簡(jiǎn)談北京地鐵房山線車輛段全電子聯(lián)鎖改造

祁 穎，謝千野，王一力，于 萌，侯筱巖

（1．北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司通信信號(hào)分公司，北京 100082；2．卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100070;3.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心,北京 102208）

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前地鐵信號(hào)系統(tǒng)中的聯(lián)鎖系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖加繼電器執(zhí)行系統(tǒng)為主，聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，繼電器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與室外信號(hào)設(shè)備的接口以及對(duì)室外信號(hào)設(shè)備的控制輸出和狀態(tài)采集。

在日常使用中，繼電器執(zhí)行系統(tǒng)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)接點(diǎn)松動(dòng)、虛焊、斷線、繼電器插不緊等情況，影響行車。繼電電路十分復(fù)雜，修改成冗余方式幾乎是不可能的，并且日常維修維護(hù)對(duì)維保人員的專業(yè)水平有較高要求。

2 電子執(zhí)行單元原理

電子執(zhí)行單元直接與軌旁信號(hào)設(shè)備進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁信號(hào)設(shè)備的控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

電子執(zhí)行單元采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從聯(lián)鎖運(yùn)算到執(zhí)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的全電子一體化設(shè)計(jì)，具備在線、快速、完備的自檢測(cè)和自診斷功能，杜絕了繼電器執(zhí)行控制所固有的安全隱患和缺陷，提高了鐵路信號(hào)系統(tǒng)的技術(shù)裝備水平。

電子執(zhí)行單元按照閉環(huán)反饋、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、雙斷安全控制、冗余同步校核設(shè)計(jì)，研究系列基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備全電子化控制裝置。綜合利用現(xiàn)代電子信息、電力電子開(kāi)關(guān)、嵌入式計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、冗余、容錯(cuò)等多項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全電子化、模塊化、智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，升級(jí)和換代傳統(tǒng)的軌道交通信號(hào)聯(lián)鎖控制設(shè)備，提供安全、先進(jìn)、可靠的成套技術(shù)與系列裝備，滿足鐵路高速、重載、安全、高效的運(yùn)輸生產(chǎn)需要。

每一個(gè)電子執(zhí)行單元均采用2套獨(dú)立的運(yùn)算單元及其控制電路實(shí)現(xiàn)安全控制，采用通過(guò)安全認(rèn)證的安全平臺(tái)，綜合應(yīng)用 “組合故障安全”以及“固有故障安全”的安全技術(shù)，只有2套運(yùn)算單元“二取二”運(yùn)算結(jié)果一致時(shí)，才進(jìn)行控制輸出。充分利用安全通信協(xié)議、信息的安全和保密技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子執(zhí)行單元與聯(lián)鎖運(yùn)算單元之間安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，保障系統(tǒng)的安全和可靠。為杜絕重大事故安全隱患，從根本上解決人為封連繼電器接點(diǎn)導(dǎo)致聯(lián)鎖關(guān)系失效的重大安全問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)督功能，按照“控制、監(jiān)督、監(jiān)測(cè)一體化”思想設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)的無(wú)觸點(diǎn)全電子控制。

3 電子執(zhí)行單元（ECID）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ECID子系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)（IPS）與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)機(jī)、道岔、軌道電路等信號(hào)設(shè)備連接的通道，實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)機(jī)、道岔等信號(hào)設(shè)備的功能，同時(shí)完成對(duì)燈絲狀態(tài)、道岔表示狀態(tài)、軌道電路工作狀態(tài)、道岔動(dòng)作電流等信號(hào)設(shè)備狀態(tài)的采集功能。

ECID子系統(tǒng)是基于微處理器、滿足“故障-安全”的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)。ECID子系統(tǒng)能完成信號(hào)設(shè)備控制功能、通信管理功能和輔助功能（即診斷和監(jiān)測(cè)功能），符合SIL4級(jí)安全等級(jí)，與其他SIL4的子系統(tǒng)（如IPS）或非SIL4的子系統(tǒng)（如SDM）通信不會(huì)降低其SIL4的安全等級(jí)。

ECID子系統(tǒng)機(jī)籠包含輸入輸出通信模塊及信號(hào)機(jī)模塊、四六線制道岔模塊、25 Hz軌道電路模塊、電碼化模塊、五線制道岔模塊、零散采集模塊6種類型模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔、信號(hào)機(jī)、電碼化設(shè)備、零散模塊的驅(qū)動(dòng)以及對(duì)道岔表示、道岔啟動(dòng)電流、信號(hào)機(jī)燈絲狀態(tài)、燈絲電流、零散模塊和軌道信號(hào)的采集。

ECID子系統(tǒng)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與IPS子系統(tǒng)的雙網(wǎng)冗余連接完成信息交換，主要從IPS子系統(tǒng)接收聯(lián)鎖控制命令,如道岔轉(zhuǎn)換控制命令、信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈控制命令等，向IPS子系統(tǒng)發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)信息，如道岔表示狀態(tài)、信號(hào)機(jī)燈絲狀態(tài)、軌道電路占用狀態(tài)等。ECID子系統(tǒng)與IPS子系統(tǒng)間進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送方式，接收方按FSFB/2安全通信協(xié)議要求對(duì)接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格檢查。

ECID子系統(tǒng)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)維護(hù)臺(tái)的雙網(wǎng)冗余連接，使用UDP協(xié)議通信，向系統(tǒng)維護(hù)臺(tái)發(fā)送報(bào)警和監(jiān)測(cè)信息。

ECID子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 房山線改造

目前，房山閻村車輛段采用繼電器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口，主要有道岔啟動(dòng)電路、信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路、場(chǎng)聯(lián)電路、軌道電路采集電路、零散接口電路等。在這些電路中使用最頻繁、比較容易出現(xiàn)故障的是信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路、道岔啟動(dòng)電路和軌道電路這3個(gè)部分，因此本項(xiàng)目針對(duì)這3個(gè)部分進(jìn)行電子執(zhí)行單元及相關(guān)接口設(shè)備的實(shí)驗(yàn)更換。

改造前聯(lián)鎖系統(tǒng)由以下部分組成，如圖2所示。

聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)：設(shè)置1套二乘二取二聯(lián)鎖系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成管轄區(qū)域內(nèi)的所有聯(lián)鎖功能及與鄰站CBI之間的接口和數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)備布置在設(shè)備集中站的信號(hào)機(jī)房?jī)?nèi)。

診斷維護(hù)子系統(tǒng)SDM：設(shè)置1個(gè)系統(tǒng)維護(hù)臺(tái)（SDM），負(fù)責(zé)完成本設(shè)備集中站所轄車站的聯(lián)鎖診斷和故障記錄等，并把相應(yīng)的信息內(nèi)容通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送至維修中心。該設(shè)備布置在信號(hào)機(jī)房?jī)?nèi)的維護(hù)操作臺(tái)面上。

圖1 ECID子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram of ECID subsystem

冗余網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)RNET：配置3層通信傳輸結(jié)構(gòu)，第一層為CBI系統(tǒng)與ATS子系統(tǒng)、系統(tǒng)維護(hù)臺(tái)及現(xiàn)地控制工作站之間的信息交換提供網(wǎng)絡(luò)傳輸通道；第二層為CBI和鄰站CBI之間的信息交換提供網(wǎng)絡(luò)傳輸通道；第三層為車輛段與試車線通信通道。聯(lián)鎖A/B機(jī)、現(xiàn)地控制工作站和系統(tǒng)維護(hù)臺(tái)各提供2個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，接入冗余的基于TCP/IP協(xié)議的ATS子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)相互之間信息交換。同時(shí)，通過(guò)SDH節(jié)點(diǎn)接入ATC骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)和中心ATS之間的信息交換。聯(lián)鎖A/B機(jī)通過(guò)另外獨(dú)立的2個(gè)網(wǎng)口接入冗余的基于FSFB2協(xié)議的ATP/ATO子網(wǎng)，通過(guò)SDH節(jié)點(diǎn)接入ATC骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)和鄰站聯(lián)鎖通信。這三層通信傳輸通道，均采用冗余的方式，因此一旦冗余網(wǎng)絡(luò)中的一條網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，各子系統(tǒng)仍可以通過(guò)另一條網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

人機(jī)界面子系統(tǒng)ATS：設(shè)置1套熱備冗余的現(xiàn)地控制工作站（HMI），它是CBI的控制顯示單元，控制本聯(lián)鎖區(qū)域的范圍。它主要負(fù)責(zé)把車站值班員的操作命令（例如：進(jìn)路辦理、單操道岔、開(kāi)放引導(dǎo)信號(hào)等所有的聯(lián)鎖操作）經(jīng)一定的預(yù)檢查后傳遞給CBI，并接收車站ATS分機(jī)發(fā)送的中心操作命令。同時(shí)車站現(xiàn)地控制工作站顯示CBI發(fā)送的顯示信息（主要包括道岔、信號(hào)機(jī)、進(jìn)路、故障報(bào)警）等狀態(tài)，并把相應(yīng)的顯示信息通過(guò)車站ATS分機(jī)發(fā)送給中心。該設(shè)備布置在車控室的綜合控制臺(tái)上。設(shè)備集中站的聯(lián)鎖設(shè)備操縱工作站與ATS監(jiān)控工作站合用，稱為現(xiàn)地控制工作站。

子系統(tǒng)改造內(nèi)容，改造后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)：增加ECID通信接口，接收ECID對(duì)軌旁設(shè)備的采集信息，控制ECID驅(qū)動(dòng)軌旁設(shè)備。

圖2 改造前聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of the interlocking system before reconstruction

診斷維護(hù)子系統(tǒng)SDM：增加SDM網(wǎng)口接入原DVCOM子網(wǎng)交換機(jī)，用于獲取ECID子系統(tǒng)的維護(hù)信息。

冗余網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)RNET：利用原DVCOM子網(wǎng)作為ECID與聯(lián)鎖機(jī)運(yùn)算單元的通信通道。

人機(jī)界面子系統(tǒng)ATS：不需改造。

電子執(zhí)行單元子系統(tǒng)ECID如圖4所示：新增1套二乘二取二的ECID子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)接收聯(lián)鎖機(jī)運(yùn)算單元的控制命令，根據(jù)命令動(dòng)作信號(hào)設(shè)備；采集信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)，并將狀態(tài)信息發(fā)送給聯(lián)鎖機(jī)運(yùn)算單元；采集信號(hào)設(shè)備的維護(hù)信息，并發(fā)送到診斷維護(hù)子系統(tǒng)。通過(guò)原DVCOM子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與聯(lián)鎖機(jī)運(yùn)算單元交互采集驅(qū)動(dòng)信息。

ECID實(shí)現(xiàn)以下功能：

a. 實(shí)現(xiàn)與計(jì)算單元的通信接口功能，接收來(lái)自計(jì)算單元的信號(hào)設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制命令，并將信號(hào)設(shè)備的采集信息發(fā)送給計(jì)算單元；

b. 實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈驅(qū)動(dòng)控制和燈絲狀態(tài)的采集功能,同時(shí)采集信號(hào)機(jī)燈絲電流；

c. 實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)控制和道岔位置狀態(tài)采集功能，同時(shí)采集道岔動(dòng)作電流；

d. 實(shí)現(xiàn)軌道電路狀態(tài)采集及監(jiān)測(cè)功能。

設(shè)備倒切柜：增加設(shè)備倒切柜連接分線盤，用于全電子接口和繼電組合接口快速切換，保證ECID在雙系同時(shí)故障的情況下，也可以人工切換至既有的繼電器電路，對(duì)室外設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和采集，確保運(yùn)營(yíng)快速恢復(fù)。

5 設(shè)備倒切

為實(shí)現(xiàn)繼電組合和電子執(zhí)行單元對(duì)室外設(shè)備的控制與狀態(tài)回采的倒接，在分線盤處設(shè)置設(shè)備倒切柜，倒切原理如圖5所示。

1) 新增配線從ECID單元引入設(shè)備倒切柜“新”端口；

2) 新增配線將既有設(shè)備繼電接口從組合架引入設(shè)備倒切柜“舊”端口；

3) 將設(shè)備倒切柜“輸出”端口引出至分線盤，替代原有繼電組合柜至分線盤的接口。

圖4 ECID機(jī)柜照片F(xiàn)ig.4 ECID cabinet

圖5 倒切原理Fig.5 Switching principle

通過(guò)采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)安全型繼電器的前接點(diǎn)接通電子執(zhí)行單元（“新”側(cè)），后接點(diǎn)接通既有繼電組合（“舊”側(cè)）的方式來(lái)完成新舊設(shè)備的倒接。通過(guò)控制繼電器的吸起和落下來(lái)實(shí)現(xiàn)倒接，倒接時(shí)的設(shè)備轉(zhuǎn)換工作量較小，為設(shè)備調(diào)試節(jié)省了時(shí)間。

考慮到道岔控制電路中控制線上電流較大，道岔擬采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)接點(diǎn)型JWJXC-480繼電器作為倒接設(shè)備，其余設(shè)備擬采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JWXC-1700型繼電器作為倒接設(shè)備。JWJXC-480安全型繼電器有兩組加強(qiáng)型接點(diǎn)和兩組非加強(qiáng)型接點(diǎn)，道岔控制線均通過(guò)兩組加強(qiáng)型接點(diǎn)倒接，對(duì)于道岔的表示回線可采用非加強(qiáng)型接點(diǎn)，所需繼電器的具體數(shù)量如表1所示。

表1 繼電器數(shù)量Tab.1 Number of relays

6 應(yīng)用意義

目前的聯(lián)鎖系統(tǒng)中存在接口繼電器體積大、數(shù)量多、配線復(fù)雜、焊接節(jié)點(diǎn)多、繼電器日常檢修維護(hù)復(fù)雜等不足，還存在人為封連接點(diǎn)、線路混線等安全隱患，對(duì)設(shè)備安裝、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)檢修造成很多困擾，而接口電子化的產(chǎn)生在這些方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。用電子執(zhí)行單元替代既有組合繼電器結(jié)合的設(shè)備直接和軌旁信號(hào)設(shè)備連接，尤其是可以根據(jù)需要與聯(lián)鎖計(jì)算單元分散放置，可以緩解地鐵緊張的設(shè)備用房，為將來(lái)的改造項(xiàng)目留下充足的空間，在城市軌道交通上的應(yīng)用研究有十分重要的意義。