淺談軌道交通中計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)

李華 劉效含

摘 要：本文主要簡(jiǎn)述了城市軌道交通中計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及硬件構(gòu)成，重點(diǎn)對(duì)比了當(dāng)代軌道交通中三種類型的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)鎖機(jī)的核心技術(shù)及硬件構(gòu)成，并闡明了每一種類型的聯(lián)鎖系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)相應(yīng)可靠性及安全性做出分析，簡(jiǎn)述我國(guó)鐵路以及城軌中，主要使用的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)類型和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖 可靠性 安全性 全電子化

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（b）-0002-02

軌道交通系統(tǒng)發(fā)展至今，主要由計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)保證其安全性。聯(lián)鎖是以一種技術(shù)手段在保證行車(chē)安全的前提下，控制鐵路室外設(shè)備，即信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道電路的故障安全技術(shù)[1]。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，由最初的機(jī)械式聯(lián)鎖，發(fā)展到電氣集中式聯(lián)鎖，我國(guó)電氣集中式聯(lián)鎖系統(tǒng)的典型代表為6502電氣集中聯(lián)鎖，這種聯(lián)鎖技術(shù)全部采用繼電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)、道岔和進(jìn)路之間的聯(lián)鎖關(guān)系，雖然安全性滿足要求，但在功能上，不夠完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是對(duì)于可靠性技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)的深入研究，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)逐漸趨于成熟，并且大力推廣使用，1989年我國(guó)的聯(lián)鎖技術(shù)發(fā)展為計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖，并且規(guī)定在高鐵和客專上必須使用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，在主干線上要求必須使用技術(shù)成熟的二乘二取二型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[2]。

1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要構(gòu)成、相應(yīng)功能和設(shè)置地點(diǎn)不同，聯(lián)鎖系統(tǒng)可分為人機(jī)會(huì)話層、聯(lián)鎖層、執(zhí)行層。

1.1 人機(jī)會(huì)話層

人機(jī)會(huì)話層，一般由2臺(tái)雙機(jī)熱備的工控機(jī)構(gòu)成，并配有相應(yīng)的屏蔽電纜（一般不超過(guò)50m）。此層完成的工作為上位機(jī)的操作，接收值班員的操作指令，通過(guò)鼠標(biāo)操作完成進(jìn)路的操作，信號(hào)機(jī)的開(kāi)放，道岔的轉(zhuǎn)換，并且配備顯示功能，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與電務(wù)維修機(jī)連接，具有信息存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。由于信息的處理并不涉及涉安信息，因此，不要求上位機(jī)具有故障安全性能，對(duì)該層次的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮其可靠性，可靠性要求達(dá)到106h即可。

1.2 聯(lián)鎖層

聯(lián)鎖層，不同的聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)要求配備聯(lián)鎖機(jī)的數(shù)量。該層主要完成接收上位機(jī)下發(fā)的操作命令，同時(shí)接收室外設(shè)備的狀態(tài)信息，根據(jù)信息進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生控制命令，將控制命令輸出給執(zhí)行層進(jìn)行室外設(shè)備的控制；并將站場(chǎng)狀態(tài)信息、提示信息、故障信息等傳送給上位機(jī)顯示出來(lái)。由于聯(lián)鎖機(jī)所處理的信息均是涉安信息，所以，對(duì)聯(lián)鎖機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要考慮到其故障導(dǎo)向安全的性能，同時(shí)滿足可靠性和安全性的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 執(zhí)行層

執(zhí)行層，設(shè)置在機(jī)械室內(nèi)，主要由組合架、相應(yīng)控制器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)室外設(shè)備與室內(nèi)聯(lián)鎖機(jī)之間連接。執(zhí)行層中的控制器接收來(lái)自聯(lián)鎖機(jī)的控制命令以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的控制電路，由于部分型號(hào)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖保持了6502電氣集中聯(lián)鎖系統(tǒng)的執(zhí)行組電路部分，控制室外設(shè)備的繼電電路必須經(jīng)由組合架通過(guò)電纜與室內(nèi)設(shè)備連接。同時(shí)它又接收監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)編碼再傳送到聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)。由于控制器不具備聯(lián)鎖功能，但是它所處理的信息均屬于涉及安全的信息，因此，必須具備故障安全的性能[3]。

2 各類型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)對(duì)比

2.1 雙機(jī)熱備型

聯(lián)鎖技術(shù)最初是以單機(jī)運(yùn)行為主，雖然單機(jī)運(yùn)行在人機(jī)會(huì)話層性能要優(yōu)于電氣集中式聯(lián)鎖，但單機(jī)運(yùn)行的可靠性及安全性不能滿足鐵路的相關(guān)規(guī)定。隨著國(guó)內(nèi)的工控機(jī)技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，我國(guó)對(duì)可靠性和安全性的要求不斷提高，TYJL-2型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的雙機(jī)熱備型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

雙機(jī)熱備型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是硬件上采用雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)，聯(lián)鎖層有2臺(tái)聯(lián)鎖機(jī)，每個(gè)聯(lián)鎖機(jī)由各自CPU執(zhí)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，兩個(gè)CPU執(zhí)行兩套功能相同而編碼各異的系統(tǒng)，主機(jī)的結(jié)果作為控制命令輸出，并控制相應(yīng)的外部設(shè)備，并且將控制命令傳給上位機(jī)顯示，經(jīng)過(guò)多年實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，雙機(jī)熱備系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠?qū)崿F(xiàn)國(guó)家鐵路要求的可靠性和安全性指標(biāo)。

雖然雙機(jī)熱備系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)縫切換，并且可使在線檢修。但是，涉安信息的處理一旦不及時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，因此，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)停止了有關(guān)雙機(jī)熱備系統(tǒng)的研發(fā)工作。目前，我國(guó)僅準(zhǔn)許支線、非提速區(qū)域以及地鐵沿線使用此類型的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[4]。

2.2 三取二型（容錯(cuò)型）

三取二型聯(lián)鎖系統(tǒng)中，主要的聯(lián)鎖機(jī)由3臺(tái)完全相同的設(shè)備構(gòu)成，配備了雙路的電源回路，具有3條完全相同的輸入通道分別采集信息，并將采集結(jié)果分別送入各自CPU，3個(gè)CPU各自執(zhí)行聯(lián)鎖程序，進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送至輸出模塊，輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)表決器表決后，輸出為產(chǎn)生結(jié)果一致的信號(hào)，并由此控制相應(yīng)繼電器從而控制室外設(shè)備。

三取二型聯(lián)鎖系統(tǒng)，相對(duì)于雙機(jī)熱備型系統(tǒng)可靠性和安全性都有大幅度提高，但是由于存在著表決功能，因此，對(duì)于表決器的性能要求比較高，另外，故障機(jī)要及時(shí)切離，若沒(méi)有及時(shí)切離故障機(jī)，極有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果輸出。自2000—2015年，在湖東站、哈爾濱站、臨汐北站、新豐鎮(zhèn)站、長(zhǎng)春站等投入使用了三取二型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[5]。

2.3 二乘二取二型

為了滿足高速鐵路的發(fā)展需要，針對(duì)于三取二型聯(lián)鎖系統(tǒng)不能夠在線檢修問(wèn)題，近10年來(lái)研制出二乘二取二系統(tǒng)，目前，隨著電子產(chǎn)品價(jià)格的下降，所有的主干線甚至于城市軌道交通中，均采用二乘二取二計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

該計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)一共由兩系完全相同的聯(lián)鎖系統(tǒng)構(gòu)成，但是與雙機(jī)熱備系統(tǒng)不同的是每套聯(lián)鎖機(jī)由雙CPU同時(shí)運(yùn)行完全相同的程序，雙CPU共用一個(gè)時(shí)鐘周期，能夠?qū)崿F(xiàn)完全同步，如果兩個(gè)CPU運(yùn)行結(jié)果不同，則輸出安全側(cè)信息，這就保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全性能。如果該套聯(lián)鎖機(jī)不能正常運(yùn)行，則由熱備的聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)無(wú)縫切換，這就保證了系統(tǒng)的可靠性，可以說(shuō)二乘二取二型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，具備了高可靠性，高安全性，并且不存在表決功能，節(jié)省了工程造價(jià)，并且可以實(shí)現(xiàn)在線檢修，故障機(jī)如果不及時(shí)檢修也不會(huì)影響列車(chē)的正常運(yùn)行，是當(dāng)今鐵路最為可靠安全的一種計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

3 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

全電子執(zhí)行單元代替了傳統(tǒng)的繼電器，主要設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于維修和處理，部分硬件支持熱插拔，并具有過(guò)載和負(fù)載短路自動(dòng)保護(hù)的功能，避免熔絲導(dǎo)致的短路現(xiàn)象。并且新增了多種功能，不僅能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)電路，如果由于故障使得模塊導(dǎo)向安全，能夠通過(guò)第三通道向監(jiān)控機(jī)發(fā)送維護(hù)信息，并且能夠在電務(wù)維修機(jī)上實(shí)時(shí)的更新系統(tǒng)狀態(tài)。

二乘二取二的全電子化技術(shù)，掀起了無(wú)觸點(diǎn)技術(shù)的熱潮，并把這項(xiàng)技術(shù)正式納入正常設(shè)備運(yùn)用和管理。最近推出的眾多信號(hào)系統(tǒng)中，二乘二取二的全電子化技術(shù)，應(yīng)用在眾多的城市軌道交通中，也是至今為止，在軌道交通中能夠保證可靠性和安全性的基礎(chǔ)上，造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)，目前在建的成都地鐵，長(zhǎng)春地鐵二號(hào)線用的正是卡斯柯公司的信號(hào)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 林瑜筠，呂永昌.計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖[M].3版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[2] 劉湘國(guó).高速鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[3] 徐洪澤.車(chē)站信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[4] 錢(qián)藝.車(chē)站信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)維護(hù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[5] 謝林.全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖信號(hào)控制模塊設(shè)計(jì)[J].鐵道通信信號(hào)，2016，52（9）：8-11.