我國鐵路列控聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展趨勢研究

賈春肖， 張宏韜， 齊志華

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)、科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，鐵路建設(shè)正在經(jīng)歷一個(gè)迅猛發(fā)展的階段。截至2019年底，我國鐵路營業(yè)總里程達(dá)到13.9萬km，高鐵營業(yè)總里程3.5萬km，超過世界高鐵總里程的三分之二，位居世界第一。列車能夠安全平穩(wěn)地運(yùn)行依托于一個(gè)龐大的鐵路系統(tǒng)技術(shù)網(wǎng)，其中聯(lián)鎖系統(tǒng)和列控中心對(duì)于保障行車安全發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為了更好地解決列控中心、聯(lián)鎖系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置時(shí)傳輸數(shù)據(jù)冗余、接口復(fù)雜等問題，我國各大廠商都開始研制列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)。在此，對(duì)列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展必然性以及發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

1 國內(nèi)外列控、聯(lián)鎖發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 我國發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國站內(nèi)信號(hào)設(shè)備和區(qū)間設(shè)備分別由聯(lián)鎖系統(tǒng)和列控中心控制，2個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，通過安全數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行信息交互，保障行車安全。

聯(lián)鎖系統(tǒng)在我國的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)由機(jī)械式聯(lián)鎖、電氣機(jī)械聯(lián)鎖到電氣聯(lián)鎖，再到如今普遍使用的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的過程。電氣聯(lián)鎖以繼電電氣集中聯(lián)鎖為主，相較于機(jī)械聯(lián)鎖，其采用動(dòng)力轉(zhuǎn)轍機(jī)、色燈信號(hào)機(jī)和軌道電路三大電氣基礎(chǔ)設(shè)備，使用安全型繼電器構(gòu)成聯(lián)鎖邏輯自動(dòng)處理系統(tǒng)，使車站控制和聯(lián)鎖功能得到空前改善［1]。至20世紀(jì)70年代，由繼電器構(gòu)成的6502 電氣集中聯(lián)鎖系統(tǒng)開始逐步推廣并大面積使用，推動(dòng)了聯(lián)鎖系統(tǒng)的快速發(fā)展。

20 世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖開始逐步替代6502 電氣集中聯(lián)鎖。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖以繼電器接口方式集中操縱動(dòng)力式道岔及色燈信號(hào)機(jī)，以軟件方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯處理功能，相較于電氣集中聯(lián)鎖，繼電器數(shù)量減少約2/3，具有可維護(hù)性高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，且施工更加方便，有效縮短施工周期。截至2017年底，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖車站投入運(yùn)營6432個(gè)，已超全國車站總數(shù)的70%。

列控系統(tǒng)由地面子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)2 部分組成。地面子系統(tǒng)由列控中心（TCC）、無線閉塞中心（RBC）、臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）、應(yīng)答器等組成，其中，列控中心是我國獨(dú)有的列車運(yùn)行控制設(shè)備［2］。2007 年我國鐵路第6 次大提速時(shí)，為了適應(yīng)高速鐵路運(yùn)行需求，在地面信號(hào)系統(tǒng)中獨(dú)立設(shè)置了列控中心。由列控中心實(shí)現(xiàn)臨時(shí)限速處理及有源應(yīng)答器報(bào)文控制。其后10 多年間，列控中心的功能不斷擴(kuò)展并發(fā)展完善［3］，目前列控中心通過與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、軌道電路、調(diào)度集中系統(tǒng)、地面電子單元等的通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有源應(yīng)答器報(bào)文發(fā)送和接收、閉塞分區(qū)運(yùn)行方向控制、軌道電路設(shè)備發(fā)碼控制、異物侵限信息采集、區(qū)間信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈控制、區(qū)間軌道電路狀態(tài)采集等功能。地面信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 地面信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

在國外主流信號(hào)系統(tǒng)中，地面控制系統(tǒng)通常僅由聯(lián)鎖系統(tǒng)和RBC 組成，由聯(lián)鎖系統(tǒng)完成對(duì)站內(nèi)以及區(qū)間設(shè)備的控制，由RBC發(fā)送行車許可及列車控制信息。目前國際上比較典型的聯(lián)鎖系統(tǒng)有：SIMIS-W 聯(lián)鎖系統(tǒng)、SEI 聯(lián)鎖系統(tǒng)、OCS950 聯(lián)鎖系統(tǒng)、SMRTLOCK400聯(lián)鎖系統(tǒng)、SAINT一體化系統(tǒng)。我國京津城際鐵路引進(jìn)SIMIS-W 系統(tǒng)，秦沈客運(yùn)專線和石太客運(yùn)專線引進(jìn)SEI聯(lián)鎖系統(tǒng)［4］。其中，SEI系統(tǒng)是比較典型的列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)，其在站內(nèi)上下咽喉各設(shè)置1套聯(lián)鎖設(shè)備完成聯(lián)鎖功能、軌道電路編碼和譯碼、有源應(yīng)答器報(bào)文控制、與鄰站SEI 系統(tǒng)安全信息傳輸、臨時(shí)限速等功能，中繼站設(shè)置1 套聯(lián)鎖系統(tǒng)，完成中繼站相關(guān)控制功能［5］。SIMIS-W 系統(tǒng)屬于另一種類型的列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)，是一種具有區(qū)域聯(lián)鎖功能的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，通過完全電子化的電子執(zhí)行單元直接控制道岔、信號(hào)機(jī)等軌旁設(shè)備，其聯(lián)鎖功能不僅包括站內(nèi)聯(lián)鎖而且包括區(qū)間聯(lián)鎖，同時(shí)該系統(tǒng)還能夠控制有源應(yīng)答器報(bào)文發(fā)送、接收，為列車提供行車許可，為列車的安全運(yùn)行提供保障，實(shí)現(xiàn)列控地面設(shè)備的功能［2］。

2 列控聯(lián)鎖一體化發(fā)展的必要性

在2007 年既有線大提速時(shí)，既存在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，又有6502 電氣集中聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用疊加列控中心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以盡量減少對(duì)既有聯(lián)鎖系統(tǒng)的影響，保障聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性，在我國高鐵建設(shè)初期是一種最優(yōu)的選擇。經(jīng)過10 多年的發(fā)展，我國鐵路已積累了豐富的建設(shè)、運(yùn)營以及運(yùn)用列控、聯(lián)鎖系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，有能力對(duì)列控、聯(lián)鎖設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化，尤其是將列控中心和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)一體化后，具有以下優(yōu)勢。

2.1 減少數(shù)據(jù)交互，提高通信效率

列控中心與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)并不是完全獨(dú)立的，為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，2系統(tǒng)在每一通信周期內(nèi)都需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交互工作，2系統(tǒng)間的耦合度十分高。例如，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的接、發(fā)車進(jìn)路需要從列控中心獲取允許發(fā)車?yán)^電器的狀態(tài)、區(qū)間方向等信息，同時(shí)列控中心也需要從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)獲取進(jìn)路數(shù)據(jù)來完成軌道電路編碼以及區(qū)間信號(hào)機(jī)的點(diǎn)燈邏輯功能。這些系統(tǒng)間數(shù)據(jù)需要通過鐵路信號(hào)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行傳遞，在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方均需要進(jìn)行安全協(xié)議（RSSP-I）處理后才能收發(fā)，并需要考慮通信不穩(wěn)定以及對(duì)方系統(tǒng)倒機(jī)切換等異常情況時(shí)不能影響系統(tǒng)的正常功能，實(shí)時(shí)性和通信穩(wěn)定性受到制約。

而列控聯(lián)鎖一體化后，只需要在系統(tǒng)內(nèi)部直接調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，這將有效提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確率。同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸也不再受到傳輸媒介的限制，降低了獨(dú)立設(shè)置時(shí)因通信延時(shí)、通信畸變等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)滯后、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等風(fēng)險(xiǎn)，保證輸入信息的一致性［6］。此外，一體化系統(tǒng)還能將復(fù)雜的接口信息傳遞過程轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部數(shù)據(jù)處理，使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)能夠在內(nèi)部共享，有利于提高數(shù)據(jù)的利用率，降低軟件開發(fā)復(fù)雜度。列控、聯(lián)鎖獨(dú)立設(shè)置與一體化后數(shù)據(jù)交互對(duì)比見圖2。

2.2 降低數(shù)據(jù)傳輸迂回性

列控聯(lián)鎖一體化后能夠降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠鼗匦浴?/p>

目前，列控中心與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)都存在數(shù)據(jù)代傳現(xiàn)象。例如，因列控中心不與RBC 直接通信，閉塞分區(qū)占用信息、異物侵限信息、區(qū)間方向信息需要由計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)代傳。聯(lián)鎖開放USU 信號(hào)時(shí)，需要獲取大號(hào)碼道岔的限速情況，因計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)與臨時(shí)限速服務(wù)器之間無通信接口，該信息需經(jīng)由列控中心進(jìn)行代傳。列控聯(lián)鎖一體化后能夠解決數(shù)據(jù)迂回傳輸問題，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性［7]。列控、聯(lián)鎖獨(dú)立設(shè)置與一體化數(shù)據(jù)傳輸對(duì)比見圖3。

圖2 列控、聯(lián)鎖獨(dú)立設(shè)置與一體化數(shù)據(jù)交互對(duì)比

圖3 列控、聯(lián)鎖獨(dú)立設(shè)置與一體化數(shù)據(jù)傳輸對(duì)比

2.3 優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)

列控聯(lián)鎖一體化后還能優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)、減少系統(tǒng)接口。本站列控中心和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)除了與2個(gè)相鄰列控中心、2 個(gè)相鄰計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行接口外，有時(shí)還需要與RBC、TSRS 等設(shè)備接口。在典型的復(fù)雜信號(hào)系統(tǒng)中，列控中心和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)至少需要與16 個(gè)外部設(shè)備進(jìn)行接口。在這些外部接口設(shè)備中，調(diào)度集中控制系統(tǒng)（CTC）、鐵路信號(hào)集中監(jiān)測系統(tǒng)（CSM）是2 個(gè)系統(tǒng)共同的接口設(shè)備。通過將列控中心和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)合并為1 個(gè)系統(tǒng)，能夠?qū)? 個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立的接口進(jìn)行統(tǒng)一和優(yōu)化，降低系統(tǒng)接口復(fù)雜度，便于系統(tǒng)設(shè)備間更好地協(xié)調(diào)和配合（見圖4）。

2.4 降低系統(tǒng)維護(hù)工作量

當(dāng)前，每個(gè)列控中心、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)都需要設(shè)置獨(dú)立的主機(jī)柜、綜合柜和維護(hù)終端。列控聯(lián)鎖一體化后將2套設(shè)備進(jìn)行合并，有效減少信號(hào)設(shè)備數(shù)量。同時(shí)，因?yàn)橐惑w化后不存在因列控中心、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)屬于不同廠商而導(dǎo)致的互聯(lián)互通問題，系統(tǒng)維護(hù)更加簡便，可減少現(xiàn)場維護(hù)人員的工作量。

3 列控聯(lián)鎖一體化發(fā)展趨勢

3.1 全電子列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)

縱觀國外列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)的發(fā)展，全電子化系統(tǒng)成為總體發(fā)展趨勢。例如，西門子公司的基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字聯(lián)鎖系統(tǒng)、日立公司的ATC·聯(lián)鎖一體化地面設(shè)備（SAINT）、龐巴迪公司的OCS 950 系統(tǒng)等無不采用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)，并且這些系統(tǒng)多采用目標(biāo)控制器結(jié)構(gòu)控制軌旁設(shè)備。特別是IEC 61508、EN 50126/128/129 等標(biāo)準(zhǔn)的提出，使電氣/電子/可編程電子相關(guān)系統(tǒng)在鐵路信號(hào)領(lǐng)域的應(yīng)用有標(biāo)準(zhǔn)可依，安全性、可靠性、可維護(hù)性得到有效保證。因此，發(fā)展全電子列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，符合國際發(fā)展趨勢，有利于推動(dòng)我國高鐵技術(shù)在世界范圍的全面推廣。

3.1.1 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不同，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)采用電子模塊取代了執(zhí)行層的I/O驅(qū)采電路和繼電器，用電子手段控制電氣電路上的開關(guān)通斷。在系統(tǒng)施工階段，能夠有效減少接口配線數(shù)量，并且配線不需要焊接而是采用壓接式端子，縮短了施工時(shí)間。系統(tǒng)取消了大部分繼電器設(shè)備，不必在機(jī)械室中設(shè)置大量的繼電器組合架，具有占地面積小、節(jié)省設(shè)備存放空間的優(yōu)點(diǎn)［8]。

圖4 列控、聯(lián)鎖獨(dú)立設(shè)置與一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比

在系統(tǒng)運(yùn)行中，電子模塊能夠杜絕使用封連線的可能，降低了混線、斷線、繼電器故障導(dǎo)致的信號(hào)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。在日常維護(hù)中，電子模塊采用熱備冗余設(shè)置，并且具備系統(tǒng)自診斷功能，當(dāng)執(zhí)行層與軌旁設(shè)備接口故障時(shí)，模塊能夠定位到板卡級(jí)，現(xiàn)場維護(hù)人員僅需更換掉故障模塊，免去了對(duì)繼電電路排查的時(shí)間，提高了維修效率［9]。

在站場改造時(shí)，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)模塊化程度高，通過增減模塊能夠滿足不同站場的需求，具有良好的擴(kuò)展性，更有益于站場改造的實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了改造成本。

3.1.2 目標(biāo)控制器

目標(biāo)控制器一般由通信模塊及若干電子模塊組成，既可集中設(shè)置在車站，也可分散設(shè)置于遠(yuǎn)端車站。電子模塊直接控制軌旁設(shè)備并實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)信息。通信模塊作為系統(tǒng)邏輯部與電子模塊的通信橋梁，完成控制命令發(fā)送、采集信息接收和通信管理功能。

基于目標(biāo)控制器的控制結(jié)構(gòu)非常適合我國鐵路各種復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。特別是青藏鐵路、川藏鐵路自然環(huán)境惡劣、值守困難，部分車站為無人值守站，并且橋隧占比非常高，這就要求軌旁控制設(shè)備可靠性高、小型化、占用空間小。當(dāng)沿線環(huán)境不利于設(shè)置車站時(shí)，可不設(shè)置車站，將目標(biāo)控制器分散設(shè)置于軌旁，由集中站系統(tǒng)統(tǒng)一控制目標(biāo)控制器。

3.2 智能化維護(hù)

列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)不僅將列控中心和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)簡單合并，而且推動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)向著更高的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。為此列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)應(yīng)具備智能的維護(hù)診斷功能。

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集和記錄站內(nèi)和區(qū)間的設(shè)備狀態(tài)信息、一體化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、與外部設(shè)備接口通信狀態(tài)等。通過獲取站內(nèi)和區(qū)間維護(hù)信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，具備更加完善的故障預(yù)測、診斷分析功能。設(shè)置綜合維護(hù)終端遠(yuǎn)程監(jiān)測各站的運(yùn)行狀態(tài)，提供多級(jí)查閱、回放、管理和故障處理等功能［10]。

維護(hù)系統(tǒng)還應(yīng)具備設(shè)備供應(yīng)商遠(yuǎn)程顯示和診斷功能。目前設(shè)備故障后，設(shè)備供應(yīng)商通常采取電話技術(shù)指導(dǎo)，通過電話遠(yuǎn)程撥號(hào)調(diào)取維修機(jī)數(shù)據(jù)提供即時(shí)遠(yuǎn)程技術(shù)支持，如果故障無法排除，還需派專業(yè)維護(hù)人員至現(xiàn)場維修。設(shè)置遠(yuǎn)程顯示終端后，設(shè)備供應(yīng)商能夠及時(shí)獲取設(shè)備狀態(tài)信息，有利于維護(hù)人員在短時(shí)間內(nèi)迅速對(duì)故障進(jìn)行判斷，提供更加精準(zhǔn)的技術(shù)支持，極大縮短了故障響應(yīng)和處理時(shí)間。

3.3 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全問題受到越來越多的重視。鐵路作為國家運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)安全問題不容忽視。列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)作為保障鐵路安全、提升運(yùn)輸效率的關(guān)鍵設(shè)備，更應(yīng)該重視此項(xiàng)內(nèi)容。

列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的最初階段就應(yīng)將網(wǎng)絡(luò)安全納入設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)。建立、健全網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)行內(nèi)外網(wǎng)獨(dú)立，在關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)安裝網(wǎng)絡(luò)防護(hù)軟件，重要接口增設(shè)防火墻，能夠?qū)Σ《竟暨M(jìn)行攔截。系統(tǒng)內(nèi)部通信也應(yīng)注重網(wǎng)絡(luò)安全問題，內(nèi)部通信應(yīng)采用封閉的專用網(wǎng)絡(luò)，防止病毒攻擊導(dǎo)致數(shù)據(jù)改變，威脅系統(tǒng)安全。

在智能維護(hù)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程訪問功能應(yīng)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全措施，設(shè)置嚴(yán)格的訪問權(quán)限，在技術(shù)角度控制越級(jí)訪問的發(fā)生。維護(hù)終端應(yīng)建立完善的賬戶安全管理工作，能夠?qū)~戶、密碼進(jìn)行統(tǒng)一的審核和管理［11]。

4 結(jié)束語

調(diào)研國內(nèi)外列控、聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r，闡述發(fā)展列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)的必要性以及系統(tǒng)發(fā)展趨勢，提出研制全電子列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)的設(shè)想。全電子列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)將列控中心和聯(lián)鎖系統(tǒng)集成為1個(gè)系統(tǒng)，減少了設(shè)備數(shù)量和系統(tǒng)間接口，采用目標(biāo)控制器對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行控制，取消大部分接口繼電器，同時(shí)設(shè)置智能化的維護(hù)系統(tǒng)，構(gòu)建安全、低風(fēng)險(xiǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，推動(dòng)列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)向著更簡潔、更集中、更安全、統(tǒng)一化的方向發(fā)展。