全電子模塊微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在韶鋼鐵路運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用

摘要：聯(lián)鎖系統(tǒng)是以技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)進(jìn)路控制的聯(lián)鎖功能的系統(tǒng)。鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是整個站場控制的核心，是指揮列車運(yùn)行、保證行車安全、提高運(yùn)輸效率、傳遞信息、改善行車人員勞動條件的關(guān)鍵設(shè)施。文章對全電子式聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：聯(lián)鎖;控制;全電子

中圖法分類號：U284

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of all-electronic module microcomputer mnterlocking system inShaogang railway transportation

LI Zhongwei

（Logistics Dcpartment Maintenance Operation Area， Guangdong Shaogang Songshan Co. ， Ltd. ， Shaogang，Guangdong 512000 ， China）

Abstract： The interlocking system is a system that realizes the interlocking function of the access control bytechnical means. The railway signal microcomputer interlocking system is the core of the control of the entirestation and yard. It is a key facility for organizing and directing the operation of trains， ensuring runningsafety， improving transportation efficiency， transmitting information， and improving the working conditionsof commuters. The fully electronic interlocking system is worthy of our attention.

Key words： interlocking， control， fully electronic

1 前言

鐵路信號設(shè)備系統(tǒng)是鐵路行車的指揮與控制系統(tǒng)。它在保障行車安全，提高行車速度和密度，提高運(yùn)輸效率和改善行車運(yùn)輸工作人員的勞動條件方面具有重要作用。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化和自動化的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是一種高效、安全的車站聯(lián)鎖設(shè)備，是提高車站通過能力的基礎(chǔ)。同時，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)還具有故障一安全性能，與電氣聯(lián)鎖系統(tǒng)相比，其在設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)方面都較為便捷，且便于改造和增加新功能，為鐵路信號向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展創(chuàng)造了條件[1]。

2 系統(tǒng)概述

GKI-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是合肥工大高科信息科技股份有限公司自主研發(fā)的一個符合中國鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲鐵路安全標(biāo)準(zhǔn)的新一代計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)容錯技術(shù)、冗余技術(shù)、安全可靠技術(shù)、故障屏蔽技術(shù)，遵循故障一安全的設(shè)計(jì)原理。同時，該系統(tǒng)的安全完整性等級達(dá)到SIL4最高標(biāo)準(zhǔn)，并通過第三方國際知名認(rèn)證機(jī)構(gòu)德國TUV SUD的評估和認(rèn)證。適用于圉鐵、城軌、冶金、煤炭、電力、化工、港口等領(lǐng)域的所有鐵路車站，具有安全性高、系統(tǒng)配置靈活、設(shè)備容量大等優(yōu)勢。

3 GKI-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要工作原理

（1）二乘二取二結(jié)構(gòu)

GKI-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用二乘二取二結(jié)構(gòu)。通過系內(nèi)二取二結(jié)構(gòu)保證高安全性，通過系問二乘冗余保證高可靠性;軟硬件設(shè)計(jì)遵循“故障一安全”原則：嚴(yán)格遵循歐洲鐵路信號EN50IXX系列標(biāo)準(zhǔn)，符合SII4要求。

（2）全電子接口模塊設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)小體積、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜式結(jié)構(gòu)，大大減少系統(tǒng)占用空間：采用層次化和模塊化設(shè)計(jì)，大大增加系統(tǒng)可擴(kuò)展性，方便進(jìn)行維護(hù)和改造。

（3）超強(qiáng)處理能力

采用高性能微處理器，極大的增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力，同時也使接口模塊具有智能性：全部硬件板卡采用雙CPU冗余，具備自診斷能力，報(bào)警顯示迅速定位到通道及接口，能夠根據(jù)設(shè)備故障進(jìn)行多級報(bào)警。

（4）冗余

系統(tǒng)搭建有冗余的通信網(wǎng)絡(luò)和UPS，實(shí)現(xiàn)完整的二乘結(jié)構(gòu)：全部硬件板卡具備熱拔插能力，便于系統(tǒng)維護(hù)時連續(xù)工作。

隨著智慧制造的發(fā)展，鐵路站場只有采用多功能設(shè)計(jì)才能滿足鐵路運(yùn)輸需求。二乘二取二結(jié)構(gòu)提高了GKI-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確性，全電子接口模塊降低了設(shè)備故障率，這些系統(tǒng)功能不僅提高了運(yùn)輸效率，還降低了點(diǎn)檢維護(hù)人員的工作量。

4 系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)備功能

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

GKI-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)如圖l所示。其中，控顯機(jī)、電務(wù)機(jī)、KVM和顯示屏構(gòu)成了系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)備，用戶使用顯示屏和鼠標(biāo)控制和監(jiān)測聯(lián)鎖設(shè)備，進(jìn)行人機(jī)交互，完成車站作業(yè)和設(shè)備維護(hù)。A，B兩系聯(lián)鎖機(jī)是這套設(shè)備的運(yùn)算核心，負(fù)責(zé)將下層模塊采集到的室外設(shè)備狀態(tài)和上層控顯機(jī)下達(dá)的命令集中運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果傳遞給下層模塊執(zhí)行。聯(lián)鎖主機(jī)采用二乘二取二結(jié)構(gòu)，具有較高的安全性和穩(wěn)定性。各類10模塊（信號模塊、道岔模塊、軌道模塊、零散模塊，下同）為系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備，負(fù)責(zé)采集室外設(shè)備狀態(tài)和驅(qū)動室外設(shè)備動作。CAN總線和485總線可以為電務(wù)維修機(jī)提供數(shù)據(jù)采集。交換機(jī)是聯(lián)鎖機(jī)、電務(wù)維修機(jī)和控顯機(jī)以及區(qū)域聯(lián)鎖站問通信的樞紐，將站內(nèi)、站間的此類設(shè)備組成一個局域網(wǎng)，使信息在其中順暢交互。交換機(jī)使用雙網(wǎng)冗余模式。通信機(jī)是聯(lián)鎖機(jī)、電務(wù)維修機(jī)和柜內(nèi)機(jī)籠模塊的信息交瓦樞紐，采用雙路CAN總線和485總線模式，每臺接口柜采用一對通信機(jī)。

4.2 設(shè)備功能

4.2.1 聯(lián)鎖機(jī)

聯(lián)鎖機(jī)由專門開發(fā)的基于Cortex-A8核心的專用計(jì)算機(jī)組成，采用軟硬件結(jié)合完成二取二表決的容錯機(jī)制和硬件，完成雙機(jī)熱備的冗余機(jī)制，實(shí)現(xiàn)二乘二取二的工作力方式。

聯(lián)鎖機(jī)主要功能包括：聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信號設(shè)備的聯(lián)鎖邏輯處理，完成進(jìn)路的辦理，發(fā)出開放信號和動作道岔的控制命令：通過以太網(wǎng)接收來自控顯機(jī)傳來的操作命令，向控顯機(jī)傳輸表示信息：通過CAN總線接收10模塊傳來的室外信號設(shè)備狀態(tài)、進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，通過CAN總線發(fā)送驅(qū)動命令至10模塊，驅(qū)動室外設(shè)備完成相關(guān)動作：兩套CPU系統(tǒng)之間通過SPI總線進(jìn)行二取二運(yùn)算：通過CAN總線進(jìn)行兩系聯(lián)鎖機(jī)之間的數(shù)據(jù)同步，通過切換電路實(shí)現(xiàn)兩系的主備無擾切換。

4.2.2 通信機(jī)

GKI-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信機(jī)由專門開發(fā)的基于Cortex-M3核心的專用計(jì)算機(jī)組成，采用軟硬件結(jié)合完成二取二表決的容錯機(jī)制和硬件，完成雙機(jī)熱備的冗余機(jī)制，實(shí)現(xiàn)二乘二取二的工作方式。

通信機(jī)的主要功能包括：通過對上的CAN總線接收并存儲來自聯(lián)鎖機(jī)的控制命令包，將命令解包后通過對下的CAN總線將命令轉(zhuǎn)發(fā)給10模塊：通過對下的CAN總線接收10模塊上報(bào)的信息，打包后通過對上的CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)鎖機(jī);兩套CPU系統(tǒng)之間通過SPI總線進(jìn)行二取二運(yùn)算;在區(qū)域聯(lián)鎖時，通過以太網(wǎng)接收聯(lián)鎖機(jī)的命令，轉(zhuǎn)發(fā)給10模塊以及接收10模塊的信息，打包轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)鎖機(jī)：通過RS485總線接收10模塊的故障信息，將信息打包后轉(zhuǎn)發(fā)給電務(wù)維修機(jī)。

4.2.3 控顯機(jī)

控顯機(jī)屬于系統(tǒng)的人機(jī)交互層，信號操作員通過此軟件觀察現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，同時也通過控顯機(jī)下發(fā)選路等操作命令?？仫@機(jī)僅完成表示讀取顯示、操作命令獲得與下發(fā)、對外系統(tǒng)的通信、信息記錄，不進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算。

控顯機(jī)軟件使用delphi語言編寫，在Windows環(huán)境下運(yùn)行。站場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)輔助CAD工具自動生成。程序和數(shù)據(jù)完全分開，對各站來說，程序是通用的，不同的是每個站場有各自的數(shù)據(jù)文件。

4.2.4 信號模塊

信號模塊采用二乘二取二設(shè)計(jì)，由A、B兩系信號機(jī)控制模塊同時輸出的方式控制室外信號設(shè)備，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。每系信號機(jī)模塊使用兩塊工業(yè)級CPU，以主/從方式獨(dú)立運(yùn)算，采用SPI數(shù)據(jù)交換比較的二取二方式完成解析指令、控制輸出、狀態(tài)回測等動作，以實(shí)現(xiàn)高安全可靠的控制。

信號模塊主要功能有：接受聯(lián)鎖機(jī)的尋訪、控制指令，對室外二、三、四、五、六顯信號機(jī)進(jìn)行控制;通過回測繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)信息、電流檢測、電壓檢測，實(shí)現(xiàn)對室外信號設(shè)備實(shí)時狀態(tài)的監(jiān)測;主、備機(jī)通過SPI交換比較控制指令、回測狀態(tài)：采用故障安全控制邏輯，智能控制信號設(shè)備狀態(tài)倒向安全：采用安全可靠的冗余通信設(shè)計(jì);完整的故障診斷、上報(bào)處理流程。

4.2.5 道岔模塊

道岔模塊以兩塊Cortex-M3核的處理器芯片為核心，組成兩套獨(dú)立的CPU系統(tǒng)，兩套CPU系統(tǒng)之間通過SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)同步和比較，構(gòu)成二取二結(jié)構(gòu)。兩套CPU系統(tǒng)各提供2路獨(dú)立的CAN總線接口，構(gòu)成冗余的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，用于和通信機(jī)通信。兩套CPU系統(tǒng)各提供l路RS485總線接口，用于通過通信機(jī)和電務(wù)維修機(jī)通信。

道岔模塊主要功能包括：通過CAN總線接收來自聯(lián)鎖機(jī)的控制命令，控制室外道岔轉(zhuǎn)動：通過CAN總線將室外道岔的位置信息，電壓/電流檢測值、故障狀態(tài)等發(fā)送給通信機(jī)：兩套CPU系統(tǒng)之間通過SPI總線進(jìn)行二取二運(yùn)算：通過RS485總線將故障信息發(fā)送給通信機(jī)，從而上報(bào)給電務(wù)維修機(jī)。

4.2.6 軌道模塊

軌道模塊是由專門開發(fā)的基于Cortex-M3核的專用計(jì)算機(jī)組成。以兩塊Cortex-M3核的處理器芯片為核心，組成兩套獨(dú)立的CPU系統(tǒng)，兩套CPU系統(tǒng)之間通過SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)同步和比較，構(gòu)成二取二結(jié)構(gòu)。兩套CPU系統(tǒng)各提供2路獨(dú)立的CAN總線接口，構(gòu)成冗余的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，用于和通信機(jī)通信[2]。

軌道模塊主要功能包括：通過CAN總線接收來自聯(lián)鎖機(jī)的巡防命令：通過CAN總線將室外軌道區(qū)間狀態(tài)信息發(fā)送給通信機(jī)：兩套CPU系統(tǒng)之間通過SPI總線進(jìn)行二取二運(yùn)算：通過RS485總線將故障信息發(fā)送給通信機(jī)，從而上報(bào)給電務(wù)維修機(jī)。

5 全電子系統(tǒng)功能優(yōu)勢

5.1 系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)勢

全電子接口模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小體積、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜式結(jié)構(gòu)，大大減少系統(tǒng)占用空間：采用層次化和模塊化設(shè)計(jì)，大大增加系統(tǒng)呵擴(kuò)展性，方便進(jìn)行維護(hù)和改造。此系統(tǒng)占地空間比傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)要小得多，結(jié)構(gòu)層次分明。

采用高性能微處理器，極大的增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力，同時也使接口模塊具有智能性;全部硬件板卡采用雙CPU冗余，具備自診斷能力，報(bào)警顯示迅速定位到通道及接口，能夠根據(jù)設(shè)備故障進(jìn)行多級報(bào)警。

5.2 特殊聯(lián)鎖功能

通過在聯(lián)鎖軟件中增加相應(yīng)的功能模塊，結(jié)合零散硬件模塊，系統(tǒng)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)所有特殊信號聯(lián)鎖電路的聯(lián)鎖功能。這是傳統(tǒng)微機(jī)聯(lián)鎖不具備的功能。

（l）下坡道接車延續(xù)進(jìn)路：下坡道接車延續(xù)進(jìn)路的鎖閉及解鎖。

（2）到發(fā)線出岔的進(jìn)路：到發(fā)線出岔的進(jìn)路的鎖閉及解鎖。

（3）平面溜放調(diào)車：實(shí)現(xiàn)平面溜放進(jìn)路的辦理、建立、鎖閉、解鎖;實(shí)現(xiàn)平面溜放信號的開放、關(guān)閉。

（4）與區(qū)間閉塞結(jié)合：與單線半自動閉塞設(shè)備結(jié)合;與自動閉塞設(shè)備結(jié)合。

（5）場間結(jié)合：與車輛段、機(jī)務(wù)段、道口設(shè)備等場間聯(lián)系電路結(jié)合。

（6）區(qū)域聯(lián)鎖：通過光交換機(jī)和光纖將一定距離內(nèi)的2個站納入一套聯(lián)鎖主機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域車站的設(shè)備分布式集中化管理，可以有效降低工程造價(jià)和施工難度。

5.3 記錄存儲和故障檢測與診斷功能

GKI-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)利用了計(jì)算機(jī)的信息處理能力和存儲容量大的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)、行車管理自動化奠定了基礎(chǔ)。這是傳統(tǒng)微機(jī)聯(lián)鎖不具備的功能，其主要體現(xiàn)在：（1）系統(tǒng)可按時間順序自動記錄和儲存車站值班員按鈕操作情況、現(xiàn)場設(shè)備動作情況和行車作業(yè)情況。電務(wù)維修人員只需根據(jù)功能菜單提示，按壓相應(yīng)的功能鍵，將前一段時間內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行狀況或作業(yè)情況按規(guī)定格式顯示出來，作為查找故障、分析故障的參考。這些信息也可打印出來;（2）提供圖像再現(xiàn)功能，即系統(tǒng)可將前一階段儲存的數(shù)據(jù)以站場圖形方式顯示在屏幕上，按照實(shí)際操作和車列運(yùn)行情況再現(xiàn)出來，以便更直觀地查找故障及分析問題;（3）實(shí)現(xiàn)進(jìn)路儲存和自動辦理，可進(jìn)一步提高車站行車作業(yè)效率;（4）具有集中檢測和報(bào)警功能。

另外，集中檢測和報(bào)警功能主要體現(xiàn)在兩個方面：一是聯(lián)鎖系統(tǒng)的門檢測功能，當(dāng)系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障時，維護(hù)人員可通過屏幕提示的錯誤號判斷、查找故障，提高工作人員的故障處理能力和效率：二是對信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路等現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，及時記錄并報(bào)警。監(jiān)測和報(bào)警的具體內(nèi)容可根據(jù)維修需要，全天候或定時對主體信號設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行測試、分析、判斷，超限時及時報(bào)警[3]。

5.4 可維護(hù)性

信號系統(tǒng)由不同的子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)本身又包含相關(guān)元件（如板件）。系統(tǒng)單個元件的錯誤并不對子系統(tǒng)或信號系統(tǒng)的主要故障造成影響。所以，涉及安全功能的監(jiān)督等，系統(tǒng)都設(shè)計(jì)成冗余的。信號系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是出于簡化維護(hù)的目的。例如，多數(shù)印制電路板含有LED燈，用于顯示板件的實(shí)際狀態(tài)。各子系統(tǒng)的具體維護(hù)手冊將于投入運(yùn)行之前提交，這些文件將概述定期檢修和故障檢修，包括信號系統(tǒng)各元件故障檢修的建議間隔。電務(wù)維修機(jī)具備電子故障日志功能，可以同時用于一個聯(lián)鎖系統(tǒng)和幾個聯(lián)鎖系統(tǒng)。電務(wù)維修機(jī)顯示聯(lián)鎖系統(tǒng)的當(dāng)前故障。每個所顯示的故障都有詳細(xì)信息，如受影響的元件，故障位置或維修指導(dǎo)。故障條目由用戶解決，注明故障處理人員姓名或附加注解。

6 結(jié)束語

隨著行業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)往往會對鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)提出新的或特殊的功能要求，特別是2022年韶鋼對鐵路運(yùn)輸要求非常高，即響應(yīng)快、安全性高、故障率低等。GKI-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)可以完美地實(shí)現(xiàn)特殊功能，這就使得其在實(shí)現(xiàn)特色聯(lián)鎖方面表現(xiàn)優(yōu)秀。

2019年5月，韶鋼物流部對工業(yè)站室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行大修，采用GKl-33e微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，至2020年1月驗(yàn)證期間未出現(xiàn)故障，鐵路信號設(shè)備正常運(yùn)行，對比大修前傳統(tǒng)微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)更穩(wěn)定，故障率更低，這也證實(shí)了此系統(tǒng)更適用于鐵路站場。

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[3]王永信.車站信號自動控制[M].北京：中國鐵道工業(yè)出版社.2010.

作者簡介：

李中偉（1979-），本科，工程師，研究方向：冶金物流運(yùn)輸管理。