全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用

李帥

摘要：作為鐵路信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)的最新形式，全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)以其簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高效的處理速度、便捷的操作維護(hù)和低廉的建設(shè)投入在國(guó)內(nèi)外大型企業(yè)鐵路中越來(lái)越廣泛的得以應(yīng)用。本文選取國(guó)外某企業(yè)鐵路站為例，從系統(tǒng)原理、安裝調(diào)試和運(yùn)行保障等方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：鐵路信號(hào)；全電子；聯(lián)鎖

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）21-0167-03

1 概述

1.1聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展

自從1825年英國(guó)建立了第一條鐵路以來(lái)，鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了近兩百年的發(fā)展，經(jīng)歷了最初的人工信號(hào)、20世紀(jì)中期的繼電器聯(lián)鎖系統(tǒng)到如今廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，系統(tǒng)功能越發(fā)強(qiáng)大，運(yùn)輸效率顯著提高。

2000年以來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)、制造能力的提升以及大容量觸點(diǎn)微型繼電器的廣泛應(yīng)用，一種全新模式的聯(lián)鎖系統(tǒng)走上了歷史的舞臺(tái)，這就是全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

因中國(guó)原鐵道部采用許可經(jīng)營(yíng)制度，全電子信號(hào)聯(lián)鎖遲遲未能進(jìn)入國(guó)鐵車(chē)站使用，其主要面向?qū)ο鬄橐苯?、礦山領(lǐng)域的企業(yè)鐵路車(chē)站、地方鐵路貨運(yùn)專(zhuān)用線以及國(guó)外鐵路項(xiàng)目。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2014年12月，全國(guó)已有超過(guò)300個(gè)鐵路車(chē)站已經(jīng)裝備了全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

1.2舉例站場(chǎng)概述

本舉例站場(chǎng)為國(guó)外某大型企業(yè)新建的特大型鋼廠配套廠內(nèi)鐵路運(yùn)輸站，全站分為兩個(gè)車(chē)場(chǎng)，全站鐵路線路總長(zhǎng)5公里，包含64組道岔、154架調(diào)車(chē)信號(hào)機(jī)和138個(gè)50HZ軌道電路區(qū)段以及若干道口設(shè)備，項(xiàng)目建設(shè)周期2年，其中信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)周期6個(gè)月。本文僅舉例其一個(gè)站場(chǎng)，平面圖如下：

1.3聯(lián)鎖系統(tǒng)主要功能

鐵路信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)是通過(guò)采集鐵路站場(chǎng)中軌道電路占用出清狀態(tài)、控制鐵路站場(chǎng)中道岔轉(zhuǎn)動(dòng)、信號(hào)機(jī)開(kāi)放和關(guān)閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)站場(chǎng)中列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行指揮的控制系統(tǒng)，其只主要功能如下：

1） 聯(lián)鎖控制功能：進(jìn)路控制；信號(hào)開(kāi)放、關(guān)閉；道岔單獨(dú)操作、鎖閉、解鎖。

2）顯示功能：

站場(chǎng)基本圖形顯示；現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)顯示；值班員按壓按鈕動(dòng)作的確認(rèn)顯示；聯(lián)鎖系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障報(bào)警顯示；時(shí)鐘顯示、漢字提示等。

3）記錄存儲(chǔ)和故障檢測(cè)與診斷功能：

系統(tǒng)可按時(shí)間順序自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)值班員按鈕操作情況、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作情況和行車(chē)作業(yè)情況；提供圖像再現(xiàn)功能；實(shí)現(xiàn)進(jìn)路存儲(chǔ)和自動(dòng)辦理；具有集中檢測(cè)和報(bào)警功能。

2 技術(shù)方案

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目前期調(diào)研結(jié)果，本項(xiàng)目有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

時(shí)值經(jīng)濟(jì)新常態(tài)，業(yè)主力求投資收益比最佳；

新建信號(hào)樓空間局限，為此系統(tǒng)預(yù)留的機(jī)械室面積僅有50平方米；

本項(xiàng)目建立在某第三世界國(guó)家，考慮到承擔(dān)維護(hù)工作的本地員工學(xué)歷技能有限；

項(xiàng)目所在地濱海，空氣內(nèi)鹽水含量比較高，對(duì)設(shè)備元器件的耐腐蝕性要求嚴(yán)苛。

為解決以上問(wèn)題，某設(shè)計(jì)院為企業(yè)業(yè)主力薦全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)數(shù)次考察和論證得以應(yīng)用。

應(yīng)用于本舉例站的全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

由圖中可以看出，本系統(tǒng)采用四層結(jié)構(gòu)，每層實(shí)現(xiàn)不同的功能，分別為人機(jī)會(huì)話層、聯(lián)鎖層、接口層和室外設(shè)備層。

2.2系統(tǒng)詳述

1）人機(jī)會(huì)話層

人機(jī)會(huì)話層的設(shè)備設(shè)于車(chē)站值班室，用于提供人機(jī)會(huì)話界面。

控顯機(jī)負(fù)責(zé)為車(chē)站值班員使用，值班員操作控顯機(jī)界面上的按鈕/菜單，控顯機(jī)將其操作意圖轉(zhuǎn)化為程序命令發(fā)給聯(lián)鎖機(jī)，并將聯(lián)鎖層反饋的反映站場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的信息轉(zhuǎn)化為圖形圖像顯示給值班員。

電務(wù)維修機(jī)是維護(hù)人員用于系統(tǒng)維護(hù)和信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)。通過(guò)通信總線獲得聯(lián)鎖主機(jī)提供的站場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和系統(tǒng)診斷報(bào)警信息，將之實(shí)時(shí)圖形化顯示并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便電務(wù)維護(hù)人員隨時(shí)查詢、顯示和打印，并具備一定時(shí)間段內(nèi)（一般三個(gè)月）站場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作回放功能。

2） 聯(lián)鎖運(yùn)算層

聯(lián)鎖運(yùn)算層是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心，主要功能是進(jìn)行聯(lián)鎖數(shù)據(jù)運(yùn)算。

聯(lián)鎖機(jī)是聯(lián)鎖運(yùn)算層的關(guān)鍵設(shè)備。系統(tǒng)中聯(lián)鎖機(jī)為二乘二取二結(jié)構(gòu)，聯(lián)鎖機(jī)接受通過(guò)以冗余太網(wǎng)總線接收控顯機(jī)下發(fā)的站場(chǎng)設(shè)備控制命令；通過(guò)雙路CAN總線接收通信機(jī)傳來(lái)的模塊采集到的室外信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，從而進(jìn)行聯(lián)鎖數(shù)據(jù)運(yùn)算；通過(guò)雙路CAN總線發(fā)送驅(qū)動(dòng)命令至通信機(jī)以至功能模塊，驅(qū)動(dòng)室外信號(hào)設(shè)備完成既定操作，同時(shí)向控顯機(jī)上傳站場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

以兩個(gè)高性能微處理器構(gòu)成二取二的雙計(jì)算通道，雙通道間的數(shù)據(jù)通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)同步，能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動(dòng)切換；為提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，另一系為熱備冗余聯(lián)鎖機(jī)，兩系之間同步工作。

3） 接口層

接口層指聯(lián)鎖層與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信機(jī)和各種模塊。全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的模塊主要分為：道岔模塊、信號(hào)模塊、軌道電路模塊、零散模塊等。接口層的通信機(jī)負(fù)責(zé)聯(lián)鎖主機(jī)和各種模塊之間的通信，通信方式為冗余CAN總線通信；接口層的各種模塊接收聯(lián)鎖層下發(fā)的設(shè)備控制指令，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)相應(yīng)室外設(shè)備動(dòng)作的指令并執(zhí)行，還負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集室外設(shè)備的工作狀態(tài)，并上傳給聯(lián)鎖主機(jī)。接口層使室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備溝通的通道，其輸入輸出必須實(shí)現(xiàn)電氣隔離和光電隔離，均遵守故障-安全原則。

4）室外設(shè)備層

室外設(shè)備層是指計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)控制的用以指揮機(jī)車(chē)運(yùn)行/停止/轉(zhuǎn)向的鐵路信號(hào)控制/監(jiān)測(cè)設(shè)備，有指揮車(chē)列運(yùn)行/停止的色燈信號(hào)燈，驅(qū)動(dòng)道岔轉(zhuǎn)動(dòng)二改變列車(chē)運(yùn)行方向的轉(zhuǎn)轍機(jī)，監(jiān)測(cè)鐵路站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)各軌道區(qū)段占用（故障）/空閑狀態(tài)的軌道電路等。

2.3系統(tǒng)特點(diǎn)

1） 二乘二取二結(jié)構(gòu)

為提高系統(tǒng)輸出安全性，系統(tǒng)全面采用二取二設(shè)計(jì)思想，對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)模塊的硬件單板均以兩顆微處理器為核心構(gòu)成兩個(gè)同步運(yùn)算通道，運(yùn)算通道之間同步運(yùn)算，實(shí)時(shí)比較，構(gòu)成二取二結(jié)構(gòu)。兩系輸出結(jié)果比較一致則正常輸出，不一致則認(rèn)為模塊故障并切斷輸出，并上傳故障信息；

為提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，對(duì)要求較高的聯(lián)鎖機(jī)和通信機(jī)在二取二基礎(chǔ)上，雙系熱備冗余，這樣就構(gòu)成了核心設(shè)備的二乘二取二結(jié)構(gòu)；

同時(shí)，系統(tǒng)中用于安全通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全部為冗余設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)通信的高效運(yùn)作。

3） 全電子化接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)拋棄中國(guó)鐵路傳統(tǒng)使用的AX型安全繼電器，采用大規(guī)模集成電路和高性能運(yùn)算芯片處理器結(jié)合極少量微型大容量觸點(diǎn)繼電器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化、標(biāo)準(zhǔn)化和全電子模塊化。

系統(tǒng)以EN5012X標(biāo)準(zhǔn)為研發(fā)指導(dǎo)，針對(duì)道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路和其他結(jié)合電路設(shè)備的控制、監(jiān)測(cè)原理設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的接口模塊，接口模塊滿足故障-安全的原則，并具有故障指示和熱插拔功能，在發(fā)生故障時(shí)可以迅速的替換修復(fù)。

2） 滿足國(guó)內(nèi)鐵路站場(chǎng)集中聯(lián)鎖的所有功能；

聯(lián)鎖系統(tǒng)必須根據(jù)聯(lián)鎖技術(shù)條件的要求對(duì)進(jìn)路、信號(hào)和道岔實(shí)行控制，以及具備有效的誤操作防護(hù)能力。

系統(tǒng)具備CTC的升級(jí)應(yīng)用能力，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)車(chē)站聯(lián)鎖信號(hào)設(shè)備集中控制的功能。

系統(tǒng)具備完善的企業(yè)鐵路微機(jī)監(jiān)測(cè)功能，針對(duì)企業(yè)鐵路運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，定制監(jiān)測(cè)計(jì)劃和監(jiān)測(cè)目標(biāo)，為企業(yè)鐵路信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)記錄和技術(shù)支撐。

4）強(qiáng)大的接口擴(kuò)展能力：

系統(tǒng)具備完整的對(duì)外接口體系，可通過(guò)串口、以太網(wǎng)、光纖等主流接口實(shí)現(xiàn)對(duì)外信號(hào)協(xié)議傳輸。

系統(tǒng)可與企業(yè)ERP網(wǎng)、國(guó)鐵電務(wù)檢測(cè)系統(tǒng)、CTC系統(tǒng)、物流信息系統(tǒng)、機(jī)車(chē)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)等各類(lèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，高效融入現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)物流網(wǎng)絡(luò)體系。

2.4系統(tǒng)安全性指標(biāo)

1）安全性：系統(tǒng)倒向危險(xiǎn)側(cè)的概率HR≤10-9/h。

2）可靠性：平均無(wú)故障時(shí)間MTBF≥106h；

3）可維修性：平均修復(fù)時(shí)間MTTR≤15min；

4）可用性：A≥99.99%

2.5與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)比較

3 系統(tǒng)安裝調(diào)試

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，所以整套系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)到貨到開(kāi)通運(yùn)行僅用時(shí)15天，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試計(jì)劃如下圖：

由圖中可看出，整個(gè)安裝調(diào)試工作的中心在于接配線工作和室內(nèi)外聯(lián)調(diào)，這也是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

為保障整個(gè)系統(tǒng)的接配線準(zhǔn)確無(wú)誤，系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的電纜通用插頭從根本上解決了傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)接配線工作量大、人工容易失誤等問(wèn)題，在出廠時(shí)就完成了所有通用插頭的配線制作和檢驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)只需按圖紙插好即可，簡(jiǎn)單方便。

室內(nèi)外聯(lián)調(diào)工作是確保聯(lián)鎖系統(tǒng)和室外設(shè)備間配合正確與否的關(guān)鍵，此部分工作由專(zhuān)業(yè)鐵路信號(hào)工程師配合完成，針對(duì)信號(hào)機(jī)燈光顯示、道岔操作與位置核對(duì)、軌道電路受電端分路電壓調(diào)整逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)排查，形成最終的設(shè)備定反位標(biāo)記。

4 系統(tǒng)運(yùn)行保障

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不同，因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的故障診斷和熱插拔技術(shù)，全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)的維護(hù)工作十分簡(jiǎn)單。

系統(tǒng)的維護(hù)分為日常維護(hù)和故障維護(hù)。

4.1日常維護(hù)工作

因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了全電子模塊化的設(shè)計(jì)理念，所有模塊均為免維護(hù)式設(shè)計(jì)，只要安裝設(shè)備的機(jī)械室滿足恒溫恒濕防塵的一般要求，絕大部分的時(shí)間系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)”的目標(biāo)。

日常維護(hù)僅需對(duì)外購(gòu)的電源系統(tǒng)進(jìn)行定期充放電保養(yǎng)以及全系統(tǒng)的日常巡視即可。

4.2故障維護(hù)工作

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)的自診斷功能就會(huì)啟動(dòng)，迅速自行判斷故障發(fā)生的位置并作出處理并在人機(jī)交互界面及電務(wù)維修機(jī)界面上進(jìn)行提示。

系統(tǒng)的聯(lián)鎖核心和通信設(shè)備都是熱備模式，如果系統(tǒng)判斷出故障出現(xiàn)在此類(lèi)設(shè)備上，就會(huì)自動(dòng)將故障設(shè)備切除（重啟），同時(shí)將備用設(shè)備及時(shí)啟用，不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。如果故障出現(xiàn)在非熱備模式的設(shè)備（比如模塊），那么系統(tǒng)會(huì)停止此設(shè)備的輸出工作，并點(diǎn)亮模塊故障燈，并在電務(wù)維修機(jī)界面上進(jìn)行提示，人機(jī)交互界面上與此相關(guān)設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)故障狀態(tài)，維護(hù)人員根據(jù)上述提示直接使用備件熱插拔替換掉故障設(shè)備即可完成故障修復(fù)。

5 結(jié)語(yǔ)

舉例站場(chǎng)通過(guò)使用全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了其在有限建設(shè)成本、短建設(shè)工期和維護(hù)力量不足的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠鐵路的高效控制的目標(biāo)，收到了比較好的效果。

近些年，通過(guò)數(shù)百個(gè)類(lèi)似舉例站的實(shí)際案例，全電子信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)通實(shí)際上已經(jīng)證明了其具備相當(dāng)成熟可靠的鐵路信號(hào)聯(lián)鎖控制能力，未來(lái)應(yīng)用前景十分光明。

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