適用中老鐵路的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)研究

1 中老鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)概況

中老昆萬鐵路(昆明—萬象，以下簡稱“中老鐵路”)作為泛亞鐵路中線的重要組成部分，線路北起云南省昆明市，至中老邊境口岸磨憨(中國段)，自老撾中老邊境口岸磨丁至線路終點(diǎn)萬象市(老撾段)，是首條與中國鐵路網(wǎng)直接聯(lián)通的國際鐵路[1-2]。中老鐵路老撾境內(nèi)磨萬段(磨丁—萬象南)初期開通20 個(gè)車站，全長422.4 km，中老鐵路老撾段選用中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司TYJLIII 型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。為滿足海外運(yùn)輸需求，急需在原有成熟產(chǎn)品基礎(chǔ)上開發(fā)適用于東南亞鐵路的核心控制裝備[3-4]。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備走向國際，也面臨著很多技術(shù)難題需要解決。

1.1 多語言功能問題

目前采用中國標(biāo)準(zhǔn)的鐵路設(shè)備普遍采用單一語言的操作系統(tǒng)，但由于中老鐵路代維管理期內(nèi)有多語言需求，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖操作控制系統(tǒng)宜具備“中文、英文、老撾文”3 種語言、語音切換功能，因而要解決如何為中老鐵路提供安全可靠的多語言切換技術(shù)解決方案[5]。作為信號(hào)控制最核心的安全控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的多語言技術(shù)解決方案應(yīng)該滿足以下性能要求。第一，在進(jìn)行聯(lián)鎖系統(tǒng)多語言功能開發(fā)時(shí)，不能對(duì)系統(tǒng)的底層邏輯產(chǎn)生影響，多語言功能的開發(fā)集中在操表機(jī)和維修機(jī)系統(tǒng)內(nèi)。第二，要針對(duì)不同語言使用習(xí)慣人群的需要開發(fā)對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)，使用戶可以高效、便捷地通過聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)列車進(jìn)行指揮控制。第三，不同于其他信號(hào)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)于安全性的要求極高。需要針對(duì)各語言的音節(jié)效率、顯示長度差異，在多語言界面下，靈活、準(zhǔn)確、完備地交互文字和語音內(nèi)容[6]。

1.2 軟硬件耦合性問題

任何物理實(shí)體的復(fù)雜程度從低到高依次為材料、元器件/零件、組件、部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)、全機(jī)。中老鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)的建立是用軟件把物理實(shí)體數(shù)字化的過程。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)作為復(fù)雜系統(tǒng)，是軟件與多硬件緊耦合的成果，以可視化界面的形式呈現(xiàn)。

為符合老撾的標(biāo)準(zhǔn)和需求，中老鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)在國內(nèi)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上更換部分軟硬件，而作為緊耦合系統(tǒng)，單一硬件或軟件的改動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)間的相互影響，需要通過系統(tǒng)分析和試驗(yàn)解決系統(tǒng)開發(fā)過程中出現(xiàn)的耦合性問題。

1.3 特殊站型導(dǎo)致運(yùn)輸效率無法滿足的問題

A 站位于老撾瑯勃拉邦省境內(nèi)，是瑯勃拉邦省首府和嘎西縣之間的會(huì)讓車站，是影響整條線路客貨運(yùn)效率的關(guān)鍵。A 站股道位于橋梁之上，站型特殊且所處位置有6‰下坡道，使得該站的聯(lián)鎖關(guān)系十分復(fù)雜。為適應(yīng)特殊地理?xiàng)l件的限制[7]，A 站布置形式采用縱列布置方案，咽喉區(qū)正線道岔1 號(hào)和2 號(hào)均位于兩側(cè)的隧道內(nèi)，由于地形的原因?qū)е抡€上的3 號(hào)道岔和4 號(hào)道岔位于橋梁之上且無法通過移位調(diào)整來滿足無岔股道的長度要求，不可避免地造成正線股道(IIG)存在中間出岔的情況。因此，需要在滿足有限施工成本和計(jì)劃開通時(shí)間的前提下，提出達(dá)到線路設(shè)計(jì)運(yùn)力需求的解決方案。

2 中老鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 多語言功能技術(shù)方案

聯(lián)鎖系統(tǒng)多語言功能的開發(fā)需同時(shí)滿足可維護(hù)性、可擴(kuò)展性。可維護(hù)性指在聯(lián)鎖后期維護(hù)的過程中，如果有站場(chǎng)站型、系統(tǒng)功能的改造，翻譯內(nèi)容可進(jìn)行相應(yīng)地修改。同時(shí)應(yīng)盡可能不影響程序源代碼，減少編譯的次數(shù)，縮小改造過程中翻譯部分對(duì)軟件自身產(chǎn)生的影響?？蓴U(kuò)展性指此功能的增加可以推廣到其他國外鐵路項(xiàng)目，預(yù)留其他語言翻譯的接口，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)人機(jī)界面的國際化。

為了實(shí)現(xiàn)此功能，在UTF-8 編碼下對(duì)站場(chǎng)界面里的控件按照其類型進(jìn)行了編碼，生成控件ID，信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段、位圖表示燈、文字、按鈕等均單獨(dú)編碼，在不同類型間可重復(fù)。控件ID 與控件詞匯的映射關(guān)系如表1 所示。

表1 控件ID 與控件詞匯的映射關(guān)系Tab.1 Mapping relationship between control ID and control vocabulary

對(duì)通用的報(bào)警及各站可共用的部分進(jìn)行通用編碼，此部分可復(fù)用，在不同車站間和后期的改造中一般情況下無需修改?？丶蘒D 與通用詞匯的映射關(guān)系如表2 所示。

表2 控件ID 與通用詞匯的映射關(guān)系Tab.2 Mapping relationship between control ID and common vocabulary

在軟件啟動(dòng)時(shí)讀取文件，在每次站場(chǎng)變動(dòng)時(shí)按照其控件類型，遍歷該類型的所有控件ID。如果發(fā)現(xiàn)ID 號(hào)存在，通過ID 編碼索引和中文、英文、老撾文之間的映射關(guān)系進(jìn)行語言切換；如果未發(fā)現(xiàn)ID 則忽略，并同時(shí)調(diào)整翻譯后語言的位置，防止因語言長度不一致導(dǎo)致遮擋的情況，滿足界面美觀的要求。

2.2 軟硬件耦合性技術(shù)方案

2.2.1 定制主板中藍(lán)屏問題技術(shù)解決方案

中老鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)可分為聯(lián)鎖機(jī)(IL)、操表機(jī)(MMI)、維修機(jī)(MT)和綜合配電柜4 部分。聯(lián)鎖機(jī)負(fù)責(zé)聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，操表機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互，維修機(jī)負(fù)責(zé)記錄、存儲(chǔ)信息以便故障查詢。系統(tǒng)中操表機(jī)采用為中老鐵路全新定制的主板與WIN10系統(tǒng)的電子硬盤，全系統(tǒng)調(diào)試的過程中，不定時(shí)發(fā)生藍(lán)屏現(xiàn)象且故障檢查代碼不一致。

定制主板上配置有網(wǎng)卡(PCI1)、聲卡(PCI2)、多串口卡(PCI4)的接口，在排除了IRQ 沖突的情況下，將獨(dú)立聲卡拔下后無藍(lán)屏現(xiàn)象發(fā)生。通過查找類似工控機(jī)發(fā)現(xiàn)AMOS-6000 工控機(jī)聲卡在DOS 系統(tǒng)下也存在播音后宕機(jī)的情況[8]，懷疑聲卡內(nèi)存存在問題。通過更換獨(dú)立聲卡，試用傲龍、摩羯及聲霸等多款獨(dú)立聲卡，均發(fā)現(xiàn)有藍(lán)屏的現(xiàn)象，基本排除了單一聲卡驅(qū)動(dòng)程序不兼容的可能性。

用Windbg 工具分析，出現(xiàn)較多的故障檢查代碼1a (memory management)，錯(cuò)誤代碼41201。在查詢虛擬地址的過程中，頁幀編號(hào)(PFN)和當(dāng)前頁表?xiàng)l目(PTE)指針存在不一致。對(duì)故障代碼1a 的藍(lán)屏現(xiàn)象分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 對(duì)故障代碼1a 的藍(lán)屏現(xiàn)象分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of blue screen of fault code 1a

故障檢查代碼7e (system thread exception not handle) 和3b (system service exception)參數(shù)均顯示出現(xiàn)內(nèi)存訪問沖突。故障檢查代碼109 (critical structure corruption)顯示損壞操作類型為函數(shù)修改，驅(qū)動(dòng)程序修改了內(nèi)核代碼或硬件損壞。

故障檢查代碼均指向內(nèi)存錯(cuò)誤，檢查當(dāng)前聲卡占用內(nèi)存地址，懷疑集成聲卡和獨(dú)立聲卡存在內(nèi)存沖突，通過修改定制主板硬件關(guān)閉集成聲卡后系統(tǒng)日志錯(cuò)誤數(shù)量明顯下降，而用集成聲卡替換獨(dú)立聲卡后無藍(lán)屏現(xiàn)象。

2.2.2 定制交換機(jī)丟包問題技術(shù)解決方案

聯(lián)鎖機(jī)和操表機(jī)、維修機(jī)之間的通信通過以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，交換機(jī)故障會(huì)影響系統(tǒng)間的正常通信。在中老鐵路調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，操表機(jī)頻繁報(bào)出聯(lián)鎖機(jī)和操表機(jī)間序號(hào)錯(cuò)誤，期望接收序號(hào)和實(shí)際接收序號(hào)不一致的異常現(xiàn)象。操表機(jī)接收到的聯(lián)鎖機(jī)發(fā)送的信息不連續(xù)，中間有丟失的現(xiàn)象。

聯(lián)鎖機(jī)采用雙網(wǎng)交叉冗余結(jié)構(gòu)，通信協(xié)議采用UDP 單播協(xié)議與操表機(jī)、維修機(jī)進(jìn)行通信。在通信異常的情況下有可能出現(xiàn)操表機(jī)未能成功接收信息、聯(lián)鎖機(jī)未發(fā)送連續(xù)的數(shù)據(jù)包、交換機(jī)匹配異常等情況。聯(lián)鎖機(jī)的雙網(wǎng)交叉冗余結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 聯(lián)鎖機(jī)的雙網(wǎng)交叉冗余結(jié)構(gòu)Fig.2 Double-network cross-redundancy structure of interlocking machine

相比WIN XP 系統(tǒng)，WIN 10 系統(tǒng)下IL 和MMI，MT 之間以太網(wǎng)通信量需求對(duì)交換機(jī)的影響更大，對(duì)時(shí)延、吞吐量、丟包率要求更高。中老鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)操表機(jī)、維修機(jī)、交換機(jī)及聯(lián)鎖機(jī)ETH 板固定百兆全雙工模式，保持最大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，交換機(jī)設(shè)置百兆全雙工如表3 所示。按照IPV4 協(xié)議，一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大于主機(jī)MTU 值，即數(shù)據(jù)傳輸大于以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的最大長度1 500 字節(jié)(除幀首部)，物理層會(huì)限制發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長度，如果數(shù)據(jù)包長度大于MTU 值會(huì)進(jìn)行分片或者丟包。拆包后的數(shù)據(jù)包在目的地端進(jìn)行重新組包。

表3 交換機(jī)設(shè)置百兆全雙工Tab.3 100M full duplex set by switch

采用Wireshark 抓取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，接收端設(shè)置多個(gè)不同終端接收UDP 數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)鎖機(jī)發(fā)送的廣播信息通過交換機(jī)已經(jīng)存在丟包的情況，排除操表機(jī)端出錯(cuò)的可能。

查看發(fā)送方數(shù)據(jù)包，從Wireshark 里抓取的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)送方對(duì)UDP 數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，每次丟包都是只收到了第二片數(shù)據(jù)包，即收到偏移off=1 480 的數(shù)據(jù)包，第一片數(shù)據(jù)包丟失。抓取聯(lián)鎖機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包丟失如表4 所示。長時(shí)間有規(guī)律的丟包增加了定制交換機(jī)匹配異常的可能性。調(diào)整定制交換機(jī)的通信速率，將交換機(jī)的帶寬改為自適應(yīng)模式后，交換機(jī)自動(dòng)適配十兆/百兆速率，無丟包現(xiàn)象發(fā)生，通信正常。

表4 抓取聯(lián)鎖機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包丟失Tab.4 Grabbing packets sent by interlocking machine are lost

2.3 特殊站型軟件技術(shù)方案

2.3.1 A 站初始信號(hào)設(shè)計(jì)方案

A 站原設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。該方案3 號(hào)道岔需具備到發(fā)線出岔電路邏輯功能，存在下行列車完全進(jìn)入IIG 后中岔延時(shí)3 min 后自動(dòng)解鎖的情況?？紤]到道岔所處位置特殊，且運(yùn)輸組織有諸多不可控因素的存在，此時(shí)若信號(hào)員將3 號(hào)道岔操作到反位后，列車?yán)^續(xù)運(yùn)行可能引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 A 站原設(shè)計(jì)方案Fig.3 Original design of Station A

2.3.2 不同變更方案的成本及運(yùn)輸效率分析

（1）方案I。對(duì)于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)最便捷和穩(wěn)妥的變更方案就是修改道岔鋪設(shè)位置。但站前專業(yè)已于2020 年完成了A 站橋梁和隧道施工，而A 站股道所在橋梁造價(jià)超4 000 萬元人民幣，兩側(cè)咽喉所在隧道總造價(jià)超2.4 億元人民幣。如果選擇變更道岔鋪設(shè)位置，不考慮施工工期情況下仍需要超過億元的變更費(fèi)用。

（2）方案II。不改變站場(chǎng)布置，選擇放棄1 條正線、2 條到發(fā)線的站場(chǎng)布局，選擇1 條正線和1條到發(fā)線的變更方案。該方案可以避免進(jìn)一步的資金投入，但會(huì)使A 站成為整條線路運(yùn)力瓶頸，浪費(fèi)前期針對(duì)第三條股道的資金投入。

（3）方案III。將站場(chǎng)可能存在的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)明確寫入《車站行車工作細(xì)則》，用人工管控的方式避免因中間出岔導(dǎo)致的異常解鎖。但考慮到未來海外鐵路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、安全運(yùn)輸壓力大的情況，信號(hào)專業(yè)需要給出既滿足運(yùn)輸效率需求，又無擠岔、冒進(jìn)信號(hào)風(fēng)險(xiǎn)的解決方案。

2.3.3 特殊聯(lián)鎖關(guān)系的解決方案

受地形條件限制，現(xiàn)在及未來A 站并無貨運(yùn)作業(yè)條件。綜合各方需求，建議修改設(shè)計(jì)方案。A 站修改后設(shè)計(jì)方案如圖4 所示，取消IIG 上防護(hù)3 號(hào)道岔的調(diào)車信號(hào)機(jī)，3 號(hào)道岔按接車進(jìn)路道岔設(shè)置，不按到發(fā)線出岔邏輯處理，3DG1 和3DG做合并處理，IIG 即為一個(gè)道岔區(qū)段。此方案的優(yōu)點(diǎn)是3 號(hào)道岔無需具備到發(fā)線出岔電路邏輯功能，可通過設(shè)置IIG 接車終端按鈕的方式，將3 號(hào)道岔納入始端和終端按鈕之間的接車進(jìn)路，避免了中岔延時(shí) 3 min 后自動(dòng)解鎖帶來的安全隱患。A 站為會(huì)讓站，由1G 向IIG 的轉(zhuǎn)線調(diào)車作業(yè)極少，如確有需求，也可通過將1G 車列牽出至D1 外方來完成轉(zhuǎn)線作業(yè)。方案提高了作業(yè)靈活度，滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

圖4 A 站修改后設(shè)計(jì)方案Fig.4 Revised design of Station A

3 中老鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用效果

中老鐵路作為中國與東盟國家合作的旗艦項(xiàng)目，是采用中國標(biāo)準(zhǔn)的普速鐵路。聯(lián)鎖系統(tǒng)相關(guān)創(chuàng)新性技術(shù)方案，可以為中老鐵路的高效客貨運(yùn)輸提供技術(shù)保證，同時(shí)也為跨國鐵路的運(yùn)營、管理、維護(hù)提供安全保障。

3.1 增加多語言功能，助力降本增效

為適應(yīng)中老鐵路的特殊運(yùn)營需求，在保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適應(yīng)中老鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)的多語言、語音功能，使聯(lián)鎖系統(tǒng)具備中文、英文、老撾文及對(duì)應(yīng)語音交互功能。多語言功能人機(jī)界面的開發(fā)有利于我國代理維護(hù)期間的技術(shù)教學(xué)，使老撾第一代鐵路人員可以無語言障礙學(xué)習(xí)聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備的使用和維護(hù)。

通過開發(fā)操表機(jī)和維修機(jī)里一鍵切換語言功能按鈕，為不同的作業(yè)人員提供了對(duì)應(yīng)的操作界面和語音提示，提高了值班人員作業(yè)效率。掌握任何一種語言的專業(yè)人員均可便捷操控及維護(hù)該系統(tǒng)，減少代理維護(hù)后期調(diào)整語言導(dǎo)致的二次改造費(fèi)用，提高信號(hào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

而在未來系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，只需要對(duì)文件中新增加的控件進(jìn)行配置，對(duì)刪除部分無需改動(dòng)，大大減少了因翻譯工作引起的軟件變動(dòng)。同時(shí)按照映射關(guān)系可以擴(kuò)展其他語言，為之后的匈塞鐵路等國外項(xiàng)目提供了接口預(yù)留。B 站老撾文界面站場(chǎng)局部截圖如圖5 所示。

圖5 B 站老撾文界面站場(chǎng)局部截圖Fig.5 Partial screenshot of Lao language interface of Station B

3.2 增強(qiáng)系統(tǒng)耦合性，確保運(yùn)輸安全

為避免緊耦合系統(tǒng)硬件或軟件改動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)間的相互影響，通過對(duì)系統(tǒng)軟、硬件的研究，技術(shù)上解決了中老鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)軟、硬件研發(fā)及調(diào)試過程中產(chǎn)生的耦合性問題，避免定制設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行中發(fā)生藍(lán)屏、丟包、彈窗等情況，減少了信號(hào)設(shè)備發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

在硬件迭代速率不及軟件更新速度的時(shí)代背景下，用軟件適配有限的硬件必然會(huì)導(dǎo)致耦合問題。通過需求和設(shè)計(jì)方案促使硬件的更新?lián)Q代，加快硬件的研發(fā)和軟、硬件的融合是未來軟、硬件耦合性問題解決的研究方向。

3.3 開發(fā)專用軟件，提升運(yùn)輸效率

針對(duì)中老鐵路特殊聯(lián)鎖關(guān)系的技術(shù)解決方案，滿足了運(yùn)輸組織需求和安全運(yùn)行的雙重要求，保障了線路設(shè)計(jì)運(yùn)力和中老鐵路的順利開通，真正做到了提質(zhì)、降本、增效的有機(jī)統(tǒng)一。

首先為節(jié)約成本、提高運(yùn)力，在不改變既有橋梁、隧道的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地將道岔與股道做了融合處理，實(shí)現(xiàn)了3DG 和3DG1 道岔區(qū)段同時(shí)具備正線的接車、發(fā)車、車次顯示等功能。其次，為保障A 站的運(yùn)輸安全，在已有特殊聯(lián)鎖關(guān)系基礎(chǔ)上，增加了坡道延時(shí)解鎖功能。最后為提高運(yùn)輸效率，在1G 辦理向上行方向發(fā)車時(shí)，通過軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)S1 和SII 信號(hào)機(jī)一次性開放，提升了整條線路的運(yùn)輸效率。

4 結(jié)束語

針對(duì)適用中老鐵路的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的開發(fā)過程進(jìn)行分析，通過技術(shù)升級(jí)和定制化系統(tǒng)應(yīng)用提升了系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性，使計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備成為提高中老鐵路運(yùn)輸效率、確保中老鐵路運(yùn)營安全的排頭兵。采用中國標(biāo)準(zhǔn)的定制化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為其他海外項(xiàng)目積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，中老鐵路的安全高效運(yùn)行正為中老兩國人民交往和沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)[9-10]。