城市軌道交通全電子計算機(jī)聯(lián)鎖改造工程設(shè)計方案

張家銘，代守雙

（1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 400020）

1 概述

近年來，國內(nèi)城市化建設(shè)進(jìn)程加快，城市軌道交通建設(shè)速度隨之快速增長，城市軌道交通的運營總里程、客運量也不斷增加。早期建成開通的線路已運營15～20年左右，信號系統(tǒng)設(shè)備已到大修改造期，接近生命周期末端。隨著信號系統(tǒng)設(shè)備開始老化，設(shè)備故障率逐漸升高，日常檢修維護(hù)越來越頻繁，亟需通過大修改造保證既有線路安全運營。

目前，既有運營線路信號系統(tǒng)多采用的是與繼電器執(zhí)行電路結(jié)合的計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。聯(lián)鎖計算機(jī)實現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯運算；繼電器執(zhí)行電路實現(xiàn)計算機(jī)聯(lián)鎖與信號室外設(shè)備的接口，采用配線復(fù)雜的接口電路控制接口繼電器實現(xiàn)對信號室外設(shè)備的驅(qū)動輸出和狀態(tài)采集。繼電器執(zhí)行電路存在占用空間大、配線復(fù)雜、維護(hù)性差、擴(kuò)展性差等不足。

全電子計算機(jī)聯(lián)鎖是基于高可靠容錯安全計算機(jī)系統(tǒng)的新一代計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，具有高安全性、高可靠性、維護(hù)便利、占用空間小、易擴(kuò)展等優(yōu)點，采用計算機(jī)技術(shù)、電力電子開關(guān)技術(shù)、自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了從聯(lián)鎖運算到執(zhí)行控制和狀態(tài)監(jiān)測的全電子一體化設(shè)計，具備在線、快速、完備的自檢測和自診斷功能，避免了繼電器執(zhí)行電路所固有的安全隱患和缺陷，提高了信號系統(tǒng)的技術(shù)裝備水平。

2 全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)

聯(lián)鎖系統(tǒng)依據(jù)層次可劃分為人機(jī)會話層、聯(lián)鎖邏輯層、執(zhí)行層以及室外設(shè)備。

傳統(tǒng)的計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備在執(zhí)行層包括：I/O機(jī)柜、接口柜、組合柜和防雷分線柜；全電子計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備的執(zhí)行層為電子執(zhí)行單元和防雷分線柜，等同于將傳統(tǒng)的計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備執(zhí)行層中的I/O機(jī)柜、接口柜、組合柜統(tǒng)一集成至電子執(zhí)行單元內(nèi)。傳統(tǒng)計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和全電子聯(lián)鎖設(shè)備的聯(lián)鎖邏輯層、人機(jī)會話層構(gòu)成和功能一致。

傳統(tǒng)計算機(jī)聯(lián)鎖和全電子計算機(jī)聯(lián)鎖的系統(tǒng)架構(gòu)對比如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)計算機(jī)聯(lián)鎖和全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)對比Fig.1 Comparison between architectures of traditional computer interlocking system and all-electronic computer interlocking system

3 全電子計算機(jī)聯(lián)鎖過渡倒切方案

全電子計算機(jī)聯(lián)鎖改造工程實施時，軌旁及室內(nèi)信號設(shè)備盡量利舊。在全電子計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備安裝、調(diào)試期間，為保證線路正常運營，減少改造風(fēng)險，需利用倒切設(shè)備實現(xiàn)全電子計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和既有計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備對室外設(shè)備的控制及狀態(tài)采集。

過渡倒切方案設(shè)計原則如下：

1）在全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)安裝、調(diào)試期間，以及后期對既有聯(lián)鎖設(shè)備、過渡倒切設(shè)備的拆除過程中，保證不影響運營效率和系統(tǒng)性能；

2）在全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)安裝、調(diào)試期間，以及后期對既有聯(lián)鎖設(shè)備、過渡倒切設(shè)備的拆除過程中，保證列車運行安全和施工安全；

3）在全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)安裝、調(diào)試期間，以及后期對既有聯(lián)鎖設(shè)備、過渡倒切設(shè)備的拆除過程中，新、舊信號設(shè)備需獨立運行，保證過渡期間新系統(tǒng)調(diào)試工作；

4）過渡倒切設(shè)備需進(jìn)行必要的測試及試驗，保證倒切設(shè)計簡單、操作便捷，便于后期拆除。

根據(jù)過渡倒切方案設(shè)計原則，調(diào)試期間，在信號設(shè)備室防雷分線柜或組合柜處設(shè)置倒切開關(guān)。通過控制繼電器的勵磁實現(xiàn)倒切。白天正常運營時，倒切開關(guān)接通既有計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備；夜間調(diào)試時，倒切開關(guān)接通全電子計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備。倒切開關(guān)設(shè)備可由安全繼電器控制電路、轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成。作為整個信號系統(tǒng)一部分，倒切開關(guān)安全完整性等級應(yīng)滿足SIL4級要求。倒切原理如圖2所示。

圖2 倒切原理Fig.2 Switching principle

4 全電子計算機(jī)聯(lián)鎖改造方案

城市軌道交通信號系統(tǒng)改造首先要確保列車運行安全。因此，在選擇城市軌道交通信號系統(tǒng)和設(shè)備改造方案時，宜采用相對成熟、可靠性高的技術(shù)。在滿足功能需求、節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，采取持續(xù)改進(jìn)的策略，有效降低對既有運營線路的影響。本文將既有運營線路中一個聯(lián)鎖區(qū)集中站的計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備作為改造研究對象，并參考國內(nèi)早期開通線路，將多信息無絕緣軌道電路作為軌道區(qū)段占用檢測和車地通信設(shè)備。

全電子計算機(jī)聯(lián)鎖改造方案示意如圖3所示。

圖3 全電子計算機(jī)聯(lián)鎖改造方案Fig.3 Reconstruction scheme for all-electronic computer interlocking system

4.1 與信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)的接口

全電子聯(lián)鎖主機(jī)與信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)之間通過電子執(zhí)行單元中的信號機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊實現(xiàn)接口，同時取消既有燈絲報警儀。電子執(zhí)行單元將信號機(jī)點燈狀態(tài)、燈絲狀態(tài)和道岔表示狀態(tài)周期性反饋給聯(lián)鎖主機(jī)，并接收聯(lián)鎖主機(jī)的命令輸出安全信號控制信號機(jī)和轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備。

室外信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)線纜經(jīng)防雷分線柜進(jìn)入倒切機(jī)柜，倒切柜一側(cè)端子接至既有信號機(jī)點燈電路和轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路，另一側(cè)端子接至電子執(zhí)行單元的信號機(jī)模塊和轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊，通過倒切開關(guān)實現(xiàn)既有聯(lián)鎖或全電子聯(lián)鎖對室外信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)的采集和控制。

信號機(jī)點燈電源、繼電器工作電源和轉(zhuǎn)轍機(jī)動作電源、表示電源采用電源屏的相應(yīng)回路電源接入倒切機(jī)柜，倒切機(jī)柜一側(cè)端子接至相應(yīng)組合柜零層給組合供電，另一側(cè)端子接至全電子聯(lián)鎖電子執(zhí)行單元機(jī)柜的相應(yīng)電源端子給信號機(jī)模塊和轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊供電。在實施中需要新敷設(shè)相應(yīng)的電源電纜。

正常運營期間室外道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)歸既有計算機(jī)聯(lián)鎖控制，信號機(jī)點燈電源、繼電器工作電源和轉(zhuǎn)轍機(jī)動作、表示電源倒切在組合柜側(cè)，調(diào)試期間和改造完成后期經(jīng)過倒切機(jī)柜轉(zhuǎn)換至全電子聯(lián)鎖進(jìn)行控制，同時相應(yīng)電源倒切至電子執(zhí)行單元側(cè)，如圖4 所示。

圖4 信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)倒切方案Fig.4 Switching plan for signal and switch machine

4.2 與軌道電路低頻發(fā)碼設(shè)備接口

通常情況下，既有聯(lián)鎖通過串口方式與軌道電路低頻發(fā)碼設(shè)備接口，全電子計算機(jī)聯(lián)鎖與軌道電路低頻發(fā)碼設(shè)備接口與既有保持一致。

全電子計算機(jī)聯(lián)鎖基于既有的聯(lián)鎖與軌道電路低頻發(fā)碼設(shè)備的接口方式和通信協(xié)議進(jìn)行適配。全電子計算機(jī)聯(lián)鎖或既有聯(lián)鎖與軌道電路低頻發(fā)碼設(shè)備的接口通過倒切機(jī)柜實現(xiàn)倒切，正常運營期間倒切至既有聯(lián)鎖與軌道電路低頻發(fā)碼設(shè)備進(jìn)行連接，調(diào)試期間和改造完成后既有聯(lián)鎖停用，倒切至全電子計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備與軌道電路低頻發(fā)碼設(shè)備接口。

4.3 與既有列車自動監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)的接口

通常情況下，既有ATS系統(tǒng)與計算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)的通訊采用安全通信協(xié)議的RJ-45接口交換數(shù)據(jù)。

新增設(shè)的全電子計算機(jī)聯(lián)鎖與ATS之間使用冗余網(wǎng)絡(luò)連接，硬件連接是使用標(biāo)準(zhǔn)的RJ-45端子及雙絞線物理連接，新增設(shè)的現(xiàn)地控制工作站和聯(lián)鎖主機(jī)均需要接入ATS網(wǎng)（聯(lián)鎖主機(jī)和現(xiàn)地控制工作站各預(yù)留兩個端口），軟件方面基于既有的聯(lián)鎖與ATS接口文件修改。實施中需要新敷設(shè)自全電子聯(lián)鎖設(shè)備至既有ATS系統(tǒng)之間的線纜，運營期間斷開全電子聯(lián)鎖和既有ATS的網(wǎng)絡(luò)連接，調(diào)試期間和后續(xù)改造完成后恢復(fù)全電子聯(lián)鎖和既有ATS的連接，斷開既有ATS和既有計算機(jī)聯(lián)鎖（CI）的連接。

4.4 與相鄰站聯(lián)鎖的接口

正線聯(lián)鎖與相鄰站聯(lián)鎖采用數(shù)字接口，通過冗余信號骨干網(wǎng)相連。

新增全電子聯(lián)鎖與正線聯(lián)鎖采用網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)站間信息互傳，需要鄰站開放網(wǎng)絡(luò)接口，軟件方面基于既有的CI-CI接口文件修改，實現(xiàn)新增聯(lián)鎖與既有聯(lián)鎖的站間通信。實施中需要新敷設(shè)自全電子聯(lián)鎖設(shè)備至本站既有聯(lián)鎖機(jī)柜內(nèi)部接至臨站聯(lián)鎖的站間光纜轉(zhuǎn)換設(shè)備的網(wǎng)線，運營期間將來自臨站聯(lián)鎖的光纜轉(zhuǎn)換設(shè)備插上既有聯(lián)鎖設(shè)備的網(wǎng)線，調(diào)試期間和后續(xù)改造完成后將來自臨站聯(lián)鎖的光纜轉(zhuǎn)換設(shè)備插上全電子聯(lián)鎖設(shè)備的網(wǎng)線，斷開既有聯(lián)鎖和既有站間的連接。

4.5 與站臺門系統(tǒng)的接口

正線聯(lián)鎖接收站臺門系統(tǒng)提供的“門關(guān)閉且鎖閉”和“互鎖接觸”信息；向站臺門系統(tǒng)提供開/關(guān)站臺門指令。

在實施中需要新敷設(shè)自電子執(zhí)行單元至倒切機(jī)柜的信號電纜。全電子聯(lián)鎖對站臺門相關(guān)狀態(tài)的采集以及命令的驅(qū)動都通過零散模塊直接采集和驅(qū)動。

正常運營期間，既有計算機(jī)聯(lián)鎖采集/驅(qū)動電路和全電子聯(lián)鎖零散模塊可以通過信號組合柜內(nèi)站臺門相關(guān)繼電器的不同接點采集站臺門的狀態(tài)，或采用通過倒切機(jī)柜實現(xiàn)既有聯(lián)鎖或全電子聯(lián)鎖零散模塊對站臺門相關(guān)狀態(tài)繼電器的采集/驅(qū)動。

全電子聯(lián)鎖改造期間，全電子聯(lián)鎖可直接通過信號組合柜內(nèi)站臺門相關(guān)繼電器的不同接點采集站臺門的狀態(tài)或通過倒切機(jī)柜實現(xiàn)全電子聯(lián)鎖零散模塊對站臺門的開關(guān)門控制調(diào)試，不影響白天正常運營。改造完成后，既有聯(lián)鎖停用，全電子聯(lián)鎖通過零散模塊實現(xiàn)對站臺門的控制。

4.6 與緊急關(guān)閉按鈕的接口

全電子聯(lián)鎖與緊急關(guān)閉按鈕通過零散模塊直接采集相應(yīng)按鈕設(shè)備狀態(tài)。既有緊急關(guān)閉按鈕的繼電器控制電路仍保留。全電子聯(lián)鎖主機(jī)接受零散模塊送來的按鈕狀態(tài)，執(zhí)行聯(lián)鎖邏輯關(guān)系。

全電子聯(lián)鎖電子執(zhí)行單元零散模塊可通過緊急關(guān)閉繼電器不同接點對按鈕按下的狀態(tài)進(jìn)行采集，或采用通過倒切機(jī)柜實現(xiàn)既有聯(lián)鎖或全電子聯(lián)鎖零散模塊與緊急關(guān)閉按鈕接口。正常運營期間緊急關(guān)閉由既有計算機(jī)聯(lián)鎖控制，調(diào)試期間和改造完成后經(jīng)過倒切機(jī)柜轉(zhuǎn)換至由全電子聯(lián)鎖進(jìn)行控制。

4.7 與車輛段/停車場聯(lián)鎖接口

通常情況下，既有聯(lián)鎖與既有車輛段/停車場聯(lián)鎖采用繼電接口方式。

全電子聯(lián)鎖維持既有與段場的接口電路不變，組合柜無需新增繼電器，既有聯(lián)鎖和全電子聯(lián)鎖的零散模塊通過倒切機(jī)柜實現(xiàn)與車輛段/停車場的接口，實現(xiàn)場聯(lián)繼電器的采集和驅(qū)動。利用倒切機(jī)柜實現(xiàn)運營期間、調(diào)試期間和改造完成后與車輛段/停車場聯(lián)鎖的站間接口。

既有聯(lián)鎖與全電子聯(lián)鎖的零散模塊通過倒切機(jī)柜實現(xiàn)采集、驅(qū)動繼電器倒切示意如圖5、6所示。

圖5 聯(lián)鎖采集繼電器倒切示意Fig.5 Switching diagram of interlocking acquisition relay

5 后期升級CBTC改造方案

5.1 與計軸設(shè)備接口

本文改造采用電子執(zhí)行單元的方式與既有軌道電路設(shè)備接口，同時聯(lián)鎖主機(jī)通信控制器預(yù)留后期與計軸設(shè)備的通信接口。后期CBTC升級改造如新增計軸設(shè)備，全電子聯(lián)鎖與新增計軸設(shè)備按照通信接口方式，原軌道電路可按照備用設(shè)備處理或拆除，后續(xù)無需新增硬件設(shè)備。

圖6 聯(lián)鎖驅(qū)動繼電器倒切示意Fig.6 Switching diagram of interlocking drive relay

5.2 與ZC子系統(tǒng)的接口

后續(xù)既有線升級為CBTC系統(tǒng)，需要新增ATP地面子系統(tǒng)ZC，聯(lián)鎖與ZC接口基于安全通信協(xié)議，通過雙冗余以太網(wǎng)傳輸，本次全電子聯(lián)鎖改造通過聯(lián)鎖主機(jī)通信控制器即可預(yù)留此接口條件。后續(xù)無需新增硬件設(shè)備。

5.3 與VOBC子系統(tǒng)的接口

后期升級為CBTC系統(tǒng)，聯(lián)鎖通過車地?zé)o線通信方式與車載VOBC設(shè)備信息交互，此接口聯(lián)鎖無需修改和新增硬件。

5.4 后期升級CBTC全電子聯(lián)鎖改造

后期升級為CBTC系統(tǒng)，只需將原先預(yù)留的ZC通信接口和計軸設(shè)備接口打通即可，如圖7所示。

圖7 后期系統(tǒng)升級CBTC方案Fig.7 Scheme for subsequent upgrade to CBTC

1）全電子聯(lián)鎖軟件需要升級，滿足與鄰站聯(lián)鎖、ATS接口信息通信要求（如點、滅燈信息），接口方式和自身硬件保持不變。

2）全電子聯(lián)鎖與信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、緊急關(guān)閉接口保持不變，電子執(zhí)行單元先期配置數(shù)量需滿足后期改造新增設(shè)備需要。

3）信號系統(tǒng)與站臺門控制系統(tǒng)、與車輛段/停車場接口仍按照繼電接口方式，后期升級CBTC接口方式互傳信息保持不變。

4）軌道電路低頻發(fā)碼設(shè)備如后期升級CBTC按照降級模式考慮，聯(lián)鎖維持既有接口無需新增硬件設(shè)備和倒切設(shè)備。

6 結(jié)束語

本文提出的全電子計算機(jī)聯(lián)鎖改造方案，在聯(lián)鎖設(shè)備架構(gòu)、功能和接口上均可滿足后期升級為CBTC系統(tǒng)的要求，無需新增硬件設(shè)備和倒切設(shè)備，只需要將聯(lián)鎖升級軟件，實現(xiàn)與其他子系統(tǒng)的接口需求。全電子計算機(jī)聯(lián)鎖改造可降低后期CBTC升級改造工程實施成本，其安全性、可靠性、可擴(kuò)展性的特點更加明顯。