城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)邏輯的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

馬燕妮

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710018）

0 引言

在我國(guó)城市化建設(shè)持續(xù)推進(jìn)背景下，城市人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，交通壓力隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致城市交通運(yùn)輸水平與城市居民出行需求之間產(chǎn)生矛盾，這一問(wèn)題將對(duì)城市發(fā)展起到嚴(yán)重的負(fù)面影響。當(dāng)前，針對(duì)此問(wèn)題的有效解決方案是：建立健全安全高效的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合實(shí)際情況判斷出，群眾對(duì)于城軌交通的安全性更加重視，而城軌列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)則是確保車(chē)輛平穩(wěn)、高效行駛的關(guān)鍵性技術(shù)裝備。在當(dāng)前通信技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐下，城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)邏輯正面臨自動(dòng)化升級(jí)的需要，其中還包括負(fù)責(zé)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)CBTC。CBTC在原有鐵路信號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)定位進(jìn)行更加精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，且不再需要軌道電路，有助于城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞方式的追蹤運(yùn)行，切實(shí)提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平。

1 城軌交通運(yùn)輸方式特點(diǎn)

城軌交通與傳統(tǒng)鐵路存在較大差異。城軌交通受到地下運(yùn)行條件的影響，使其具備較多特殊化建設(shè)要求。

首先，城軌交通具備較高安全性。受到城軌建設(shè)空間的限制，車(chē)輛密度相對(duì)較大，致使城軌故障排查任務(wù)難度加大，一旦出現(xiàn)運(yùn)行事故，則會(huì)對(duì)乘客安全產(chǎn)生威嚴(yán)重威脅。因此，為提高列車(chē)行駛安全性，有必要對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步升級(jí)設(shè)計(jì)。

其次，城軌交通具備較高精準(zhǔn)度。城市車(chē)流量大，一般情況下列車(chē)會(huì)選擇正線停靠，且先行列車(chē)的實(shí)際通過(guò)時(shí)間與?？繒r(shí)間均會(huì)對(duì)后續(xù)列車(chē)產(chǎn)生不同程度的影響。為保證后續(xù)列車(chē)正常運(yùn)行，需要對(duì)城軌信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行更加精準(zhǔn)的控制與設(shè)計(jì)。

再次，城軌列車(chē)具備較高干擾信號(hào)抵抗能力。當(dāng)前城軌交通主要工作方式為電力牽引，因此，城軌交通信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)抗電氣干擾性能展開(kāi)針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

最后，城軌交通具備較高自動(dòng)化水平。當(dāng)前城軌交通行車(chē)流量大、時(shí)間段集中，且大多數(shù)設(shè)備處于地下，人工控制方式會(huì)加大運(yùn)行成本，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理、高效的運(yùn)行控制，有必要對(duì)信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)與全面性規(guī)劃[1]。

2 城軌聯(lián)鎖CBTC系統(tǒng)分析

■2.1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于城軌交通信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，要求傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)必須具備一下系統(tǒng)：列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、車(chē)載控制器、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及區(qū)域控制器。CBTC系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第一，列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能在于追蹤并控制車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，集合收集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將列車(chē)位置信息、現(xiàn)場(chǎng)狀況以及設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行有效控制，保證列車(chē)能夠按照原本計(jì)劃與調(diào)令進(jìn)行信息傳輸。列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)基于運(yùn)行計(jì)劃與調(diào)令，有序管理列車(chē)自動(dòng)進(jìn)路任務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)執(zhí)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的人工調(diào)整與管控。

第二，車(chē)載控制器利用定位應(yīng)答器與測(cè)速傳感器來(lái)獲取列車(chē)的實(shí)時(shí)位置，并將列車(chē)位置信息傳輸至自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，同時(shí)，區(qū)域控制器在接收位置信息后，將結(jié)合相應(yīng)移動(dòng)授權(quán)向運(yùn)行列車(chē)提供自動(dòng)化運(yùn)行與防護(hù)功能。

第三，聯(lián)鎖子系統(tǒng)應(yīng)用范圍主要集中在：建立你進(jìn)路、轉(zhuǎn)換道岔以及信號(hào)開(kāi)放，基于聯(lián)鎖子系統(tǒng)傳輸?shù)倪M(jìn)路控制命令與狀態(tài)信息展開(kāi)計(jì)算，以此完成信號(hào)、道岔以及進(jìn)路的相互聯(lián)鎖，保證列車(chē)安全運(yùn)行。

第四，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元能夠降系統(tǒng)信息進(jìn)行整合調(diào)度，在調(diào)度過(guò)程中，車(chē)載與地面應(yīng)使用相同數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元可以將全線信息進(jìn)行保留，涵蓋所有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)，向區(qū)域控制器奠定線路數(shù)據(jù)下載的基礎(chǔ)，并按照規(guī)定周期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

第五，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要作用在于完成CBTC下屬各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳遞，使各個(gè)系統(tǒng)能夠相互配合。通過(guò)對(duì)列車(chē)的監(jiān)督控制與雙向通信，再結(jié)合車(chē)速傳感器與地面應(yīng)答系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，測(cè)算出列車(chē)的實(shí)時(shí)位置，利用區(qū)域控制器，完成移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算?；诖?，車(chē)載設(shè)備就更在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的支撐下，安全平穩(wěn)地控制列車(chē)行駛。

第六，通過(guò)區(qū)域控制器將列車(chē)運(yùn)行位置與運(yùn)行情況進(jìn)行收集，并結(jié)合周?chē)系K物位置，計(jì)算出管轄區(qū)域內(nèi)的列車(chē)移動(dòng)授權(quán)，并把移動(dòng)授權(quán)實(shí)時(shí)傳輸至列車(chē)車(chē)載設(shè)備中，向列車(chē)運(yùn)行提供安全環(huán)境的保障[2]。

■2.2 CBTC系統(tǒng)功能

城軌交通聯(lián)鎖系統(tǒng)中的CBTC系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)載與地面的信息傳輸，完成數(shù)據(jù)的雙向、高效、連續(xù)交換，這一運(yùn)行方式使城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)更加完善與高效。CBTC系統(tǒng)建立在車(chē)—地通信的基礎(chǔ)上，不僅有效提高列車(chē)位置識(shí)別精準(zhǔn)度，還具備以下優(yōu)勢(shì)特征：

首先，CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用使城軌系統(tǒng)脫離傳統(tǒng)軌道電路，能夠?qū)崿F(xiàn)高精準(zhǔn)度的位置判定；其次，此系統(tǒng)具有持續(xù)、大容量的雙向通信功能；最后，此系統(tǒng)的應(yīng)用能夠向車(chē)載設(shè)備提供自動(dòng)化保護(hù)功能、自動(dòng)化運(yùn)行功能以及自動(dòng)化監(jiān)控功能。

基于上述優(yōu)勢(shì)性功能，CBTB突破了軌道區(qū)段中移動(dòng)閉塞、間隔追蹤等問(wèn)題的限制，運(yùn)行方式的改變有效提升了列車(chē)的通過(guò)能力，且保證速度控制曲線能夠維持在相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)中。同時(shí)，CBTB能夠向城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)提供支持后備模型，開(kāi)啟后備模式后，利用軌道電路與計(jì)軸將列車(chē)位置進(jìn)行測(cè)算與檢測(cè)，并在城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)軌旁信號(hào)設(shè)備展開(kāi)有效控制。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要滿足具備CBTC車(chē)載裝置的列車(chē)與尚未安裝CBTC車(chē)載裝置的列車(chē)能夠同時(shí)在CBTC中混合運(yùn)營(yíng)的條件。

3 城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)邏輯自動(dòng)化設(shè)計(jì)

■3.1 聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高列車(chē)行駛安全性，需要在技術(shù)手段的支持下，根據(jù)相應(yīng)信號(hào)、道岔以及進(jìn)路，建立滿足動(dòng)作條件且能夠相互聯(lián)系與制約的關(guān)系，事物之間的關(guān)系即為聯(lián)鎖。關(guān)于信號(hào)、道岔以及進(jìn)路的主要聯(lián)鎖作用主要包括以下幾點(diǎn)：第一，位于進(jìn)路中的全部道岔，其閉鎖方向都應(yīng)朝向正確的開(kāi)通路徑；第二，聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)敵對(duì)進(jìn)路的有效阻隔；第三，連鎖信號(hào)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)與相應(yīng)的進(jìn)路保持一致。

城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)中信號(hào)邏輯的自動(dòng)化處理具有重要意義，應(yīng)嚴(yán)格遵循“故障-安全”的應(yīng)用原則。同時(shí)，聯(lián)鎖子系統(tǒng)需要對(duì)道岔轉(zhuǎn)換、敵對(duì)進(jìn)路防護(hù)、信號(hào)管理等一系列邏輯功能進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號(hào)邏輯不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的功能應(yīng)用，還能在定位功能與通信功能的支持下，對(duì)相應(yīng)信號(hào)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能與自動(dòng)化水平。城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

聯(lián)鎖系統(tǒng)與外部信號(hào)邏輯之間的關(guān)系描述如下：

聯(lián)鎖系統(tǒng)與ATS：在聯(lián)鎖子系統(tǒng)中，利用ATS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控全部列車(chē)的工作狀態(tài)，ATS系統(tǒng)將對(duì)列車(chē)運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，并向在CBTC區(qū)域內(nèi)運(yùn)行、且具備CBTC裝置的列車(chē)，提供自動(dòng)化選物功能，生成運(yùn)行權(quán)限。

聯(lián)鎖系統(tǒng)與ZC：創(chuàng)建ZC需要結(jié)合相應(yīng)的聯(lián)鎖功能，同時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)與ZC工作需要保持相對(duì)獨(dú)立性。在CBTC模式下運(yùn)行的列車(chē)，ZC信號(hào)系統(tǒng)將對(duì)有關(guān)聯(lián)鎖條件進(jìn)行屏蔽，保證對(duì)列車(chē)運(yùn)行的進(jìn)路控制。在城軌交通系統(tǒng)中，一個(gè)ZC系統(tǒng)會(huì)涵蓋數(shù)個(gè)聯(lián)鎖區(qū)，全線將由一個(gè)或多個(gè)ZC信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此，城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)需要與相應(yīng)的ZC進(jìn)行信息交互。

聯(lián)鎖系統(tǒng)與相鄰聯(lián)鎖:城軌交通通常會(huì)采用區(qū)域計(jì)算方式，此方式需要將全線進(jìn)行多個(gè)聯(lián)鎖區(qū)的劃分，并通過(guò)設(shè)備集中站，對(duì)本聯(lián)鎖區(qū)域中的信號(hào)、道岔、軌道等相關(guān)地面設(shè)施展開(kāi)統(tǒng)一化控制。因此，可能會(huì)出現(xiàn)一條進(jìn)路被分到不同連鎖區(qū)域的情況。任何一個(gè)聯(lián)鎖區(qū)都將獨(dú)立完成邏輯運(yùn)算，這一要求就需要相鄰連鎖區(qū)域展開(kāi)信息數(shù)據(jù)交換[3]。

■3.2 聯(lián)鎖邏輯的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 梯形邏輯與布爾代數(shù)

梯形邏輯作為圖像化編程語(yǔ)言，主要應(yīng)用與時(shí)序系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中。模仿電路控制系統(tǒng)，能夠?qū)⑿盘?hào)邏輯想象為與電流相似的梯形圖，通過(guò)相應(yīng)接點(diǎn)，最終到達(dá)梯形圖中的右端。梯形邏輯中的任意梯級(jí)都代表當(dāng)前狀態(tài)求下一狀態(tài)的流程。能夠得出梯形邏輯與代數(shù)邏輯的相關(guān)性。因此，梯形邏輯能夠輕松轉(zhuǎn)換為布爾代數(shù)。布爾代數(shù)能夠通過(guò)二值函數(shù)展開(kāi)邏輯運(yùn)算。

同時(shí)，布爾變量和布爾表達(dá)式都只能采用True或False。布爾表達(dá)式是根據(jù)某些語(yǔ)法規(guī)則由布爾變量和邏輯運(yùn)算符組成的公式。布爾表達(dá)式主要作用是指示用于邏輯值計(jì)算的明確化規(guī)則。布爾代數(shù)也稱為邏輯代數(shù)，用于邏輯電路中，這一代數(shù)能夠分析并設(shè)計(jì)出具有組合邏輯功能的電路。城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號(hào)邏輯設(shè)計(jì)的主要來(lái)源就是邏輯電路。與自然語(yǔ)言相比，布爾代數(shù)的描述準(zhǔn)確度更高，且語(yǔ)法模式更加簡(jiǎn)單，貼近安全系統(tǒng)的描述條件。因此，布爾代數(shù)是描述聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)邏輯的理想模式。

3.2.2 聯(lián)鎖軟件

聯(lián)鎖軟件把城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序。因此，從處理路徑到解鎖路徑，相應(yīng)的邏輯處理流程即為聯(lián)鎖程序的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。聯(lián)鎖軟件的主要作用是接收外部傳輸進(jìn)來(lái)的控制命令，收集運(yùn)行狀態(tài)及周?chē)畔?，根?jù)設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖規(guī)則對(duì)二進(jìn)制邏輯變量展開(kāi)邏輯計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘?hào)設(shè)備。 聯(lián)鎖軟件的工作模式是：一次性處理全部進(jìn)路，對(duì)于所有進(jìn)路，均需要結(jié)合功能模塊，按階段進(jìn)行處理。當(dāng)進(jìn)入某個(gè)階段時(shí)，如果達(dá)到相應(yīng)要求，則將繼續(xù)處理后續(xù)階段；如果沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)要求，則將立即轉(zhuǎn)向下一進(jìn)路。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，在城軌交通迅速發(fā)展的背景下，聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)均應(yīng)在保證列車(chē)運(yùn)行安全、平穩(wěn)的前提下，更加注重自動(dòng)化的信號(hào)邏輯優(yōu)化，以此保證列車(chē)運(yùn)營(yíng)效率與控制性能。文章通過(guò)分析聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)邏輯的關(guān)系與實(shí)現(xiàn)，在CBTC后備模式的支撐下，提出實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)邏輯開(kāi)放部分的設(shè)計(jì)，以此使得連鎖軟件的自動(dòng)生成。