全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

韓冰倩，宿秀元

（通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

近年來(lái)，隨著城市軌道交通技術(shù)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)CBTC系統(tǒng)自動(dòng)化、集成化程度的要求越來(lái)越高，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)以其簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高效的處理速度、便捷的操作維護(hù)和低廉的建設(shè)投入獲得業(yè)主越來(lái)越多的青睞[1]，采用全電子聯(lián)鎖的CBTC系統(tǒng)的市場(chǎng)需求越來(lái)越迫切。本文將分析全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的架構(gòu)及采驅(qū)流程進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)

傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)于室外道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路等信號(hào)設(shè)備的控制仍然采用道岔控制電路、信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路、軌道電路等繼電電路。繼電電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在大量人工配線，因此存在混線、斷線等隱患，可能導(dǎo)致無(wú)法控制室外信號(hào)設(shè)備[2]。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，需人工走查線路、識(shí)別故障位置、排查問題原因，對(duì)維護(hù)人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高，還會(huì)造成大量維護(hù)工作、耗費(fèi)大量人力資源。除此之外，繼電器的價(jià)格高昂，且放置繼電器的組合架占據(jù)大量信號(hào)室面積，增加城市軌道交通建設(shè)的成本。因此，傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)已難以適應(yīng)現(xiàn)代化城市軌道交通的發(fā)展。

2.2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)是信號(hào)控制的新一代聯(lián)鎖設(shè)備，系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為核心，以電力電子開關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)通信、自動(dòng)檢測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子化的聯(lián)鎖設(shè)備[3]。與傳統(tǒng)繼電接聯(lián)鎖系統(tǒng)相比，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)采用電子執(zhí)行單元實(shí)現(xiàn)與室外道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路等信號(hào)設(shè)備直接進(jìn)行接口。電子執(zhí)行單元體積小、功能強(qiáng)大、便于組網(wǎng)，可以為CBTC系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化提供基礎(chǔ)信息、遠(yuǎn)程管理和遠(yuǎn)程診斷[4-5]。電子執(zhí)行單元替代傳統(tǒng)的繼電電路實(shí)現(xiàn)對(duì)室外信號(hào)設(shè)備的控制，只保留少量配線用于對(duì)外接口，可減少混線、斷線等隱患的發(fā)生。一旦設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)能夠?qū)⒃O(shè)備故障精確定位到板級(jí)，維護(hù)人員可根據(jù)報(bào)警更換故障板卡，大大減輕維護(hù)工作量。電子執(zhí)行單元相比繼電器，價(jià)格低廉且占空間小，應(yīng)用電子執(zhí)行單元，正線可減少30%信號(hào)室面積，車輛段可減少60%信號(hào)室面積。綜上所述，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)具有集成度高、維護(hù)工作量少的工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)從工程實(shí)施、運(yùn)營(yíng)管理、到后期維護(hù)全生命周期的資源優(yōu)化配置，可最大限度地降低軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。可見，采用全電子聯(lián)鎖的CBTC系統(tǒng)將帶動(dòng)城市軌道交通產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

3 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)邊界

傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)由人機(jī)對(duì)話層、聯(lián)鎖運(yùn)算層、執(zhí)行表示層構(gòu)成，各層之間通過網(wǎng)絡(luò)保持通信，執(zhí)行表示層采用I/O采集驅(qū)動(dòng)方式，通過繼電電路控制室外信號(hào)設(shè)備，此時(shí)繼電電路不屬于聯(lián)鎖系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)。

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)與傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，同樣由人機(jī)會(huì)話層、聯(lián)鎖運(yùn)算層、執(zhí)行表示層構(gòu)成。人機(jī)會(huì)話層與聯(lián)鎖運(yùn)算層實(shí)現(xiàn)的功能基本與傳統(tǒng)聯(lián)鎖一致，人機(jī)對(duì)話層主要完成操作、顯示及維護(hù)的功能；聯(lián)鎖運(yùn)算層主要完成聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算、同步及控制功能[6]；最大的區(qū)別為執(zhí)行表示層，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的執(zhí)行表示層取消繼電電路，由電子執(zhí)行單元構(gòu)成，主要完成對(duì)室外信號(hào)設(shè)備的控制及監(jiān)測(cè)，此時(shí)原來(lái)由繼電電路所承擔(dān)的接口功能由電子執(zhí)行單元完成，屬于聯(lián)鎖系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)，因此全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的系統(tǒng)邊界有所擴(kuò)大[7]，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)與全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundary between traditional and full electronic interlocking systems

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)包括聯(lián)鎖邏輯部子系統(tǒng)、電子執(zhí)行單元、MMI控顯機(jī)子系統(tǒng)、聯(lián)鎖監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)4大部分，如圖2所示。

圖2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Full electronic interlocking system structure

電子執(zhí)行單元主要分為4個(gè)模塊，道岔模塊、信號(hào)機(jī)模塊、軌道模塊和通用輸入/輸出模塊，實(shí)現(xiàn)室外道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路等信號(hào)設(shè)備狀態(tài)的采集與控制，并且電子執(zhí)行單元具有將信號(hào)設(shè)備模擬量信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信息的功能，向監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)發(fā)送模塊運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警信息。

監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)與傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)有所不同，傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)為開關(guān)量控制，沒有模擬量采集功能，需要增加獨(dú)立的傳感器來(lái)采集信號(hào)設(shè)備的動(dòng)作電流等信息供監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)使用。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)除與邏輯部子系統(tǒng)通信外，還與電子執(zhí)行單元采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信，獲取電子執(zhí)行單元的狀態(tài)信息及報(bào)警調(diào)試信息。電子執(zhí)行單元可以通過內(nèi)置的采集電路直接生成監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)需要的道岔動(dòng)作電流、信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電流等信息，不再需要單獨(dú)安裝采集傳感器，監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)根據(jù)道岔動(dòng)作電流、信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電流等信息進(jìn)行曲線繪制，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄室外信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。因此，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制、執(zhí)行、監(jiān)測(cè)一體化的智能控制[8]。

3.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。系統(tǒng)內(nèi)主干通信網(wǎng)絡(luò)分為 3 組網(wǎng)絡(luò)，分別為控制冗余網(wǎng)（控制網(wǎng) A 和控制網(wǎng) B為冗余網(wǎng)絡(luò)）、維護(hù)網(wǎng)（維護(hù)網(wǎng) A 和維護(hù)網(wǎng)B為冗余網(wǎng)絡(luò)）和控顯冗余網(wǎng)（控顯網(wǎng) A 和控顯網(wǎng) B為冗余網(wǎng)絡(luò)）[9]。控制網(wǎng)用于交互控制命令及狀態(tài)，系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯部子系統(tǒng)和電子執(zhí)行單元連接此網(wǎng)；維護(hù)網(wǎng)用于維護(hù)信息的上傳，聯(lián)鎖監(jiān)測(cè)機(jī)子系統(tǒng)和電子執(zhí)行單元連接此網(wǎng)；控顯網(wǎng)用于人機(jī)控制命令和站場(chǎng)設(shè)備顯示信息的交互，系統(tǒng)的MMI控顯機(jī)子系統(tǒng)連接此網(wǎng)。

圖3 全電子聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Full electronic interlocking network structure

4 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)采驅(qū)流程

以信號(hào)機(jī)模塊為例，對(duì)全電子聯(lián)鎖應(yīng)用軟件完成信號(hào)機(jī)采驅(qū)功能的流程進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過繼電電路控制室外信號(hào)設(shè)備，對(duì)于信號(hào)機(jī)來(lái)說(shuō)，聯(lián)鎖應(yīng)用軟件需要根據(jù)采集到的繼電器前、后節(jié)點(diǎn)信息解析繼電器的狀態(tài)，再根據(jù)繼電器的狀態(tài)生成信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)，邏輯較為復(fù)雜；驅(qū)動(dòng)命令時(shí)需驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作以控制信號(hào)機(jī)亮、滅燈顯示，驅(qū)動(dòng)順序錯(cuò)誤易發(fā)生信號(hào)升級(jí)顯示的問題。

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)通過全電子模塊控制室外信號(hào)設(shè)備。就信號(hào)機(jī)來(lái)說(shuō)，聯(lián)鎖應(yīng)用軟件僅需在設(shè)備層面進(jìn)行采集信號(hào)機(jī)狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)機(jī)命令，避開復(fù)雜的繼電器組合，避免繼電器模式下誤驅(qū)動(dòng)繼電器造成信號(hào)機(jī)升級(jí)顯示的問題。

獲取信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)的流程如圖4所示。

圖4 獲取信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)流程Fig.4 Acquisition process of signal indication status

S1：對(duì)信號(hào)機(jī)模塊的設(shè)備類型、配置信息等進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過，則根據(jù)獲取到的顯示狀態(tài)生成臨時(shí)邏輯顯示狀態(tài)；

S2：狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束后生成邏輯顯示狀態(tài)；

S3：若邏輯顯示狀態(tài)為非法狀態(tài)則進(jìn)行提示報(bào)警。

生成信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)命令的流程如圖5所示。

圖5 生成信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)命令流程Fig.5 Generation process of signal drive command

S1：獲取信號(hào)機(jī)邏輯控制命令并進(jìn)行合法性校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后根據(jù)邏輯控制命令生成驅(qū)動(dòng)命令；

S2：下周期時(shí)，判斷邏輯控制命令與邏輯顯示狀態(tài)是否一致，不一致時(shí)開始計(jì)時(shí)，若計(jì)時(shí)達(dá)到閾值，信號(hào)仍未開放，則進(jìn)行提示報(bào)警。

5 結(jié)語(yǔ)

基于全電子聯(lián)鎖的CBTC系統(tǒng)具有設(shè)備集成度高、維護(hù)工作量少、監(jiān)測(cè)信息全的特點(diǎn)，能夠最大限度地降低軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，帶動(dòng)軌道交通產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展?？梢灶A(yù)見，基于全電子聯(lián)鎖的CBTC系統(tǒng)即將迎來(lái)一個(gè)全面發(fā)展的重要機(jī)遇期，自主研發(fā)基于全電子聯(lián)鎖的CBTC系統(tǒng)具有極大的意義和必要性。

本文主要分析全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的架構(gòu)及采驅(qū)流程進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要綜合考慮各方面因素，以更好地實(shí)現(xiàn)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能。