中小運(yùn)量軌道交通全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用研究

左飛

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300000）

1 引言

城市軌道交通在城市發(fā)展中起到舉足輕重的作用，是國(guó)家“十三五”時(shí)期基礎(chǔ)建設(shè)投資的重點(diǎn)方向之一。在國(guó)內(nèi)，城市軌道交通項(xiàng)目在建和正在規(guī)劃的城市已達(dá)50多個(gè)，逐漸形成以地下線路為主，地面線、高架線、輕軌、跨座式單軌、中低速磁浮及現(xiàn)代有軌電車等多種類型并舉的快速軌道交通新格局[1]。中小運(yùn)量軌道交通包括現(xiàn)代有軌電車、單軌、中低速磁浮等，具有運(yùn)行可靠、舒適、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，其作為城市新興的一種先進(jìn)公交方式，已完成了從傳統(tǒng)到現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變，在世界范圍被普遍推廣，充滿了光明的前景。

2 中小運(yùn)量軌道交通介紹

中小運(yùn)量軌道交通是針對(duì)城市公共交通中、小運(yùn)量而推出的一種全新軌道交通方式，其運(yùn)能可達(dá)到30 000人次/h。同時(shí)，中小運(yùn)量軌道交通占地面積小，建設(shè)周期和造價(jià)均比地鐵低，項(xiàng)目建設(shè)可與地鐵、公交巴士等公共交通錯(cuò)位發(fā)展、互為補(bǔ)充，有利于緩解交通壓力，同時(shí)也能有效改善沿線居民的出行條件，提高公共交通系統(tǒng)的服務(wù)水平，在現(xiàn)有交通體系中，優(yōu)化居民的交通出行方式[2]。

3 中小運(yùn)量軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)選型

中小運(yùn)量軌道交通的運(yùn)營(yíng)需求和運(yùn)營(yíng)模式較地鐵、輕軌等交通制式有很大區(qū)別，即需要保證安全，也需要資源整合降低造價(jià)，減少設(shè)備占地面積的需求，中小運(yùn)量軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化，盡可能做到免維護(hù)，無人值守。

聯(lián)鎖系統(tǒng)從機(jī)械聯(lián)鎖控制、繼電聯(lián)鎖（以6502為代表）到計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖直至全電子聯(lián)鎖[3]，集成度越來越高，智能化水平越來越高，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的趨勢(shì)越來越明顯。全電子聯(lián)鎖執(zhí)行的聯(lián)鎖邏輯與既有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖相同，在既有的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖基礎(chǔ)上，取消了繼電器接口部分，采用全電子模塊來直接驅(qū)動(dòng)軌旁設(shè)備的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)施工和配線的工作量，具有占用空間小、總投資低、維護(hù)工作量小、易擴(kuò)展、高冗余性等特點(diǎn)。目前，已在寶成線、敦格線、咸銅線等國(guó)有鐵路線的200余座車站中，應(yīng)用效果良好。全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比表如表1所示。

表1 全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比表

4 全電子聯(lián)鎖方案

全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)一般由人機(jī)界面層、邏輯運(yùn)算層、執(zhí)行表示層及設(shè)備層、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)一般架構(gòu)圖如圖1所示。聯(lián)鎖運(yùn)算層一般繼承了原有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的功能，以及通過安全網(wǎng)絡(luò)與ATP、ATO、ATS等外部子系統(tǒng)的通信接口；執(zhí)行表示層接收聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的設(shè)備動(dòng)作命令直接驅(qū)動(dòng)室外信號(hào)設(shè)備，并采集室外信號(hào)設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)化為表示信息傳送給聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)的電子模塊[4]。

圖1 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.1 人機(jī)界面層

人機(jī)界面層為全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的人機(jī)操作界面，值班員與系統(tǒng)的交互對(duì)話通過鼠標(biāo)以及鍵盤實(shí)現(xiàn)，完成值班員的操作命令，同時(shí)，把執(zhí)行的結(jié)果顯示在控制臺(tái)上。中小運(yùn)量軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)不設(shè)置單獨(dú)的控顯設(shè)備，與ATS子系統(tǒng)工作站一體化設(shè)置。

人機(jī)界面層可配置ATS監(jiān)控機(jī)、ATS監(jiān)視機(jī)、維護(hù)監(jiān)測(cè)終端等，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的操作、顯示、維護(hù)及與車站其他系統(tǒng)間的通信。值班員操作站采用主備配置時(shí)主備操作站具有相同的功能，但同一時(shí)刻只能一臺(tái)工作站發(fā)出指令[5]。根據(jù)操作人員不同的權(quán)限將對(duì)應(yīng)不同的功能界面，無權(quán)訪問或無必要訪問的功能和數(shù)據(jù)通過預(yù)先定義予以過濾。

4.2 邏輯運(yùn)算層

邏輯運(yùn)算層依然是整個(gè)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心部分。它根據(jù)執(zhí)行表示層采集送來的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息和人機(jī)界面層送來的操作命令進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算，然后，將聯(lián)鎖程序產(chǎn)生的輸出控制信息經(jīng)過執(zhí)行表示層去控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)可靠性理論以及冗余容錯(cuò)技術(shù)中有關(guān)可靠性和安全性的定義，在設(shè)計(jì)中采取時(shí)鐘校核電路來校核CPU時(shí)鐘的方法來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步[6]，并將結(jié)果實(shí)時(shí)比較，構(gòu)成二取二結(jié)構(gòu)，二者一致則CPU控制CAN總線輸出控制命令，二者不一致則CAN總線停止輸出，并產(chǎn)生相應(yīng)的診斷信息。以此方式分別構(gòu)成聯(lián)鎖A系和聯(lián)鎖B系，同時(shí)2個(gè)聯(lián)鎖系互為熱備，共同構(gòu)成二乘二取二結(jié)構(gòu)。兩重系在結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展功能上完全一致，同時(shí)單系內(nèi)2個(gè)CPU所裝載的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件也完全相同。常用的2種同步方式：時(shí)鐘同步和任務(wù)級(jí)同步。

4.3 執(zhí)行表示層

執(zhí)行表示層是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行控制核心，接收聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的設(shè)備動(dòng)作命令直接驅(qū)動(dòng)室外信號(hào)設(shè)備，并采集室外信號(hào)設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)化為表示信息傳送給聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)的電子模塊[7]。

執(zhí)行表示層主要由各種全電子執(zhí)行單元構(gòu)成，全電子執(zhí)行單元取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的輸入輸出I/O板和繼電器執(zhí)行組合電路，與聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)相結(jié)合，完成了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的末級(jí)控制和采集功能[8]。全電子執(zhí)行單元通過安全通信方式接收安全聯(lián)鎖邏輯層中聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)的控制輸出命令，采用雙CPU“二取二”工作模式，驅(qū)動(dòng)和采集室外信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室外信號(hào)設(shè)備的控制、監(jiān)督和監(jiān)測(cè)。為提高可靠性，驅(qū)動(dòng)和采集模塊也采用了并驅(qū)并采的冗余設(shè)計(jì)方式。

全電子執(zhí)行單元發(fā)生的任何故障不應(yīng)導(dǎo)致軌旁設(shè)備產(chǎn)生危險(xiǎn)動(dòng)作，不應(yīng)向聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)傳送可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的錯(cuò)誤信息。全電子執(zhí)行單元具備室外信號(hào)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集功能，采集到的參數(shù)可通過通信通道傳送到信號(hào)集中監(jiān)測(cè)等其他設(shè)備。

4.4 關(guān)鍵技術(shù)

在設(shè)計(jì)上主要采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）系統(tǒng)采用了“二取二”安全結(jié)構(gòu)，符合組合式故障-安全原理；將動(dòng)態(tài)信號(hào)定義為有效信號(hào)，符合固有故障-安全設(shè)計(jì)原則；

2）采用多重可靠性冗余技術(shù)、安全硬件異構(gòu)技術(shù)等安全技術(shù)設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的高可靠性和高安全性；

3）對(duì)于一個(gè)單元模塊控制多于一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，這些控制功能互相獨(dú)立；

4）系統(tǒng)采用獨(dú)立的單元模塊設(shè)計(jì)，模塊之間沒有相互聯(lián)系，所有的邏輯運(yùn)算功能均由聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)完成；

5）與聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)采用了雙路網(wǎng)絡(luò)總線接口，協(xié)議采用安全通信協(xié)議設(shè)計(jì)；

6）系統(tǒng)保持既有室外設(shè)備的電氣特性（如道岔、信號(hào)機(jī)、軌道占用檢查設(shè)備、緊停按鈕等）；

7）系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)通信，自動(dòng)檢測(cè)和網(wǎng)絡(luò)連通等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制、執(zhí)行、監(jiān)測(cè)一體化智能控制[9]。

5 結(jié)語

中小運(yùn)量軌道交通作為城市軌道交通建設(shè)過程中一個(gè)重要的組成分支，需要探索和實(shí)踐的工程技術(shù)環(huán)節(jié)還很多。信號(hào)系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)盡量減少室內(nèi)設(shè)備的占地面積，采用輕量化、集成化的設(shè)備，采用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)是必然的選擇。全電子聯(lián)鎖作為新一代信號(hào)控制的基礎(chǔ)核心技術(shù)，具有既有聯(lián)鎖系統(tǒng)不具備的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制的數(shù)字化、智能化打下基礎(chǔ)，必將取代現(xiàn)有的信號(hào)設(shè)備，在軌道交通的快速發(fā)展中有著巨大的潛力[10]。中小運(yùn)量軌道交通采用全電子聯(lián)鎖方案是工程實(shí)施中比較可行的方案。