軌道交通信號聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

摘 "要：該文主要探究聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計內(nèi)容。該系統(tǒng)的軟件部分使用VC++6.0開發(fā)，包含4個功能模塊，分別是進(jìn)路選排、進(jìn)路鎖閉、信號開放與進(jìn)路解鎖，可以實(shí)現(xiàn)車站與區(qū)間范圍內(nèi)信號設(shè)備的一體控制，并處理進(jìn)路命令和控制地面設(shè)備；該系統(tǒng)的硬件部分包括STM32主控芯片和PCI版驅(qū)動采集板，以及CAN通信接口等，在保證通信速率與通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的信息共享與可靠交互。該系統(tǒng)以軌道交通信號為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集、分析的基礎(chǔ)上為監(jiān)控列車運(yùn)行和保障行駛安全提供幫助。

關(guān)鍵詞：軌道交通信號；聯(lián)鎖列控一體化；進(jìn)路鎖閉；PCI驅(qū)采板；通信接口

中圖分類號：U284 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0134-04

Abstract： This paper mainly discusses the hardware and software design content of interlocked train control integrated system. The software part of the system is developed by VC++6.0， including four functional modules， which are route selection， route locking， signal opening and route unlocking， which can realize the integrated control of signal equipment in the station and the range， and process route commands and control ground equipment. The hardware part of the system includes STM32 main control chip， PCI driver acquisition board， and CAN communication interface. On the basis of ensuring communication speed and communication quality， the information sharing and reliable interaction between the upper computer and the lower computer are realized. Based on the data collection and analysis of rail transit signals， the system provides help for monitoring train operation and ensuring driving safety.

Keywords： rail transit signal; interlocking train control integration; route locking; PCI driving board; communication interface

現(xiàn)階段多數(shù)鐵路干線的車站與區(qū)間采用2套控制系統(tǒng)，即車站聯(lián)鎖系統(tǒng)和區(qū)間列控系統(tǒng)。這種控制模式不僅存在信號傳輸延時，而且容易出現(xiàn)接口故障或不兼容等問題，導(dǎo)致2套系統(tǒng)之間的信息共享能力不強(qiáng)，對車站區(qū)間管理造成了負(fù)面影響。軌道交通信號聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)則是取消聯(lián)鎖和列控系統(tǒng)之間的接口，在每個車站均設(shè)置一套一體化系統(tǒng)，提高了本站左右區(qū)間及本站與臨站之間的信息共享能力，在提升車站區(qū)間管理效率以及保證列車運(yùn)行安全等方面發(fā)揮了重要作用。

1 "軌道交通信號聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)的整體架構(gòu)

聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)的工作流程為：公布行車計劃后，調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）發(fā)出2條指令，一條是發(fā)送至無線閉塞中心（RBC）的臨時限速信息，另一條是發(fā)送至聯(lián)鎖中心的進(jìn)路命令。聯(lián)鎖中心接收該命令后，利用傳感器獲取車站軌道的占用信息、道岔的位置信息，然后根據(jù)調(diào)度集中系統(tǒng)下達(dá)的進(jìn)路命令，控制信號機(jī)、道岔排列進(jìn)路。列控中心將當(dāng)前的區(qū)間軌道電路占用信息同步傳輸給聯(lián)鎖中心。聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)匯總上述信息，向無線閉塞中心申請信號授權(quán)。無線閉塞中心根據(jù)申請可以了解列車狀態(tài)、位置參數(shù)、軌道占用等信息，并基于上述信息生成控制命令，通過無線通信系統(tǒng)將該控制命令發(fā)送給車載設(shè)備，從而控制列車安全進(jìn)站、出站。整個流程如圖1所示。

2 "聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 "進(jìn)路選排與道岔控制模塊

進(jìn)路選排的作用是判斷聯(lián)鎖條件是否滿足，在滿足的前提下選出預(yù)辦理進(jìn)路，并生成進(jìn)路控制指令。執(zhí)行該指令后，可以從進(jìn)路中選擇各個道岔的位置，實(shí)現(xiàn)道岔控制。進(jìn)路選排流程如圖2所示。

由于存在多條進(jìn)路，因此在進(jìn)路選排操作中最為關(guān)鍵的是選出一條符合要求的進(jìn)路。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本文在軟件設(shè)計添加了進(jìn)路搜索程序。在進(jìn)入進(jìn)路選排環(huán)節(jié)后，搜索程序首先利用聯(lián)鎖關(guān)系檢查操作指令是否合規(guī)以及是否滿足進(jìn)路條件。如果2個判斷程序的判斷結(jié)果均為“是”，利用“直股優(yōu)先策略”進(jìn)行搜索，直到搜索到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。重復(fù)搜索過程，直到將所有與該進(jìn)路相關(guān)的節(jié)點(diǎn)全部檢索出來，并將這些節(jié)點(diǎn)存入堆棧中，然后添加一個占用標(biāo)志，確保不會被其他進(jìn)路占用。然后在搜索任務(wù)結(jié)束后，在軌道交通信號平面布置圖上繪制出對應(yīng)的進(jìn)路，并開放信號機(jī)[1]。

2.2 "進(jìn)路鎖閉模塊

在預(yù)選出符合條件的進(jìn)路后，將進(jìn)路閉鎖。閉鎖流程如下：首先執(zhí)行一個判斷程序“敵對信號機(jī)是否開放？”如果判斷結(jié)果為“是”，則進(jìn)路存在沖突，無法建立進(jìn)路，直接結(jié)束程序；如果判斷結(jié)果為“否”，說明進(jìn)路不沖突，滿足進(jìn)路鎖閉的前置條件，但是還需要進(jìn)一步判斷。再執(zhí)行一個判斷程序“道岔是否規(guī)定位置？”如果判斷結(jié)果為是，繼續(xù)下一步；如果判斷結(jié)果為“否”，需要重新置位使道岔回到規(guī)定位置。然后檢查鎖閉繼電器是否正常鎖閉，如果能夠正常鎖閉，即可完成進(jìn)路鎖閉操作，程序結(jié)束；如果不能正常鎖閉，則道岔無法轉(zhuǎn)動，鎖閉失敗，程序結(jié)束。進(jìn)路鎖閉流程如圖3所示。

2.3 "信號開放模塊

在進(jìn)路正常鎖閉后，該進(jìn)路對應(yīng)的信號機(jī)正常開放，此時列車能夠正常駛?cè)朐撨M(jìn)路。基于安全方面考慮，本文在設(shè)計信號開放模塊時嵌入了5個驗(yàn)證條件，在信號機(jī)發(fā)出開放命令之前需要進(jìn)行驗(yàn)證。只有全部滿足才能正常發(fā)出開放信號。驗(yàn)證條件如下：

1）該進(jìn)路當(dāng)前為“空閑”狀態(tài)；

2）該進(jìn)路中沒有被占用的區(qū)段；

3）敵對進(jìn)路未建立或敵對進(jìn)路建立但是敵對信號未開放；

4）道岔位置正確并且被鎖定；

5）燈絲狀態(tài)正常；

當(dāng)上述條件全部滿足后，信號機(jī)發(fā)出開放信號。

2.4 "進(jìn)路解鎖模塊

該模塊可以將鎖閉的進(jìn)路解鎖，在鐵路運(yùn)行中需要解鎖的情況有若干種，除了進(jìn)路正常通過解鎖外，還包括故障解鎖、人工延時解鎖、調(diào)車中途折返解鎖等，本文只研究正常解鎖情況。根據(jù)解鎖觸發(fā)條件的不同，可以將正常解鎖分為2種方式，一種是“一次解鎖”，只有當(dāng)列車完全通過進(jìn)路后才會觸發(fā)解鎖；另一種是“分段解鎖”，是根據(jù)列車的按壓順序逐段解鎖進(jìn)路[2]。正常解鎖流程如圖4所示。

3 "聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 "主控板設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6芯片作為主控板，該芯片最高工作頻率72 MHz，額定電壓3.3 V，內(nèi)置高速存儲器和CRC計算單元，包含64 kB的隨機(jī)存取存儲器（RAM）和512 kB的FLASH，以及8個定時器、12個串口、1個控制器局域網(wǎng)（CAN）總線接口和84個通用I/O口。主控板電路中包括電源模塊、CAN模塊、RS232和鎖存電路，主控板與驅(qū)采板之間采用CAN總線通信，主控板與PC機(jī)（下位機(jī)）之間采用RS232串口通信。由于CAN總線電平無法直接接入STM32芯片，本文在系統(tǒng)硬件設(shè)計中加入了一個電平轉(zhuǎn)換單元TJA1050，其作用是在CAN協(xié)議控制器與物理總線之間充當(dāng)接口，從而滿足CAN總線多樣化的發(fā)送和接收需要。另外，TJA1050外接一個電流限制電路，可以保護(hù)發(fā)送器的輸出級，保證了在發(fā)生短路故障后不會燒毀TJA1050，從而保證了CAN總線正常通信[3]。

3.2 "驅(qū)采板及其電路的設(shè)計

在聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)中，主控板與驅(qū)采板采用“一對多”的方式進(jìn)行通信，由于該系統(tǒng)中包含了若干塊驅(qū)采板，并且每塊驅(qū)采板上收集、傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)較多，很容易因?yàn)閹挷粔蚨霈F(xiàn)信道擁堵的情況，導(dǎo)致信號傳遞出現(xiàn)明顯的延遲，不利于信號的實(shí)時采集。此外，主控板與驅(qū)采板之間，以及驅(qū)采板與驅(qū)采板之間均需要進(jìn)行通信，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)通信故障，都有可能對一體化系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生干擾?；谏鲜鰡栴}，本文在聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，使用了PCI總線設(shè)計驅(qū)采板，負(fù)責(zé)室外監(jiān)控目標(biāo)的驅(qū)動與采集任務(wù)。PCI版驅(qū)采板結(jié)構(gòu)簡單，只包括輸入電路和輸出電路，前者用于采集信號（如道岔狀態(tài)、區(qū)段狀態(tài)等），從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控目標(biāo)狀態(tài)的實(shí)時跟蹤，為聯(lián)鎖運(yùn)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；后者則是根據(jù)上層控制單元發(fā)送的控制指令，驅(qū)動前端執(zhí)行設(shè)備完成指定動作（如道岔動作、信號動作等）。

站場內(nèi)的所有PCI版驅(qū)采板通過CH365接口芯片與上位機(jī)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)通信，流程如下：PCI版驅(qū)采板采集信號后，利用地址選擇電路和地址比較電路確定需要上傳的信號，然后由CH365進(jìn)行讀寫。成功讀寫后，驅(qū)動信號設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到鎖存電路，完成數(shù)字信號的鎖存，保證信號在傳輸過程中不會出現(xiàn)順序錯亂、丟失等問題。考慮到鎖存后的數(shù)值信號在傳輸過程中仍然可能受到外部干擾，因此，本文設(shè)計了光耦隔離電路進(jìn)行隔離，設(shè)計了放大電路進(jìn)行信號放大，最后將信號輸入到計算機(jī)中[4]。CH365接口芯片不僅速度快、實(shí)時性好，而且支持存儲器與I/O端口映射。CH365接口芯片與PCI總線之間的信號線有PCI_AD[31_0]、PCI_RST等，CH365與本地8位總線之間的信號線有IOP_RD、INT_REO等，信號線具體說明見表1。

3.3 "通信接口設(shè)計

考慮到聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)中各個模塊之間的通信要求存在差異，因此，本文在設(shè)計中選擇了不同的通信方式，例如主控板采用CAN總線通信，驅(qū)采板采用CPI總線通信等，見表2。

CAN總線中傳輸?shù)乃行畔⒍际且怨潭ǜ袷桨l(fā)送，只要CAN總線當(dāng)前處于空閑狀態(tài)，任意單元都可以發(fā)送消息，這種特性決定了CAN總線的通信速度更快，不容易出現(xiàn)信道擁堵情況，適用于信號傳輸流量較大的主控板[5]。另外，CAN總線還具有檢測與錯誤恢復(fù)等功能，也在一定程度上保障了系統(tǒng)的通信安全。

本系統(tǒng)使用PCI總線連接上位機(jī)與下位機(jī)，相比于傳統(tǒng)的ISA總線、VESA總線，PCI縱向的帶寬更大（133 MBps）、數(shù)據(jù)線更多（32條），因此，信號傳輸速率更高。將PCI總線作為CH365芯片的通信載體，很好地滿足了即時通信需求。

4 "結(jié)束語

聯(lián)鎖與列控是鐵路信號系統(tǒng)的2個關(guān)鍵子系統(tǒng)，兩者只有做到相互配合、信息共享才能使列車運(yùn)行安全。聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)處理前端采集和發(fā)送的臨時限速報文、軌道電路編碼等信息，然后生成相應(yīng)的控制指令發(fā)送給下位機(jī)。通過PCI版驅(qū)動采集板執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)了對道岔、信號機(jī)等前端設(shè)備的控制，解決了通信延遲、穩(wěn)定性差等問題，可以實(shí)現(xiàn)列車精準(zhǔn)定位、靈活控制和安全運(yùn)行，具有推廣應(yīng)用價值。

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