否存在不完好的情況）。配置LED燈，需要開展對(duì)等的測(cè)試工作，目的在于檢查信號(hào)機(jī)的配線是否具有合理性，以及對(duì)電路的完好程度做出相應(yīng)判斷。

3.6 道岔模塊

現(xiàn)階段，四線制和五線制的電路較為常見，突出特性在于安全防護(hù)性能良好，在接地、短路等方面的防護(hù)工作中能夠取得突出的效果。道岔表示極為關(guān)鍵，原因在于其是極具重要性的信號(hào)設(shè)備，且從多數(shù)聯(lián)鎖廠家的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r看，對(duì)道岔表示功能也予以了高度關(guān)注，提高道岔表示的正確性，最大限度規(guī)避道岔表示電路故障帶來的風(fēng)險(xiǎn)，以保證安全。

在產(chǎn)生道岔轉(zhuǎn)換命令后，需要及時(shí)做出相應(yīng)的響應(yīng)，例如此時(shí)聯(lián)鎖軟件切斷道岔表示，后續(xù)采集到的道岔表示與發(fā)出命令一致時(shí)，認(rèn)可表示信息。

系統(tǒng)初始化時(shí)，對(duì)道岔表示提出特定的操作要求，此時(shí)需要用到人工確認(rèn)的方式，以免出現(xiàn)故障錯(cuò)誤表示的情況。而在有關(guān)于道岔模塊的設(shè)計(jì)中，還需要密切關(guān)注的是傳統(tǒng)道岔控制電路，重點(diǎn)識(shí)別其具備的安全防護(hù)功能，在全新的設(shè)計(jì)中予以保留，提升功能的可靠性。

3.7 分布式控制方式的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)面向生產(chǎn)過程采取分散控制措施，在自動(dòng)化水平逐步提高的背景下，對(duì)綜合控制系統(tǒng)的應(yīng)用水平提出更高的要求，此時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜度有所提高，通常需融合包含計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在內(nèi)的一系列技術(shù)形式，將危險(xiǎn)分散，減輕對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的不良影響。作為新型控制系統(tǒng)，踐行分散控制的理念，但與此同時(shí)又融合了集中管理的思想，總體呈現(xiàn)出層次化的結(jié)構(gòu)特征。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心組成包含聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算、操作表示、數(shù)據(jù)網(wǎng)、執(zhí)行單元，可采用的結(jié)構(gòu)包含集中聯(lián)鎖、分散控制，在安全通信技術(shù)迅猛發(fā)展的趨勢(shì)下，給全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的建立提供了重要的技術(shù)支持，此時(shí)更易實(shí)現(xiàn)分布式控制的目標(biāo)。

概括而言，在合理應(yīng)用分布式控制的方式后，可以取得以下效果：（1）被控子站的配置較為簡(jiǎn)單，僅設(shè)電子執(zhí)行終端即可，在降低配置難度的同時(shí)還可減少成本投入；（2）終端電子單元的布置更具靈活性，可以優(yōu)化軌旁布置，同時(shí)也減少了設(shè)備機(jī)房空間被大量占用的問題；（3）終端電子執(zhí)行單元與邏輯部門形成良好的通信關(guān)系，其特點(diǎn)在于可有效規(guī)避電纜傳輸距離受限的問題，深度優(yōu)化電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)，以免由于此部分存在異常而誘發(fā)短路或因線纜傳輸距離導(dǎo)致的其他形式的故障。

3.8 聯(lián)鎖列車控制一體化的方式

聯(lián)鎖和列車控制分開設(shè)置的方案在我國(guó)鐵路建設(shè)領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，其建設(shè)初衷在于盡可能削弱對(duì)既有聯(lián)鎖系統(tǒng)所造成的干擾，為此配套的是獨(dú)立的列車控制中心，由其提供應(yīng)答器控制等相關(guān)功能。值得思索的是，聯(lián)鎖和列車控制分開設(shè)置的方式有其存在的價(jià)值，但在實(shí)際應(yīng)用中也有可能暴露出一系列的問題，例如聯(lián)鎖和列車控制中心功能重合，部分內(nèi)部關(guān)鍵變量的共享水平有限。在此環(huán)境下，做進(jìn)一步的探索，即如何實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖和列車控制的一體化建設(shè)，此方面是重要的突破口。

在一體化的設(shè)計(jì)方式下，列車控制中心、聯(lián)鎖功能重新優(yōu)化，彼此的協(xié)同性得以提升，可集中交換信息，在此思路下，有助于提高系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的共享水平，從而規(guī)避以往獨(dú)立設(shè)置所存在的問題。全電子聯(lián)鎖的方式還能夠在不影響功能正常實(shí)現(xiàn)的前提下精簡(jiǎn)軌旁信號(hào)設(shè)備，施工配線量較之于傳統(tǒng)方式減少，針對(duì)故障的診斷能力突出，也更便于開展維護(hù)工作。全電子聯(lián)鎖的協(xié)同性特征突出，對(duì)于各類車站列車控制中心控制的設(shè)備而言，均得到充分的考慮，同時(shí)通過分布式控制技術(shù)的應(yīng)用，還可進(jìn)一步提高列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，充分彰顯出此類系統(tǒng)在簡(jiǎn)捷化、電子化方面的特性，也能給全電子聯(lián)鎖的推廣創(chuàng)設(shè)良好的條件。

4 結(jié)語

在城市軌道交通建設(shè)中，信號(hào)系統(tǒng)全電子聯(lián)鎖是重要的突破口，技術(shù)的探討極為關(guān)鍵。分析全電子聯(lián)鎖和傳統(tǒng)聯(lián)鎖2種模式，充分保留以往傳統(tǒng)模式的優(yōu)質(zhì)功能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索，以求突破。提出全電子聯(lián)鎖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且，在分布式控制和列車控制一體化的協(xié)同作用下，能夠創(chuàng)設(shè)更多的發(fā)展契機(jī)，對(duì)于全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展大有裨益。