LKD2-YH型車站列控中心系統(tǒng)的研究

孟令韜 盧佩玲 郝 韜 管偉軍

1 CTCS-2與車站列控中心

客運(yùn)專線CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基于軌道電路和點(diǎn)式應(yīng)答器傳輸列車運(yùn)行許可信息，并采用目標(biāo)-距離模式監(jiān)控列車安全運(yùn)行。該系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備構(gòu)成。列控中心是地面設(shè)備的重要組成部分，它控制軌道電路向列控車載設(shè)備傳輸列控連續(xù)信息，為列車提供運(yùn)行前方的閉塞分區(qū)空閑數(shù)量、道岔側(cè)向進(jìn)路等信息;它還控制應(yīng)答器設(shè)備向列控車載設(shè)備傳輸點(diǎn)式信息，為列車提供運(yùn)行前方的進(jìn)路信息，線路參數(shù)、限速命令等信息。

列控中心必須實(shí)現(xiàn)與軌道電路、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CBI)、臨時(shí)限速服務(wù)器 (TSRS)、相鄰車站列控中心、地面電子單元 (LEU)、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)和調(diào)度集中 (CTC)設(shè)備的通信，其具體的接口配置如圖1所示。

2 LKD2-YH型車站列控中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

LKD2-YH列控中心的各組成部分根據(jù)功能不同可以劃分為列控中心邏輯處理主機(jī)、電源系統(tǒng)、工作狀態(tài)控制系統(tǒng)、智能IO系統(tǒng)、LEU及切換系統(tǒng)、軌道電路通信盤、維護(hù)終端、通信輔助系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

2.2 邏輯處理主機(jī)

LKD2-YH列控中心邏輯處理主機(jī)采用“二乘二取二”的可靠性和安全性冗余結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 列控中心接口配置

圖2 列控中心邏輯處理主機(jī)結(jié)構(gòu)

列控中心邏輯處理主機(jī)A、B兩系結(jié)構(gòu)完全相同，互為備用;主備之間采用工控專用ARCNET網(wǎng)連接。每系采用雙子系的二取二安全冗余結(jié)構(gòu)，由專用的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，雙CPU獨(dú)立運(yùn)算，使用各自獨(dú)立的2個(gè)雙口RAM實(shí)現(xiàn)大容量信息快速交換，同步運(yùn)行。采用軟、硬件比較相結(jié)合的方式提高系統(tǒng)的安全性，2個(gè)CPU分別對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行軟件比對(duì)，只當(dāng)比較一致時(shí)形成軟件輸出命令，同時(shí)又分別將獨(dú)立運(yùn)算的結(jié)果發(fā)送給獨(dú)立設(shè)置的硬件比較板，比較板對(duì)雙CPU的輸入信息進(jìn)行比對(duì)，僅當(dāng)比較一致時(shí)控制相應(yīng)的故障繼電器(GZJ)吸起，故障繼電器落下時(shí)將切斷對(duì)外的所有輸出命令，因此只有在軟、硬件均比較一致時(shí)才對(duì)外輸出控制命令，確保系統(tǒng)安全。

2.3 車站列控中心的兩系狀態(tài)轉(zhuǎn)換

LKD2-YH列控中心設(shè)置有3個(gè)系統(tǒng)繼電器，分別為主控繼電器 (ZKJ)、A機(jī)狀態(tài)繼電器 (AZTJ)和B機(jī)狀態(tài)繼電器 (BZTJ)。列控中心兩系開機(jī)后，在沒(méi)有故障的前提下，根據(jù)兩系通信狀態(tài)及繼電器狀態(tài)確定自己的運(yùn)行方式。

LKD2-YH列控中心設(shè)置有切換手柄，當(dāng)手柄切換到A機(jī)位置時(shí)，若A機(jī)主從CPU運(yùn)算結(jié)果比較一致，則A機(jī)升為主控狀態(tài)，B機(jī)轉(zhuǎn)為離線狀態(tài);當(dāng)手柄切換到B機(jī)位置時(shí)，若B機(jī)主從CPU運(yùn)算結(jié)果比較一致，則B機(jī)升為主控狀態(tài)，A機(jī)轉(zhuǎn)為離線狀態(tài);當(dāng)手柄在自動(dòng)位置且兩系處于同步狀態(tài)時(shí)，如果工作系發(fā)生故障，則工作系立即脫機(jī)，備用系轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ飨担收系囊幌到?jīng)修復(fù)后，可以重新進(jìn)入雙系同步的狀態(tài)。圖3為兩系狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。

圖3 列控中心兩系的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.4 LKD2-YH列控中心智能IO系統(tǒng)

智能IO系統(tǒng)由IO機(jī)籠、智能驅(qū)動(dòng)板 (FIMO)、智能采集板 (FIMI)組成，負(fù)責(zé)列控中心對(duì)外的繼電接口。每臺(tái)列控中心主機(jī)都配有自己的智能IO系統(tǒng)，2臺(tái)主機(jī)的智能IO系統(tǒng)間相互獨(dú)立。列控中心主機(jī)與智能IO系統(tǒng)間由2條CAN總線連接，2條總線上的控制命令相互校核一致時(shí)，智能IO系統(tǒng)才能正常工作。

2.5 LKD2-YH列控中心維護(hù)終端

維護(hù)終端由1臺(tái)1U的工控機(jī) (使用WIN-DOWS 2000操作系統(tǒng))及配套的顯示器/鍵盤/鼠標(biāo)組匣組成，主要用于監(jiān)控并記錄列控中心的運(yùn)行狀態(tài)。維護(hù)終端通過(guò)RS-422串口同時(shí)與2臺(tái)列控中心主機(jī)相連，并實(shí)時(shí)記錄2臺(tái)主機(jī)的工作狀態(tài)、與外部系統(tǒng)的連接狀態(tài)、與外部系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)/采集數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤信息等重要數(shù)據(jù)，并在30天之內(nèi)保留這些數(shù)據(jù)以備查詢。

對(duì)使用者而言，維護(hù)終端是列控中心唯一的人機(jī)界面，通過(guò)維護(hù)終端使用者能夠?qū)α锌刂行?0天之內(nèi)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并為故障的排查與分析提供幫助。

3 LKD2-YH列控中心的主要功能

3.1 有源應(yīng)答器報(bào)文發(fā)送功能

列控中心給LEU發(fā)送的信息必須采用報(bào)文的形式，這些報(bào)文是用符合一定規(guī)范的初始用戶數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)信道編碼算法產(chǎn)生的。對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼的目的，是提高應(yīng)答器與車載設(shè)備間的無(wú)線信道傳輸?shù)陌踩?。列控中心從車站?lián)鎖系統(tǒng)獲取車站接發(fā)車進(jìn)路信息，從臨時(shí)限速服務(wù)器獲取臨時(shí)限速命令，根據(jù)臨時(shí)限速區(qū)段位置、限速等級(jí)，選擇或?qū)崟r(shí)生成應(yīng)答器報(bào)文，通過(guò)通信接口傳送給控制該應(yīng)答器的軌旁電子單元 (LEU)，為列車提供運(yùn)行前方的進(jìn)路信息及限速信息。

3.2 有源應(yīng)答器報(bào)文的實(shí)時(shí)組幀和多處限速功能

為滿足運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理的需求，列控中心有源應(yīng)答器管轄范圍內(nèi)可同時(shí)設(shè)置多處臨時(shí)限速，臨時(shí)限速的起點(diǎn)、終點(diǎn)、限速值可以任意設(shè)置，最多可以同時(shí)設(shè)置3處限速。為實(shí)現(xiàn)多處限速的功能，列控中心預(yù)先存儲(chǔ)所有應(yīng)答器報(bào)文的方案是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，列控中心具備實(shí)時(shí)生成報(bào)文的功能。列控中心按照UNISIG SUBSET-036標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)答器用戶報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)組幀，為避免出現(xiàn)共模故障，列控中心對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行比較，確保所編制的應(yīng)答器報(bào)文的正確。為了保證應(yīng)答器報(bào)文編碼的實(shí)時(shí)性，列控中心設(shè)置了最大編碼超時(shí)時(shí)間，編碼超時(shí)后由列控中心向安全側(cè)修改原始編碼數(shù)據(jù)并重新嘗試，3次重新編碼均失敗后向LEU發(fā)送列控中心默認(rèn)報(bào)文。

3.3 臨時(shí)限速命令的處理

當(dāng)TSRS下達(dá)臨時(shí)限速命令時(shí)，列控中心首先對(duì)接收的臨時(shí)限速命令進(jìn)行驗(yàn)證，若可執(zhí)行，返回相應(yīng)的可執(zhí)行限速狀態(tài)，TSRS接收到此限速狀態(tài)反饋后，提醒值班員可正式批準(zhǔn)執(zhí)行該臨時(shí)限速命令。若不可執(zhí)行，TCC返回不可執(zhí)行限速狀態(tài)，TSRS接收到此限速狀態(tài)反饋后，撤銷該限速命令。

若值班員確認(rèn)并批準(zhǔn)該限速執(zhí)行，可下達(dá)執(zhí)行命令，列控中心接收到此命令后，再次對(duì)該命令進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過(guò)，立即執(zhí)行該限速命令，返回限速命令執(zhí)行回執(zhí)，并視相關(guān)進(jìn)路的情況更新應(yīng)答器的報(bào)文輸出;若驗(yàn)證未通過(guò)，則拒絕執(zhí)行，返回執(zhí)行限速失敗回執(zhí)。TSRS在收到回執(zhí)后即終止命令的重發(fā)。

3.4 軌道電路編碼控制

3.4.1 軌道電路狀態(tài)判斷

列控中心設(shè)備通過(guò)直接采集軌道繼電器接點(diǎn)狀態(tài)及接收軌道電路通信盤數(shù)據(jù)2種途徑，獲取軌道電路的狀態(tài)。當(dāng)兩者均為空閑時(shí)，認(rèn)為對(duì)應(yīng)軌道區(qū)段空閑，否則認(rèn)為占用，當(dāng)兩者狀態(tài)不一致時(shí)，向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警。

3.4.2 軌道電路編碼

列控中心依據(jù)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)路信息、區(qū)間及站內(nèi)軌道電路提供的占用/出清信息，站間安全信息傳輸提供的鄰站所管轄相關(guān)區(qū)段的狀態(tài)及其他編碼所需的信息，結(jié)合區(qū)間運(yùn)行方向等條件，按照《機(jī)車信號(hào)信息定義及分配 (TB/T3060)》標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，計(jì)算區(qū)間及站內(nèi)各軌道區(qū)段的低頻碼，并將軌道電路的低頻和載頻信息發(fā)送至軌道電路通信盤，為列車提供運(yùn)行前方空閑的閉塞分區(qū)數(shù)量。

當(dāng)采用全進(jìn)路發(fā)碼方式的車站存在有轉(zhuǎn)頻的列車進(jìn)路時(shí)，列控中心控制轉(zhuǎn)頻碼的發(fā)送時(shí)機(jī)，咽喉區(qū)發(fā)檢測(cè)碼，股道發(fā)正常碼;當(dāng)列車占用上下行載頻分界的絕緣節(jié)前方軌道區(qū)段時(shí)，上下行載頻分界的絕緣節(jié)后方軌道區(qū)段開始預(yù)發(fā)送轉(zhuǎn)頻碼，該軌道區(qū)段解鎖或前方閉塞分區(qū)占用后，恢復(fù)發(fā)檢測(cè)碼。

采用正線和股道發(fā)碼方式的車站，列控中心依據(jù)聯(lián)鎖的進(jìn)路條件、區(qū)間狀態(tài)計(jì)算股道電碼化的低頻碼。若車站存在轉(zhuǎn)頻的列車進(jìn)路，列控中心控制轉(zhuǎn)頻碼的發(fā)送時(shí)機(jī)為:對(duì)接車進(jìn)路僅當(dāng)列車占用股道后發(fā)送轉(zhuǎn)頻碼，2 s后恢復(fù)發(fā)送正常碼;對(duì)發(fā)車進(jìn)路的最后一個(gè)軌道區(qū)段發(fā)轉(zhuǎn)頻碼，該區(qū)段解鎖后恢復(fù)發(fā)檢測(cè)碼。

3.5 軌道電路發(fā)碼方向控制

3.5.1 站內(nèi)軌道電路方向控制

站內(nèi)每個(gè)軌道區(qū)段設(shè)置1個(gè)方向切換繼電器(FQJ)，控制站內(nèi)軌道電路的發(fā)碼方向。列控中心根據(jù)進(jìn)路方向，驅(qū)動(dòng)進(jìn)路上相應(yīng)軌道電路的方向繼電器，控制軌道電路迎著列車運(yùn)行方向發(fā)碼。

列控中心采集軌道電路方向繼電器的狀態(tài)，當(dāng)FQJ狀態(tài)由于某種原因與進(jìn)路方向不符時(shí)，列控中心維持原編、發(fā)碼條件并發(fā)送報(bào)警信息。

站內(nèi)軌道電路區(qū)段的缺省方向?yàn)檎蜻\(yùn)行方向;列控中心設(shè)備初始化時(shí)，站內(nèi)區(qū)段發(fā)碼方向置為缺省方向;股道由多個(gè)軌道區(qū)段組成時(shí)，當(dāng)列車占用前方軌道區(qū)段時(shí)，占用區(qū)段后方的軌道區(qū)段發(fā)碼轉(zhuǎn)為向另一方向發(fā)碼。

3.5.2 區(qū)間軌道電路方向控制

每段區(qū)間軌道電路設(shè)置1個(gè)方向切換繼電器(FQJ)，用于改變軌道電路的發(fā)碼方向。區(qū)間軌道區(qū)段的缺省方向?yàn)檎蜻\(yùn)行方向。

車站的每個(gè)發(fā)車口 (含反向)設(shè)置1個(gè)極性保持方向繼電器 (FJ)，用于區(qū)間方向的切換和保持，方向繼電器吸起時(shí)表示正向，落下表示反向。由方向繼電器控制本方向管轄范圍內(nèi)每個(gè)區(qū)間軌道電路的方向切換繼電器 (FQJ)的方向切換。每個(gè)方向繼電器由1個(gè)ZGFJ繼電器和1個(gè)FGFJ繼電器來(lái)控制，列控中心通過(guò)控制ZGFJ和FGFJ繼電器來(lái)改變發(fā)車口軌道電路的發(fā)碼方向。

當(dāng)站間通信故障時(shí)或列控中心設(shè)備故障時(shí)，保持區(qū)間方向切換繼電器的狀態(tài)不變。

3.6 區(qū)間運(yùn)行方向與閉塞控制

列控中心具備控制區(qū)間運(yùn)行方向的功能，防止雙方向同一區(qū)間發(fā)車，以保證列車的安全運(yùn)行。

區(qū)間空閑時(shí)，區(qū)間運(yùn)行方向的改變隨原接車站辦理發(fā)車進(jìn)路而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接車站聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送正常改方請(qǐng)求信息時(shí)，列控中心在確認(rèn)整個(gè)區(qū)間空閑且鄰站沒(méi)有辦理發(fā)車進(jìn)路的情況下，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器，完成區(qū)間方向的改變。當(dāng)區(qū)間軌道電路故障時(shí)，可通過(guò)輔助辦理方式實(shí)現(xiàn)區(qū)間運(yùn)行方向的改變。

3.7 區(qū)間信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈控制

列控中心根據(jù)區(qū)間的運(yùn)行方向，列車占用出清狀態(tài)、區(qū)間軌道電路的故障情況，站內(nèi)接、發(fā)車進(jìn)路的辦理情況等條件，通過(guò)輸出LJ、UJ、HJ、LUJ繼電器，直接控制區(qū)間信號(hào)的點(diǎn)燈，同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅燈轉(zhuǎn)移功能。

3.8 站間安全信息的傳輸功能

列控中心間通過(guò)冗余雙環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)站間安全信息的傳輸，為實(shí)現(xiàn)區(qū)間方向控制、臨時(shí)限速命令的接收處理、車站聯(lián)鎖辦理發(fā)車進(jìn)路等提供條件，保證列車在區(qū)間的連續(xù)、安全運(yùn)行。

站間安全信息的傳輸內(nèi)容主要包括:邊界區(qū)段的占用/出清、邊界信號(hào)的燈絲狀態(tài)、閉塞分區(qū)的狀態(tài)及低頻信息、線路改方及臨時(shí)限速等信息。

3.9 控制正線有源應(yīng)答器的LEU切換功能

為提高系統(tǒng)的可靠性，控制正線有源應(yīng)答器的LEU冗余配置并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，為同一個(gè)有源應(yīng)答器配置2臺(tái)LEU，平時(shí)2臺(tái)LEU同時(shí)工作，有源應(yīng)答器與LEU A相連，在LEU A故障時(shí)有源應(yīng)答器自動(dòng)切換為與LEU B相連。

為實(shí)現(xiàn)此功能設(shè)計(jì)了LEU切換組匣，為每組冗余配置的LEU配置一個(gè)切換組匣，LEU與應(yīng)答器的連接關(guān)系受LEU切換組匣控制。LEU切換組匣中設(shè)有4個(gè)切換繼電器，分別控制LEU的4個(gè)輸出口。切換繼電器吸起時(shí)，LEU A的輸出口與應(yīng)答器相連;切換繼電器落下時(shí)，LEU B的輸出口與應(yīng)答器相連。LEU切換原理如圖4所示，其中LEUQHJ1由列控中心驅(qū)動(dòng)，R1為終端電阻。

3.10 遠(yuǎn)程LEU控制功能

有源應(yīng)答器電纜長(zhǎng)度超過(guò)2.5 km時(shí)，應(yīng)將LEU設(shè)備放置在室外。列控中心通過(guò)專用冗余光纖通道與LEU連接通信，實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器報(bào)文的發(fā)送、LEU狀態(tài)和應(yīng)答器狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收。列控中心配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程LEU自動(dòng)冗余切換控制。

3.11 異物侵限防護(hù)控制功能

列控中心通過(guò)采集異物侵限繼電器 (YWJ)接點(diǎn)，獲取異物侵限信息。當(dāng)發(fā)生異物侵限災(zāi)害時(shí)，列控中心控制相應(yīng)區(qū)段的軌道電路無(wú)條件發(fā)送H碼，并將異物侵限信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和集中監(jiān)測(cè)設(shè)備。H碼，并將異物侵限信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和集中監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖4 LEU切換原理圖

4 總結(jié)

LKD2-YH型列控中心系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾年的研制開發(fā)及多次變更和完善，最終形成了目前較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)借鑒LKD1-YH型列控中心及計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的開發(fā)研制經(jīng)驗(yàn)，采用自主開發(fā)的軟硬件平臺(tái)，具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。LKD2-YH型列控中心目前已經(jīng)在昌九城際、龍漳線安全運(yùn)行多年，衡柳線、柳南線、南黎線及廣西沿海鐵路等工程正在實(shí)施過(guò)程中，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為我國(guó)高速鐵路的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部科技運(yùn)［2004］14號(hào).CTCS技術(shù)規(guī)范總則［S］.2004.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部科技運(yùn)［2010］138號(hào).列控中心技術(shù)規(guī)范［S］.2010.