列控聯(lián)鎖一體化設備的應用前景探討

張碧嫣

（卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

隨著國內社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對鐵路運輸力也提出了更高的需求，列車能夠安全平穩(wěn)地運行并且提高列車運行速度是提升鐵路運力的關鍵所在。依托國家對科技發(fā)展創(chuàng)新的重視加強，國內鐵路系統(tǒng)技術也迎來了迅猛發(fā)展時期，其中我國自主研發(fā)的列車運行控制系統(tǒng)則是實現(xiàn)提速目標的重要技術支持手段，對列車的高效安全運行起著至關重要的作用。一體化、智能化、網(wǎng)絡化系統(tǒng)將成為未來地面控制設備的發(fā)展趨勢，也是各信號設備廠商自主研發(fā)的方向，在此對全電子列控聯(lián)鎖一體化設備在鐵路建設上的應用前景進行探討。

1 鐵路地面控制設備發(fā)展歷史

1.1 聯(lián)鎖系統(tǒng)

聯(lián)鎖系統(tǒng)是實現(xiàn)以進路控制為主的聯(lián)鎖功能。聯(lián)鎖設備經(jīng)歷了從機械聯(lián)鎖、繼電聯(lián)鎖到計算機聯(lián)鎖的發(fā)展歷史。20世紀70年代，采用動力轉轍機、色燈信號機和軌道電路的電氣集中聯(lián)鎖開始在我國推廣使用。我國自主設計的6502電氣集中使用安全型繼電器，滿足故障安全原則，通過繼電電路完成控制邏輯，電氣集中設備推動聯(lián)鎖系統(tǒng)的快速發(fā)展。計算機聯(lián)鎖設備始于20世紀70年代末，首先在廠礦鐵路及編組站進行試驗和應用。1991年11月，卡斯柯信號有限公司（簡稱卡斯柯公司）從美國通用公司引進并結合我國鐵路需求開發(fā)的VPI計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在廣深線紅海站投入使用，這是全國鐵路干線上第一個采用計算機聯(lián)鎖的車站。VPI型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結構如圖1所示，采用熱備冗余結構，以繼電器接口集中控制道岔和信號機并實時采集軌道電路狀態(tài)，以軟件語言實現(xiàn)6502聯(lián)鎖邏輯處理功能，是一種“故障-安全”的車站聯(lián)鎖信號控制系統(tǒng)。隨著電子信息技術的發(fā)展，各信號廠商開發(fā)的二乘二取二冗余結構的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)已逐步取代了雙機熱備聯(lián)鎖系統(tǒng)，如卡斯柯公司的ILOCK安全型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、北京全路通信信號研究設計院集團有限公司的DS6-K5B型聯(lián)鎖系統(tǒng)等。新一代的全電子聯(lián)鎖設備取消了繼電器接口控制電路，目前在我國鐵路干線上還沒有使用，但是如卡斯柯公司自主研發(fā)的采用電子執(zhí)行單元的ILOCK-E全電子聯(lián)鎖產(chǎn)品已在國內船山站及國外老撾站開通使用。

圖1 VPI型聯(lián)鎖系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of VPI type Interlocking system

1.2 列控中心系統(tǒng)

2005年原鐵道部提出第6次大提速，為實現(xiàn)200 km/h以上的客車運行速度，并且適應我國鐵路計算機聯(lián)鎖與6502電氣集中同時存在的建設特點，提出我國獨有的疊加列控中心的系統(tǒng)設計方案，可以盡量減少對既有設備的影響，保障聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性。經(jīng)過多年高速鐵路的發(fā)展建設，我國的列控中心系統(tǒng)已經(jīng)形成了自己的技術標準和接口規(guī)范等。列控中心采用安全架構并實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯功能的計算機平臺，通過與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、軌道電路、調度集中系統(tǒng)、臨時限速服務器、地面電子單元等接口，實現(xiàn)了控制有源應答器報文發(fā)送和接收、ZPW-2000型軌道電路發(fā)碼控制、閉塞分區(qū)運行方向控制、區(qū)間信號機點燈控制、區(qū)間軌道電路狀態(tài)采集、異物侵限采集等功能，是中國列車控制系統(tǒng)（CTCS）的關鍵組成設備。

2 我國地面控制設備應用現(xiàn)狀分析

目前我國高速鐵路上使用的中國列車控制系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)組成。地面控制系統(tǒng) 由 CBI、CTC、TCC、RBC、ZPW-2000系 列軌道電路、LEU設備、應答器設備等組成，CTCS-3列控系統(tǒng)結構如圖2所示。無線閉塞中心和臨時限速服務器為中心設備，設置在控制中心；列控中心和計算機聯(lián)鎖為車站設備，在沿線各車站均設置。通過10多年的高速鐵路發(fā)展建設積累的經(jīng)驗，列控中心系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)的分設使得我國的信號系統(tǒng)存在以下問題。

2.1 子系統(tǒng)間接口復雜

在一個標準高速鐵路車站中，列控中心設備和計算機聯(lián)鎖設備需有通信接口，并且各自除了需要與2個相鄰站列控、聯(lián)鎖設備進行通信外，還需要與其他地面設備接口進行信息交互，地面設備間接口示意如圖3所示。在復雜場景中，列控中心系統(tǒng)有時還需要與25 Hz軌道電路、既有電碼化電路接口等。同時還存在列控中心與無線閉塞中心、臨時限速服務器與聯(lián)鎖系統(tǒng)、不同線路無線閉塞中心之間無通信接口的問題，導致改造站、C2/C3級轉換站、線路所等有些信息需要互相代傳。隨著我國鐵路網(wǎng)絡縱橫交錯情況越來越多，復雜的系統(tǒng)結構與接口給系統(tǒng)設計、工程實施、運營維護都會帶來很多困難和不便。

圖2 CTCS-3地面控制系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure diagram of CTCS-3 wayside control system

圖3 地面控制系統(tǒng)接口圖Fig.3 Interface diagram of wayside control system

2.2 數(shù)據(jù)交互頻繁

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)主要負責進路、道岔和信號機，列控中心系統(tǒng)負責的軌道電路編碼、區(qū)間方向轉換和區(qū)間信號控制也是區(qū)間聯(lián)鎖功能，在國外信號控制系統(tǒng)中基本通過聯(lián)鎖系統(tǒng)完成車站及區(qū)間的整體控制。單獨設置列控系統(tǒng)導致需要兩者交互大量數(shù)據(jù)配合完成聯(lián)鎖功能?！陡哞F列控中心接口暫行技術規(guī)范》中對TCC與CBI間接口進行了標準化要求，CBI、TCC間發(fā)送的信息如表1所示，可以看出為了實現(xiàn)接發(fā)車進路控制產(chǎn)生大量的信息在聯(lián)鎖與列控中心間切換，增加了系統(tǒng)的工作量。

子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互通過鐵路信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)進行傳遞，不僅在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方均需要進行安全協(xié)議處理，還需要考慮通信故障、網(wǎng)絡不穩(wěn)定以及對方系統(tǒng)倒機切換等異常情況的影響。信息傳輸受到中間傳輸介質、通信協(xié)議的實現(xiàn)和系統(tǒng)處理能力水平的限制，實時性和穩(wěn)定性都受限，系統(tǒng)整體的可靠性也因此降低。

2.3 運營維護成本高

列控中心與聯(lián)鎖在每個車站都需要分別設置獨立的主機柜、綜合柜和維護終端，機械室占用面積大、使用的電纜多、施工配線布線復雜，施工成本高、難度大。通信故障、硬件故障或者外電路繼電器故障時，需要進行故障定位及故障報告分析，運營維護人員很難通過報警信息及時分析出故障點并制定應急措施。而且，高速鐵路車站無人值守，如果需派人到車站機械室定位故障，會延長故障響應時間，影響高速鐵路的運營效率。并且，列控中心及聯(lián)鎖設備都采用二乘二取二的安全冗余結構，可以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，但硬件冗余過多將導致系統(tǒng)的故障點增多和更頻繁的系統(tǒng)主備切換，增加維護工作量。設備升級維護時，需要同時更新、檢修、維護兩套設備的軟硬件，而且不同設備廠商間還存在設備通用性的問題，以上都將增加系統(tǒng)運營及維護工作量以及成本。

表1 CBI與TCC間發(fā)送的數(shù)據(jù)包Tab.1 Packet sent between CBI and TCC

3 列控聯(lián)鎖一體化設備

基于電子技術以及無線通信技術的發(fā)展，以及 EN 50126/128/129 等標準不斷完善，使電子相關系統(tǒng)在鐵路信號系統(tǒng)的應用達到對可靠性、可用性、可維護性和安全性的規(guī)范管理，全電子化也將成為以后信號設備的發(fā)展方向。目前，由國家鐵路集團組織，各信號廠商自主研發(fā)的列控聯(lián)鎖一體化設備在將來的工程項目應用上將具有發(fā)展優(yōu)勢。

3.1 一體化系統(tǒng)結構和特點

列控聯(lián)鎖一體化設備結構如圖4所示，集成站內聯(lián)鎖及列控中心的全部功能，從系統(tǒng)平臺層整合聯(lián)鎖概念及功能。全電子一體化設備的邏輯層與執(zhí)行層可通過光纖冗余網(wǎng)絡通信，邏輯子系統(tǒng)負責邏輯主機平臺運行管理、邏輯處理等功能，各功能模塊采用物理獨立或功能獨立設計，保證相關邏輯功能的相對獨立。執(zhí)行子系統(tǒng)可由目標控制器或電子執(zhí)行單元獨立組成，也可由目標控制器、電子執(zhí)行單元等部分混合組成或通過繼電器接口方式控制軌旁設備，目標控制器可根據(jù)線路情況就近放置于軌旁，實現(xiàn)對站場的區(qū)域控制和遠程控制。設備具有開放的系統(tǒng)結構，可根據(jù)項目情況進行擴展和裁減，適用于新建鐵路以及既有站改造等多種不同工程項目。

列控聯(lián)鎖一體化設備可統(tǒng)一控制站內和區(qū)間設備，也可根據(jù)需要單獨實現(xiàn)列控中心或計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能。當既有設備改造時，既有TCC、CBI、TSRS、RBC等中心設備不需要進行修改即可與列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)正常通信并實現(xiàn)相關功能。

圖4 列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)結構圖Fig.4 Structure diagram of train control and interlocking integrated system

3.2 一體化設備的優(yōu)勢

1）可靠性提高

從系統(tǒng)功能層來看，一體化設備不再從物理邏輯上劃分站內聯(lián)鎖區(qū)，通過標準化的功能模塊方式實現(xiàn)系統(tǒng)設計需求，模塊間關鍵數(shù)據(jù)能夠實現(xiàn)內部共享，提高數(shù)據(jù)的利用效率，規(guī)避了因通信故障導致的數(shù)據(jù)延時、錯誤、畸變等風險，有效提升系統(tǒng)的運行效率和準確率。系統(tǒng)與其他軌旁設備均有外部直接接口，解決了數(shù)據(jù)代傳問題，縮短了因系統(tǒng)倒機或者瞬間通信中斷時，為了維持當前信息而重復疊加信息維持時間，全面提高系統(tǒng)的可靠性。

從硬件上看，傳統(tǒng)的繼電器的電氣壽命較短，比如道岔啟動繼電器的動作壽命僅10萬次，而全電子模塊板載的安全型繼電器，動作壽命可以達1 000萬次，全電子設備的MTBF經(jīng)RAMS計算，可達到1 890 000 h。電子執(zhí)行模塊都采用冗余結構并能自主實現(xiàn)熱備切換，各功能模塊獨立設計，任一模塊故障不影響其他功能模塊的可靠性，可以保證系統(tǒng)的不間斷工作。不使用繼電器不僅可以從源頭解決違規(guī)使用封連線的問題，降低因混線、斷線、繼電器故障導致的風險，同時避免了繼電電路非冗余的低可靠性問題；減少電纜與繼電器也極大降低工程成本，提高施工質量。

2）可維護性提高

全電子列控聯(lián)鎖一體化設備減少軌旁設備的數(shù)量以及繼電器的使用，不需要再進行繼電器的定期檢修，免維護設計大幅減少了日常維護的工作量，提高了設備可維護性。電子執(zhí)行模塊采用微電子技術可以對各模塊進行故障檢測，給出精確的故障定位信息，提高被控設備的故障檢測覆蓋率，縮短了檢測和拒絕的反應時間。

并且，一體化系統(tǒng)具有智能維護診斷子系統(tǒng)，實現(xiàn)設備狀態(tài)預警、故障原因自診斷功能，具有顯示多維度、全方位監(jiān)測診斷信息的友好界面，能實現(xiàn)電路板級的故障精確定位和自動分類報警，維護人員可以在短時間內迅速對故障進行響應，縮短故障導致的系統(tǒng)不可用時間，并且具備了日常監(jiān)測需要的模擬量信息后可以不再額外安裝監(jiān)測設備。維護診斷子系統(tǒng)還具備中心及遠程維護支持功能，車站維護信息通過以太網(wǎng)發(fā)送至中心綜合維護終端，中心綜合維護終端具有完善的診斷監(jiān)測、故障預測及分析功能。中心終端可單獨查看某個車站的維護診斷信息，也可將多個車站系統(tǒng)的信息匯總分析后，主動提示給維護人員，極大提高系統(tǒng)整體的可維護性。

3）網(wǎng)絡安全性提高

智能化網(wǎng)絡化的鐵路系統(tǒng)依托網(wǎng)絡通信技術的不斷發(fā)展，信息安全對于信號系統(tǒng)功能安全的影響也受到重視，最新的EN50129∶2018中新增了網(wǎng)絡安全對功能安全的影響，提出了“IT-Security threats”，強調了網(wǎng)絡通信系統(tǒng)可能使遠程攻擊者能夠操縱信號系統(tǒng)影響功能安全。列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)的開發(fā)是在充分考慮網(wǎng)絡安全的基礎上，具有完善的信息安全保護措施。子系統(tǒng)間通信采用封閉專用的冗余通道或冗余網(wǎng)，通信的故障能得到實時的檢測。車站維護終端與中心綜合維護終端采取網(wǎng)絡隔離措施，以保證網(wǎng)絡信息安全，在加強可維護性同時也加強了網(wǎng)絡安全措施。同時，中心綜合維護終端也采取信息安全管理措施，如采用防病毒軟件，具備集中對防病毒軟件升級管理功能，必要時還可增設專用設備保證網(wǎng)絡信息安全。

3.3 一體化設備工程應用中存在的問題

列控聯(lián)鎖一體化設備的高度集成的特點在實際工程應用中也不可避免的存在問題，比如現(xiàn)在的C2/C3列控系統(tǒng)，都保留了人工引導功能，若站內或區(qū)間設備單獨出現(xiàn)故障，緊急時可通過人工引導接發(fā)列車，減少故障對運營的影響，一體化設備不再劃分邊界，如發(fā)生硬件故障時影響范圍增大。采用全電子化設備，沒有了繼電器的隔離，需要做好對室外高壓浪涌沖擊的安全防護隔離以及雷電防護、電磁干擾防護等，需要形成有效的多級防護系統(tǒng)，才能保證鐵路設備的高安全性與高可靠性要求。另外全電子化設備目前在我國鐵路上的應用經(jīng)驗有限，成熟穩(wěn)定度不高，與現(xiàn)有軌旁設備的匹配度還需要不斷修正和改進。而且不同信號廠家的系統(tǒng)設計與接口設計標準不統(tǒng)一，互聯(lián)互通受限等問題，都是一體化設備在今后工程應用中需要解決的問題。另外，基于無線通信技術的一體化設備在工程實施中還需要考慮線路的地形特點、通信信號接收、網(wǎng)絡傳輸環(huán)境等實際問題。

3.4 我國列車控制系統(tǒng)未來趨勢

實現(xiàn)軌旁電子設備從多到少、從有到無的轉變，是列控技術領域的創(chuàng)新方向，全電子一體化設備在工程上推廣應用僅是向智能化列控系統(tǒng)發(fā)展的一步探索與實踐。基于移動通信技術的發(fā)展演化進程，可以暢想我國鐵路列控設備也將向一體化、智能化、虛擬化發(fā)展。比如列控聯(lián)鎖一體化設備已經(jīng)開始簡化系統(tǒng)架構，后續(xù)可以通過將列車-軌旁-中心的模式發(fā)展為列車-中心的方式，實現(xiàn)控制中心與列車間的信息交互以及車與車間直接通信，相當于集成TCC、CBI、CTC的系統(tǒng)功能。還可以通過虛擬化平臺，如基于云技術的發(fā)展，云化非安全系統(tǒng)開始向云化聯(lián)鎖系統(tǒng)探索，進一步減少硬件數(shù)量，使系統(tǒng)結構更加扁平化，提高系統(tǒng)可靠性和可用性。另一方面還可以將聯(lián)鎖功能與車載設備結合，如車載設備與調度中心設備直接交互信息實現(xiàn)聯(lián)鎖的進路控制功能，再由控制中心實現(xiàn)對地面設備的控制?？傊?，隨著我國的5G通信、大數(shù)據(jù)、人工智能、北斗衛(wèi)星導航、電子地圖等新技術的發(fā)展與應用，未來列控系統(tǒng)的發(fā)展方向將是實現(xiàn)空天地車的一體化智能化系統(tǒng)，需要攻克列車精準定位、多元融合測速、車車無線通信、列車完整性檢查等關鍵技術，將是更智能、更安全、更高效的列車控制系統(tǒng)。

4 結束語

我國高速鐵路營業(yè)總里程已居世界第一，鐵路建設的快速發(fā)展要求我國鐵路技術不僅要與國際接軌，更要走在國際前沿。雖然全電子設備目前在我國鐵路干線上還沒有使用，但是中國國家鐵路集團有限公司已經(jīng)提出列控聯(lián)鎖一體化的方案，隨著政策的支持、技術規(guī)范的完善、新技術的不斷創(chuàng)新，以及全電子聯(lián)鎖的自主開發(fā)和應用經(jīng)驗，全電子列控聯(lián)鎖一體化設備將會在我國鐵路建設中得到穩(wěn)步發(fā)展應用，也將推動未來列控系統(tǒng)向智能化、信息化、集成化方向發(fā)展。