基于智能軌旁設(shè)備的數(shù)字化聯(lián)鎖系統(tǒng)研究

關(guān)惲琿， 趙夢(mèng)瑤， 韓安平

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081）

0 引言

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是保障站內(nèi)行車安全、提高鐵路運(yùn)輸效率的重要技術(shù)裝備。隨著電力電子控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的日益成熟，全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)時(shí)而生。我國研究計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖全電子化已超過10年，其應(yīng)用已在我國鐵路開始初具規(guī)模。目前，我國大部分已應(yīng)用的全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)依然采用“完全集中”控制模式，將包括各個(gè)執(zhí)行單元在內(nèi)的聯(lián)鎖設(shè)備集中在控制樓內(nèi)，通過大量各類電纜與軌旁設(shè)備進(jìn)行連接。因此存在電纜和控制樓內(nèi)設(shè)備數(shù)量龐大、系統(tǒng)工程建設(shè)復(fù)雜度高、升級(jí)改造難等缺點(diǎn)［1]。

基于智能軌旁設(shè)備的數(shù)字化聯(lián)鎖系統(tǒng)將執(zhí)行單元置于室外軌旁，執(zhí)行單元結(jié)合軌旁信號(hào)設(shè)備組成數(shù)字化智能軌旁設(shè)備，通過光纜或無線技術(shù)與室內(nèi)聯(lián)鎖系統(tǒng)以安全通信的方式連接，該方式能極大地減小甚至消除電纜混線存在的安全隱患，顯著提升系統(tǒng)的防雷性能。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠提升鐵路信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備的功能及控制與維護(hù)水平，減少能耗、精確控制、實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)鐵路車站聯(lián)鎖乃至整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的數(shù)字化。

1 基于智能軌旁設(shè)備的數(shù)字化聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于智能軌旁設(shè)備的數(shù)字化聯(lián)鎖系統(tǒng)主要包括聯(lián)鎖主控層到執(zhí)行層的分布式控制、軌旁信號(hào)設(shè)備的數(shù)字化智能化演變以及遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)的搭建。

該系統(tǒng)保持現(xiàn)有全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的人機(jī)交互層和聯(lián)鎖主控層結(jié)構(gòu)不變，將對(duì)象控制器和電子執(zhí)行單元移至室外，對(duì)象控制器結(jié)合安全通信單元組成區(qū)域?qū)ο罂刂破?，電子?zhí)行單元結(jié)合軌旁信號(hào)設(shè)備組成數(shù)字化智能軌旁設(shè)備?；谥悄苘壟栽O(shè)備的數(shù)字化聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

（1）對(duì)象控制器通過光或無線通信的方式與室內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)備相接，接收聯(lián)鎖命令。

（2）對(duì)象控制器對(duì)智能軌旁設(shè)備采用區(qū)域化控制的方式，通過CAN 總線將具體聯(lián)鎖命令下發(fā)至各個(gè)智能軌旁設(shè)備，相應(yīng)軌旁控制單元接收后依照聯(lián)鎖命令控制信號(hào)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作，同時(shí)會(huì)將信號(hào)設(shè)備的工作狀態(tài)信息發(fā)送至對(duì)象控制器，完成站內(nèi)信號(hào)設(shè)備的控制和狀態(tài)采集功能。

（3）同時(shí)，軌旁信號(hào)設(shè)備的工作狀態(tài)信息還會(huì)通過安全型網(wǎng)絡(luò)接口連接至公網(wǎng)的云服務(wù)器管理單元，電務(wù)人員可使用手機(jī)或電腦實(shí)時(shí)獲得站內(nèi)設(shè)備的工作狀態(tài)信息，便于對(duì)無人值守車站進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，以及研發(fā)人員可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障預(yù)測(cè)等工作。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)

2.1 室內(nèi)聯(lián)鎖主控設(shè)備

室內(nèi)聯(lián)鎖主控設(shè)備主要包含人機(jī)接口層、聯(lián)鎖主控層和安全通信單元，其結(jié)構(gòu)見圖2。人機(jī)接口層、聯(lián)鎖主控層的作用與其在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的作用相同。人機(jī)接口層為車站工作人員提供設(shè)備操作監(jiān)控界面以及分析維護(hù)界面。聯(lián)鎖主控層是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心部分，具有最高級(jí)別的安全完整性要求，主要完成整個(gè)系統(tǒng)的控制與功能邏輯。與聯(lián)鎖邏輯單元相連的是安全通信單元，包含光通信單元或LTE-R 無線通信單元，主要功能是將聯(lián)鎖邏輯單元生成的聯(lián)鎖命令通過光纖或無線的通信方式發(fā)送至室外相應(yīng)的對(duì)象控制器［2-3]。

圖2 室內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)字化智能軌旁設(shè)備的區(qū)域化控制

對(duì)于數(shù)字化智能軌旁設(shè)備采用區(qū)域化控制方式，一般在上咽喉和下咽喉軌旁設(shè)備較為集中的地方各設(shè)置1個(gè)區(qū)域?qū)ο罂刂破?，其中包括?duì)象控制器和安全通信單元。車站內(nèi)數(shù)字化智能軌旁設(shè)備分布見圖3。

對(duì)象控制器通過安全通信單元接收到聯(lián)鎖命令后進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，之后再通過CAN 總線將聯(lián)鎖命令發(fā)送至對(duì)應(yīng)的智能軌旁設(shè)備。數(shù)字化軌旁設(shè)備由1架信號(hào)機(jī)或1 臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)等軌旁信號(hào)設(shè)備分別配置1 個(gè)電子執(zhí)行單元而組成，按傳統(tǒng)信號(hào)設(shè)備的設(shè)置方式分布于站場(chǎng)中，接收到對(duì)象控制器下發(fā)的聯(lián)鎖命令后，控制道岔的轉(zhuǎn)換和信號(hào)機(jī)的開放與關(guān)閉等，同時(shí)將及其關(guān)鍵的站場(chǎng)狀態(tài)信息發(fā)送至區(qū)域?qū)ο罂刂破鲉卧?，便于室?nèi)聯(lián)鎖設(shè)備和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收［4-5]。

圖3 車站內(nèi)數(shù)字化智能軌旁設(shè)備分布

對(duì)于個(gè)別散布在2個(gè)車站之間、不便被劃分至某個(gè)區(qū)域的智能軌旁設(shè)備，CAN總線無法支持過遠(yuǎn)距離的通信，因此可在該軌旁設(shè)備和對(duì)象控制器的通信單元中各增加1個(gè)Zigbee通信模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線控制［6]。

2.3 數(shù)字化智能軌旁設(shè)備

2.3.1 安全可靠的控制方式

數(shù)字化智能軌旁設(shè)備需要在道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)等軌旁設(shè)備放置1套小型的二乘二取二的控制單元。其中安全控制邏輯部分采用2 個(gè)MCU 分別計(jì)算邏輯，通過串口通信交互主從的數(shù)據(jù)；輸出控制部分采用電子開關(guān)和機(jī)械開關(guān)的串聯(lián)控制方式實(shí)現(xiàn)二取二，避免器件由于共因失效導(dǎo)致板卡故障的情況（見圖4）。

熱備切換設(shè)計(jì)采用雙套冗余板卡，并配有切換通道，保障1套設(shè)備故障后備用模塊能快速無縫地切換上去。

圖4 智能軌旁設(shè)備二取二控制示意圖

2.3.2 軌旁設(shè)備就近控制方案

智能軌旁設(shè)備將室外設(shè)備的控制方式由電纜集中在室內(nèi)改為直接在軌旁就近控制，再通過通信的方式與室內(nèi)連接。所以智能軌旁設(shè)備的一個(gè)重要研究內(nèi)容就是如何發(fā)揮室外設(shè)備就近控制的優(yōu)勢(shì)。

（1）對(duì)于信號(hào)智能控制單元，由于不再有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾姎鈸p耗，因此可以直接向信號(hào)機(jī)輸出直流電源，相比于現(xiàn)在使用220 V交流電配套點(diǎn)燈單元的控制方式，在減少控制電纜的同時(shí)也大大提高了資源利用率。

（2）信號(hào)智能控制單元可以很好地適用于LED 信號(hào)機(jī)的控制和電流采集功能，解決了現(xiàn)有電路無法采集LED 信號(hào)機(jī)的小電流以及控制LED 信號(hào)機(jī)點(diǎn)陣電纜過多的情況。

（3）對(duì)于轉(zhuǎn)轍機(jī)智能控制單元，可以將更多的轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵狀態(tài)信息進(jìn)行采集并上傳，作為故障診斷乃至故障預(yù)測(cè)的判斷依據(jù)，同時(shí)還使今后簡化現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化道岔的轉(zhuǎn)換過程成為可能［7]。

2.3.3 供電方案

供電可采用完全集中供電和區(qū)域集中供電2 種方式。對(duì)于室外智能設(shè)備分布較為分散的情況，供電采用區(qū)域化的太陽能電池組方案，即把距離上相對(duì)較近的區(qū)域設(shè)置1 套冗余的太陽能電池組給附近的設(shè)備供電，該電池組除了能通過太陽能充電外，也能通過供電電纜直接充電，避免太陽能不足時(shí)影響設(shè)備使用。對(duì)于室外設(shè)備分布較為集中的車站，可采用完全集中的供電方式。

2.3.4 電磁兼容、防雷、接地、環(huán)境和防護(hù)等設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足鐵路信號(hào)室外設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，包括氣壓、溫度、濕度、沙塵和生物化學(xué)等條件，芯片選擇方面需要使用工業(yè)級(jí)別，具體應(yīng)滿足以下參數(shù)：

（1）工作溫度：-40～70 ℃。

（2）相對(duì)濕度：10%～100%（室溫25 ℃）。

（3）大氣壓力：70～106 kPa（相當(dāng)于海拔不超過3000 m）。

（4）振動(dòng)要求：應(yīng)滿足TB/T 2846—2015《鐵路地面信號(hào)產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)方法》中2類設(shè)備的規(guī)定。

（5）IP防護(hù)等級(jí)：IP55。

（6）電磁兼容性能應(yīng)滿足GB/T 24338.5—2009《軌道交通：電磁兼容：第4部分：信號(hào)和通信設(shè)備的發(fā)射與抗擾》要求。

（7）防雷性能應(yīng)當(dāng)符合TB/T 3074—2017《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件》、TB/T 3498—2018《鐵路通信信號(hào)設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法》的要求。

2.4 遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到更優(yōu)化的維護(hù)管理效果，增加了遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)［8]，其結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)通過區(qū)域?qū)ο罂刂破鳙@取站場(chǎng)中信號(hào)設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)信息，除了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須的信號(hào)燈電流值、道岔動(dòng)作電流等信息，還可獲取對(duì)象控制單元和智能軌旁設(shè)備的工作狀態(tài)信息以及報(bào)警信息等。通過安全型網(wǎng)絡(luò)接口形成單向通信通道連接至公共網(wǎng)絡(luò)的云服務(wù)器管理單元，電務(wù)維護(hù)人員或開發(fā)人員可使用手機(jī)、電腦等終端訪問云服務(wù)器管理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)各站場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)進(jìn)行故障分析。終端可對(duì)不同業(yè)務(wù)需求開放不同的數(shù)據(jù)權(quán)限，用戶可根據(jù)需要和權(quán)限對(duì)站場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行查詢，也能收到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備異常時(shí)的主動(dòng)報(bào)警推送。

系統(tǒng)總體架構(gòu)參照物聯(lián)網(wǎng)基本體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建［9]，只有預(yù)期的接收方能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行解密，保證交互數(shù)據(jù)的完整性。同時(shí)通過劃定系統(tǒng)邊界，使系統(tǒng)故障和遠(yuǎn)程查詢命令不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備的正常使用造成干擾。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有更廣闊的覆蓋面積、更強(qiáng)的穿透性以及低成本、低功率等優(yōu)勢(shì)，適合于在偏遠(yuǎn)地區(qū)或信號(hào)較差的機(jī)械室中進(jìn)行通信，可運(yùn)用于遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)中。遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)還適用于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)等多種控制場(chǎng)合，是更加智能化、信息化的維護(hù)維修系統(tǒng)［10]。

3 結(jié)束語

基于智能軌旁設(shè)備的數(shù)字化聯(lián)鎖系統(tǒng)簡化了室內(nèi)設(shè)備，在保證可靠性的前提下，減少了室外的控制和通信線纜，在施工復(fù)雜度及成本上相較于現(xiàn)有系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)，能大大縮短施工周期，減少現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)時(shí)間。同時(shí)，系統(tǒng)采用的多模光纖和無線通信軌旁控制模式，能夠?yàn)樵O(shè)備提供更為智能、合理的使用及維護(hù)方案。尤其是系統(tǒng)的遠(yuǎn)程運(yùn)維功能能夠使當(dāng)前一些車站的計(jì)劃檢修業(yè)務(wù)發(fā)生根本性改變，實(shí)現(xiàn)真正的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控。

該系統(tǒng)不僅適合于常規(guī)車站，而且對(duì)于海外項(xiàng)目、環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)或無人值守車站更具有顯著優(yōu)勢(shì)。在建設(shè)期間，可簡化施工內(nèi)容、減少施工周期，同時(shí)降低了物料成本和高額的人員成本；在設(shè)備使用期間，極大地減少了專業(yè)人員維護(hù)和維修工作量。系統(tǒng)邏輯處理單元和軌旁控制單元均采用熱備的雙套冗余，具有配合遠(yuǎn)程監(jiān)控站內(nèi)設(shè)備工作和故障信息的功能，可以更好地適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)或無人值守車站。