西安地鐵2號線正線計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)分析

雷錫絨

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通運(yùn)輸系， 西安710014)

目前，我國城市軌道交通運(yùn)用的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖制式較多，其控制技術(shù)均有差異。西安地鐵2 號線正線信號系統(tǒng)采用以聯(lián)鎖控制器（MicroLok II）為核心的軌旁控制系統(tǒng)作為聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軌旁信號設(shè)備的狀態(tài)信息采集與安全聯(lián)鎖控制。

1 系統(tǒng)組成

西安地鐵2 號線采用無線通信移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)（CBTC）技術(shù)。其正線信號系統(tǒng)采用分布式聯(lián)鎖控制方式，每個(gè)聯(lián)鎖區(qū)包括有岔站和無岔站，聯(lián)鎖控制系統(tǒng)主要由位于設(shè)備集中站信號設(shè)備室內(nèi)的雙機(jī)熱備Microlok II聯(lián)鎖控制器控制。典型聯(lián)鎖控制器的使用配置參見圖1[1]（ ZC：區(qū)域控制器； Microlok II：USSI 生產(chǎn)的聯(lián)鎖系統(tǒng)；RI：繼電接口； BS：骨干交換機(jī)；AS：接入交換機(jī)；ACS：計(jì)軸系統(tǒng)； TR：分線柜；NVI：非安全接口；LCW ：Microlok II本地控制工作站；MSW：維護(hù)工作站）。

圖1 典型的聯(lián)鎖設(shè)備配置

Microlok II通過100Base-TX以太網(wǎng)接口連接到接入交換機(jī)，接入交換機(jī)通過光纖連接到骨干交換機(jī)，然后到軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)。Microlok II通過安全繼電器接口電路與軌旁設(shè)備接口。軌旁設(shè)備包括本站及其聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)其它車站的信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸器、現(xiàn)地控制盤、緊急停車按鈕、自動(dòng)折返按鈕、站臺屏蔽門及區(qū)間隔斷門等。

2 系統(tǒng)功能

CBTC系統(tǒng)正常工作時(shí)，Microlok II根據(jù)來自中央ATS或本地ATS工作站的進(jìn)路請求，主要控制軌旁設(shè)備動(dòng)作并采集軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息來實(shí)現(xiàn)軌旁全部聯(lián)鎖邏輯的安全性功能，還提供故障安全的輸入/輸出管理，并將聯(lián)鎖的有關(guān)信息傳送至ATP/ATO子系統(tǒng)[2]。

Microlok II主要控制的項(xiàng)目有：列車進(jìn)路、引導(dǎo)進(jìn)路、進(jìn)路的鎖閉與解鎖、信號機(jī)開放與關(guān)閉、道岔操縱及鎖閉、區(qū)間臨時(shí)限速、扣車和取消、站臺屏蔽門打開和關(guān)閉等。

Microlok II實(shí)現(xiàn)的進(jìn)路聯(lián)鎖邏輯關(guān)系為：正確的進(jìn)路設(shè)定并鎖閉后，列車才會獲得移動(dòng)授權(quán)，只有在列車駛過被證實(shí)后或移動(dòng)授權(quán)已被取消并且生效后，相關(guān)進(jìn)路才會解鎖，敵對進(jìn)路才可建立。

Microlok II控制的進(jìn)路聯(lián)鎖功能為：接近鎖閉（列車進(jìn)入聯(lián)鎖區(qū)前），進(jìn)路鎖閉（列車進(jìn)入聯(lián)鎖區(qū)后），道岔鎖閉（岔區(qū)有車占用時(shí)），運(yùn)行方向鎖閉（防止在聯(lián)鎖范圍內(nèi)向同一區(qū)段上排列敵對進(jìn)路）等。確保轉(zhuǎn)轍機(jī)在岔區(qū)被列車占用時(shí)不動(dòng)作并避免列車正面沖突或追尾。還能夠辦理取消進(jìn)路、人工解鎖、引導(dǎo)進(jìn)路解鎖等。

3 系統(tǒng)工作原理

（1）Microlok II聯(lián)鎖控制器

Microlok II是一個(gè)專為鐵路安全應(yīng)用而設(shè)計(jì)的基于微處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和接口/通信系統(tǒng)，其基本硬件主要包括機(jī)柜、CPU 電路板、多塊安全的I/O 電路板、電源板、串口適配器電路板、多塊非安全的I/O電路板等設(shè)備。

Microlok II系統(tǒng)的每個(gè)現(xiàn)場設(shè)備點(diǎn)都由一個(gè)常規(guī)單元和一個(gè)后備單元構(gòu)成，其中，一個(gè)處于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，而另一個(gè)作為冗余備用。當(dāng)在線系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，備用系統(tǒng)會自動(dòng)變成在線系統(tǒng)。在線單元監(jiān)視備用單元的性能狀況，如果備用單元不可用，在線單元將向控制中心報(bào)警，本站的MSW也有顯示。在線和備用單元之間的故障切換也能人工通過控制器上的硬件復(fù)位設(shè)備完成。某個(gè)特定單元的復(fù)位還可通過應(yīng)用程序內(nèi)的軟件復(fù)位來實(shí)現(xiàn)[3]。

Microlok II系統(tǒng)由68322安全微處理器單板機(jī)控制，并基于一種特定的安全結(jié)構(gòu)，軟件多樣且?guī)в性\斷。該系統(tǒng)根據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)程序和一個(gè)專為安全功能而設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備安全聯(lián)鎖的功能。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)滿足故障-安全原則的邏輯求值器，自動(dòng)采集、處理信號機(jī)、道岔等信息，把有關(guān)命令和現(xiàn)場各種表示信息輸入計(jì)算機(jī)，再根據(jù)儲存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的有關(guān)條件，進(jìn)行聯(lián)鎖關(guān)系的邏輯運(yùn)算和判斷，然后輸出信息至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對軌旁信號設(shè)備的控制和監(jiān)督。

每個(gè)Microlok II都有一個(gè)唯一的IP 地址，Microlok II單元通過軌旁通信網(wǎng)絡(luò)與ZC（ZC的作用是跟蹤列車位置并發(fā)出移動(dòng)授權(quán)）接口并保持通信，并通過專用網(wǎng)絡(luò)（光纖連接）與相鄰的Microlok II接口并保持通信。CBTC正常運(yùn)作時(shí)，ZC向MicrolokII發(fā)出指令，棄用計(jì)軸系統(tǒng)的一定功能及計(jì)軸區(qū)段占用表示。如果某輛列車的ATP設(shè)備出現(xiàn)故障或ZC失效，Microlok II從輔助列車檢查計(jì)軸系統(tǒng)中獲得列車位置信息，系統(tǒng)還可通過每個(gè)本地Microlok II的控制保持運(yùn)行。

（2）Microlok II 本地控制工作站（LCW）

ATS子系統(tǒng)對列車運(yùn)行監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)中央ATS和本地ATS兩級控制，能自動(dòng)或人工進(jìn)路控制。人工控制進(jìn)路優(yōu)先級高于自動(dòng)控制進(jìn)路，特殊情況下不經(jīng)控制權(quán)的轉(zhuǎn)換操作強(qiáng)制進(jìn)行本地ATS控制。

當(dāng)中央ATS和本地ATS均不可用時(shí)，將開關(guān)鎖在本地控制位置，本地人工僅通過LCW（每個(gè)聯(lián)鎖控制器Microlok II配備一套操作和顯示設(shè)備作為本地控制工作站）進(jìn)行，人工控制僅限于該Microlok II控制的聯(lián)鎖區(qū)域。鄰近聯(lián)鎖區(qū)仍將在其既有模式下繼續(xù)運(yùn)行。

4 系統(tǒng)軟件

MicroLok II系統(tǒng)的軟件有兩種類型：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)軟件是固化在硬盤上的標(biāo)準(zhǔn)的安全軟件。包括了一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和有關(guān)的I/O處理軟件，不隨具體的應(yīng)用環(huán)境而變化。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的分配管理、接口的輸入/輸出控制和通信等。保證所有的安全輸出是完全可控的并在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，切斷安全輸出的電源。

應(yīng)用軟件是在一臺計(jì)算機(jī)上用布爾代數(shù)書寫和編譯的，以應(yīng)用工程師易于理解的方式生成系統(tǒng)邏輯。該軟件可在開發(fā)系統(tǒng)上編寫、編譯。該軟件的開發(fā)及文檔由USSI軟件控制程序PR-1320管理。應(yīng)用軟件執(zhí)行實(shí)際的控制和安全任務(wù)。

Microlok II編程和診斷工具由編譯器、模擬器、非易失性應(yīng)用程序存儲器的編程軟件和端口模擬器組成[3]。編譯器、模擬器和編程軟件允許用戶對系統(tǒng)的應(yīng)用軟件做編寫、修改和校驗(yàn)（離線）。端口模擬程序被用來監(jiān)測或模擬任何串口。診斷程序可完成每個(gè)輸入輸出比特的測試。這些應(yīng)用軟件的工具軟件在一臺帶有兼容串口的便攜式計(jì)算機(jī)上，服從于認(rèn)證和確認(rèn)質(zhì)量及安全保障。

（1）編譯器：是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，將帶布爾等式的ASCII文本文件轉(zhuǎn)換成EPROM表文件，生成一系列文件顯示錯(cuò)誤和程序開關(guān)設(shè)置，這一系列文件是ASCII文件，可用任何計(jì)算機(jī)文本編輯器查看。

（2）模擬器：是一個(gè)用于便攜式計(jì)算機(jī)上的計(jì)算機(jī)程序，在開發(fā)過程中，利用它仿效布爾等式生成相應(yīng)顯示來調(diào)試軟件。Microlok II系統(tǒng)的所有方面都能利用這一系統(tǒng)進(jìn)行離線仿效。

（3）端口模擬器：用來仿效或監(jiān)督每個(gè)串口的計(jì)算機(jī)程序。這些程序和Microlok II上的任何串口相連。在測試期間，利用這些程序校驗(yàn)每個(gè)獨(dú)立的輸入和輸出位。

5 系統(tǒng)接口

5.1 系統(tǒng)內(nèi)部接口

（1）Microlok II與ATS子系統(tǒng)的接口：通道基于10/100 M 以太網(wǎng)連接，使用UDP/IP 協(xié)議。其間的數(shù)據(jù)流包括以下信息：

ATS 至Microlok II的控制：進(jìn)路請求（進(jìn)站和出站）、受限的人工辦理進(jìn)路請求（進(jìn)站和出站）、信號鎖閉（進(jìn)站、出站信號）、信號引導(dǎo)請求（進(jìn)站）、道岔定位/反位/鎖閉請求、計(jì)軸器復(fù)位請求等。

Microlok II至ATS的表示：閉塞占用－計(jì)軸、信號機(jī)狀態(tài)、道岔位置、站臺屏蔽門狀態(tài)、激活站臺緊急停車按鈕、區(qū)間隔斷門狀態(tài)等。

（2）Microlok II與ZC接口：通道基于10/100 M以太網(wǎng)連接和骨干網(wǎng)，使用UDP/IP協(xié)議。其間的數(shù)據(jù)流包括以下信息：

ZC 至Microlok II的控制：信號取消、進(jìn)路取消、接近鎖閉取消等。

Microlok II至ZC的表示：每個(gè)道岔的位置、道岔鎖閉、計(jì)軸區(qū)段占用狀態(tài)、信號顯示、屏蔽門、緊急停車按鈕、現(xiàn)地控制盤、區(qū)間隔斷門、自動(dòng)折返按鈕狀態(tài)及到CBTC 區(qū)域的入口閉塞等。

（3）Microlok II至轉(zhuǎn)轍機(jī)的接口。

（4）Microlok II至信號機(jī)的接口。

（5）Microlok II至計(jì)軸器的接口。

（6）Microlok II至現(xiàn)地控制盤的接口。

（7）Microlok II至緊急停車按鈕的接口。

（8）Microlok II至自動(dòng)折返按鈕的接口。

（9）聯(lián)鎖控制器至車輛段的接口。

正線聯(lián)鎖與車輛段聯(lián)鎖在轉(zhuǎn)換軌處通過繼電電路實(shí)現(xiàn)接口。列車從車輛段至轉(zhuǎn)換軌的進(jìn)路由車輛段系統(tǒng)完成。正線系統(tǒng)和車輛段系統(tǒng)共同接收進(jìn)路請求，正線系統(tǒng)可以控制列車進(jìn)入該進(jìn)路。

5.2 系統(tǒng)外部接口

（1）Microlok II至站臺屏蔽門的接口。

（2）Microlok II至區(qū)間隔斷門的接口。

（3）Microlok II與其他線路聯(lián)絡(luò)線接口。

6 結(jié)束語

基于無線移動(dòng)閉塞制式的西安地鐵2號線正線計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)具有設(shè)備數(shù)量少、建設(shè)及維護(hù)成本低，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、易于實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)，硬件冗余、軟件多樣，且?guī)в性\斷，保證實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖區(qū)軌旁信號設(shè)備全部聯(lián)鎖邏輯的安全性功能，還提供故障安全的輸入/輸出管理，并將聯(lián)鎖的有關(guān)信息傳送至ATP/ATO子系統(tǒng)。目前該設(shè)計(jì)方案已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

[1] 美國聯(lián)合道岔與信號國際公司. 西安地鐵2號線信號系統(tǒng)初步方案[S] . 2007.

[2] 劉曉娟. 城市軌道交通智能控制系統(tǒng)[M] . 北京：中國鐵道出版社，2008，27.

[3] 林瑜筠. 城市軌道交通信號[M] . 北京：中國鐵道出版社，2008：169-170.