中韓自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)對比研究

馮浩楠 ，董成文 ，李小帥 ，馬曉姣 ，潘長清

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081；2. 國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081；3. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京 100081；4. 中鐵檢驗認證中心有限公司，北京 100081）

1 研究背景

計算機網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，促進鐵路信號技術(shù)不斷升級，列車運行實現(xiàn)了高速化和高密度化。地面的聯(lián)鎖系統(tǒng)通過用電子控制器件代替繼電器裝置的方式，完成了信號系統(tǒng)的數(shù)字化升級，降低了維護成本，提高了系統(tǒng)的可維護性[1-2]。

近年來，中國的蘭州交通大學(xué)[3-5]、眾合科技、北京全路通信信號設(shè)計研究院、西南交通大學(xué)[6]、中國鐵道科學(xué)研究院[7-8]等對全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)進行了研究，在國內(nèi)部分鐵路支線和車輛段等場合應(yīng)用，但仍未在國內(nèi)鐵路領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。

韓國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)研究起始于1990 年。針對全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)中存在的問題和薄弱環(huán)節(jié)，2001 年起對全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并在韓國大多數(shù)車站正式推廣使用。例如，京釜高速鐵路的全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)已進入全面升級的階段[1]?；陧n國無線列車控制系統(tǒng)(Korean radio based train control system，KRTCS)，采用了以全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為中心的信號系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化方案，實現(xiàn)了對韓國信號系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理[2]。

下面以中國鐵道科學(xué)研究院研發(fā)的TYJL-IIIE 型自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為例，將其與韓國自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在架構(gòu)、通信協(xié)議、實驗等方面進行對比，為中國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

2 聯(lián)鎖系統(tǒng)

中韓自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)均采用聯(lián)鎖邏輯與對象控制分離的架構(gòu)，前者重點實現(xiàn)聯(lián)鎖的邏輯功能，后者主要完成對外部對象的安全通信和管理。聯(lián)鎖邏輯與對象控制的數(shù)字化交互，特別是對軌旁設(shè)備進行IP(Internet Protocol，網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議)的控制方式，與傳統(tǒng)的繼電聯(lián)鎖相比，拓展了聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制范圍，增強了靈活性，同時為聯(lián)鎖系統(tǒng)功能拓展和升級改造等提供了便利。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

韓國設(shè)計的自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為中心的信號控制架構(gòu)，借鑒歐洲聯(lián)鎖子系統(tǒng)連接倡議(European initiative linking interlocking subsystems，EULYNX)的架構(gòu)，對聯(lián)鎖系統(tǒng)接口對象進行分類統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化管理，如圖1 所示[9]。

圖1 基于EULYNX 的全電子聯(lián)鎖架構(gòu) Figure 1 Structure of the all-electric interlocking system based on EULYNX

與韓國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的架構(gòu)類似，中國自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)也根據(jù)通信對象特性進行分類管理。在針對軌旁設(shè)備的對象控制器設(shè)計上略有不同：韓國的對象控制器形式上分為通信模塊、主控制單元(main control unit，MCU)模塊和輸入/輸出模塊三部分，一個輸入/輸出模塊對應(yīng)一個IP；中國自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為對象控制單元(object control unit，OCU)和控制模塊兩部分，前者完成與聯(lián)鎖邏輯部分的信息交互和傳輸處理，后者實現(xiàn)對軌旁設(shè)備數(shù)據(jù)的安全采集和驅(qū)動功能，一個OCU 有冗余雙網(wǎng)IP，對應(yīng)多個類型的控制模塊。二者的對比如表1 所示。

表1 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu) Table 1 System architecture of the all-electricinterlocking system

以常用的軌旁設(shè)備——信號機和道岔為例，說明中韓控制模塊控制差異。

2.2 控制模塊

中國與韓國自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號和道岔控制模塊，安全等級均為SIL4，采用如下措施確保安全。

1) 二取二安全結(jié)構(gòu)。都是比較一致后對外輸出，韓國的控制模塊采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(field program mable gate array，F(xiàn)PGA)進行硬件比較，中國的控制模塊在驅(qū)動電路采用了電子開關(guān)和機械開關(guān)異構(gòu)組合方式，避免共模錯誤。

2) 輸出反饋。輸出傳感器回“讀”輸出給軌旁設(shè)備信息的反饋，與從CPU 接收的控制信息進行比較，檢測錯誤。

3) 看門狗功能。設(shè)計讀/寫看門狗進行動態(tài)監(jiān)測，每隔一段時間檢測一次，如果未收到檢查信號，表明是導(dǎo)向安全狀態(tài)。當(dāng)所有條件都恢復(fù)正常，才能處于運行狀態(tài)。

4) 過流檢測和防護功能。設(shè)置斷路器，過流時切斷信號電源。韓國的控制模塊保護電路是在每個輸出端口的負載電流為1.1A～1.12 A 時工作，工作輸出電壓應(yīng)降至額定值的10%以內(nèi)，在過流原因排除后自動恢復(fù)正常狀態(tài)。

2.3 設(shè)備性能

對全電子聯(lián)鎖設(shè)備的性能指標(biāo)進行對比，如表2所示。

表2 全電子聯(lián)鎖設(shè)備性能指標(biāo) Table 2 Performance index of the all-electricalinterlocking equipment

3 通信協(xié)議

標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議是關(guān)系到全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能擴展和與控制對象的互聯(lián)互通，也影響系統(tǒng)的安全和可靠性。韓國和中國各自設(shè)計了一套符合安全標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，以實現(xiàn)信息的可靠傳輸。

3.1 通信模型

基于互聯(lián)互通開放系統(tǒng)(open system interconnection，OSI)7 層通信模型，中韓自主化全電子聯(lián)鎖通信模型的對比如表3 所示。由此可知，通信的底層(包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層)模型相同，由服務(wù)要點(point of service，PoS)定義；通信的上層(包括傳輸層、安全層、冗余層和應(yīng)用層)共同形成標(biāo)準(zhǔn)通信接口(standard communication interface，SCI)。在應(yīng)用層方面，二者根據(jù)系統(tǒng)特點和應(yīng)用需求，分別制定了相應(yīng)的應(yīng)用協(xié)議；在安全通信層方面，韓國沿用歐洲的鐵路安全運輸應(yīng)用協(xié)議 (rail safe transport application，RaSTA)[10]，中國采用鐵道部制定的I 型鐵路信號安全協(xié)議(railway signal safety protocol-I，RSSP-I)。

表3 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)通信模型 Table 3 Communication model of the all-electric interlocking system

3.2 安全層協(xié)議

RaSTA 協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換機、路由器)的安全要求包括信息流控制、安全管理、自我測試、安全會話管理、訪問控制、傳輸數(shù)據(jù)保護、監(jiān)控記錄等7 個領(lǐng)域共21 種，如識別、身份驗證、根據(jù)設(shè)置規(guī)則控制流量等進行控制。中國采用的RSSP-I 協(xié)議對通信過程中的重復(fù)、刪除、插入、重排序、損壞、延遲和偽裝7 種類型的威脅進行防護[11]。從標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用場景、安全碼、傳輸層等指標(biāo)，對兩種安全通信協(xié)議進行對比，如表4 所示。

表4 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)安全層協(xié)議 Table 4 Protocol in the safety layer of the all-electricinterlocking system

3.3 應(yīng)用層協(xié)議

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用層包括兩類標(biāo)準(zhǔn)接口：SCI和標(biāo)準(zhǔn)診斷接口(standard diagnosis interface，SDI)。

3.3.1 通信標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議

SCI 用于全電子聯(lián)鎖與其他控制系統(tǒng)或者軌旁系統(tǒng)的信息交互使用，是基于電報的接口，由傳輸層和應(yīng)用層組成，未聲明的電報定義不可用。根據(jù)通信對象，可分為兩類：一類屬于控制系統(tǒng)級別；另一類屬于軌旁設(shè)備級別。韓國的SCI 遵循EULYNX 標(biāo)準(zhǔn)，公開的通用標(biāo)準(zhǔn)接口以SCI-XX 命名，如表5 所示。在系統(tǒng)級的通信對象方面，韓國SCI 標(biāo)準(zhǔn)僅涉及高鐵、鐵路等控制系統(tǒng)，而中國的SCI 標(biāo)準(zhǔn)將國鐵、城軌領(lǐng)域的控制對象全覆蓋；在軌旁設(shè)備級通信對象方面，二者根據(jù)各自的功能需求和系統(tǒng)架構(gòu)，完成了對軌旁設(shè)備的數(shù)字化協(xié)議。

表5 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通信接口協(xié)議 Table 5 Standard communication interface of the all-electric interlocking system

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)維護接口協(xié)議

韓國自主化全電子聯(lián)鎖維護和數(shù)據(jù)管理(maintenance data management，MDM)與每個設(shè)備子系統(tǒng)之間的接口由SDI-xx 定義，SDI 包括SDI-LS、SDI-P、SDI-TDS 和 SDI-IO。

SDI 通信協(xié)議采用簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(simple network management protocol，SNMP)或用于過程控制統(tǒng)一架構(gòu)的對象鏈接和嵌入(OLE for process control- unified architecture，OPC-UA)協(xié)議。當(dāng)使用SNMP 時，以事件驅(qū)動的方式收集診斷消息，發(fā)送到診斷收集器；當(dāng)使用OPC-UA 時，診斷消息以事件驅(qū)動的方式收集和存儲在相關(guān)系統(tǒng)中。診斷收集器定時向連接系統(tǒng)請求診斷消息。特定的設(shè)備或子系統(tǒng)使用其中一個協(xié)議，MDM 兼容兩者協(xié)議，使用SNMP 或OPC-UA的診斷消息，以事件方式發(fā)送和接收信息。

中國自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的維護信息的通信協(xié)議為UDP 單向發(fā)送。應(yīng)用內(nèi)容分為兩個級別：第一級為系統(tǒng)級監(jiān)控信息，包括OCU 與CI 邏輯部通信狀態(tài)、安全通信報警等錯誤信息，這些信息由OCU 通過以太網(wǎng)傳送給CI 邏輯部，再由CI 邏輯部發(fā)送給維修機；第二級為控制模塊級監(jiān)控信息，信號模塊提供燈絲電流模擬量信息，道岔模塊提供道岔動作時間、定位反位狀態(tài)、動作電流數(shù)據(jù)等信息。上述這些信息由各個全電子執(zhí)行模塊通過CAN 總線通信發(fā)送給維修分機，再由維修分機發(fā)送給維修機記錄。為了對全電子執(zhí)行系統(tǒng)的故障進行快速診斷和維修，還研發(fā)了遠程智能運維系統(tǒng)。基于兩套冗余結(jié)構(gòu)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things，NB-IoT)通信方式，將上述關(guān)于控制模塊的維修信息發(fā)送到云服務(wù)器，根據(jù)用戶權(quán)限，給相關(guān)維修人員及時推送監(jiān)控信息和報警，還可以對全電子執(zhí)行系統(tǒng)進行在線維修和統(tǒng)計[12]。中韓標(biāo)準(zhǔn)維護接口協(xié)議的對比如表6 所示。

表6 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)維護接口協(xié)議 Table 6 Standard diagnosis interface of the all-electric interlocking system

4 系統(tǒng)實驗

4.1 實驗室測試

韓國在進行實驗室測試時，選取3 家制造商的信號機和道岔產(chǎn)品與控制模塊連接，進行互聯(lián)互通測試。測試環(huán)境包括電源負載、直流電子負載、數(shù)字多儀表等裝置，測試項目包括阻抗測試、ID 讀寫測試、輸出電流測試和輸出電壓測試，實驗室測試連接如圖2所示。

圖2 韓國自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)控制模塊的實驗室測試 Figure 2 Laboratory test on a control module of indigenous all-electric interlocking system in South Korea

為了驗證控制單元硬件是否滿足功能需求和性能需求，TYJL-IIIE 型全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制模塊搭建測試環(huán)境如圖3 所示。24 V 電源接入電源后接板供電，PC 機通過CAN 盒向控制模塊發(fā)送控制命令，觀察軌旁設(shè)備響應(yīng)。測試項目包括控制模塊工作電源、時鐘電路、CAN 通信、復(fù)位電路、串口電路、軌旁設(shè)備控制電路、軌旁設(shè)備狀態(tài)采集電路、事故電路和切換電路信號的功能和性能測試等9 項內(nèi)容。

圖3 中國自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)控制模塊實驗室測試 Figure 3 Laboratory test on a control module of indigenous all-electric interlocking system in China

4.2 現(xiàn)場實驗

韓國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在O-song 綜合鐵路試驗軌道上進行現(xiàn)場兼容性測試，測試軌道如圖4 所示[13]。按照全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)功能的劃分，選取聯(lián)鎖集中站TS02 和非集中站TS03，按功能安裝測試設(shè)備進行測試，測試內(nèi)容如表7 所示。

在投入城市軌道交通的現(xiàn)場使用前，中國鐵道科學(xué)研究院研發(fā)的TYJL-IIIE 自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)需經(jīng)過多項集成測試，包括驗證冗余通功能的結(jié)構(gòu)測試，驗證內(nèi)部接口、外部接口、電源接口的接口測試，驗證安全通信、模塊管理、軌旁設(shè)備控制的功能測試，驗證通信周期、模塊容量的性能測試，驗證各種協(xié)議、配置參數(shù)的需求測試[14]。自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝如圖5 所示。

圖4 韓國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)測試線路 Figure 4 Test line on the all-electric interlocking system in South Korea

表7 韓國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)場測試 Table 7 On-site test of the all-electric interlockingsystem in South Korea

圖5 TYJL-IIIE 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)機柜 Figure 5 TYJL-IIIE all-electric interlocking system cabinet

5 結(jié)語

中國和韓國根據(jù)本國鐵路特性，開發(fā)了自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)。韓國鐵路信號設(shè)備大多來自歐洲信號廠商，因此全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的開發(fā)沿用了歐洲的EULYNX標(biāo)準(zhǔn)框架，以便于對韓國信號系統(tǒng)升級改造；目前，中國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)處于自主化研制應(yīng)用評估階段。

1) 在全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的架構(gòu)方面，二者都采用聯(lián)鎖邏輯和控制功能分離的架構(gòu)。韓國的全電子聯(lián)鎖控制模塊可安放在軌旁或室內(nèi)，而中國的控制模塊則安放在室內(nèi)。

2) 二者的應(yīng)用場合不同，目前韓國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計和試驗主要應(yīng)用于高鐵線路，而中國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用場合主要集中在場段和城市軌道交通領(lǐng)域，基于其應(yīng)用效果，將在鐵路領(lǐng)域逐步推廣使用。

3) 在全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)通信協(xié)議方面，韓國完全借鑒歐洲EULYNX 標(biāo)準(zhǔn)框架，而中國自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)處于由廠商根據(jù)系統(tǒng)特點自行定制的階段，中國全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)正在制定。

4) 在全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)性能測試方面，二者都設(shè)計了嚴格的測試過程，完成了實驗室測試和現(xiàn)場工程化測試，試驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的性能，保障了系統(tǒng)的安全可靠性。