電子化雙線雙向自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 杰

張 杰:蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生 730070 蘭州

由于CTCS-0、CTCS-1級 (以下簡稱C0、C1)系統(tǒng)的區(qū)間控制全部采用繼電器組合，維護(hù)和排除故障困難，大大降低了自動(dòng)閉塞區(qū)段的通過能力，所以，有必要用一種更簡潔、更高效、更安全和易維護(hù)的方案來代替。隨著電子技術(shù)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，區(qū)間控制的電子化也更體現(xiàn)出其優(yōu)越性和可實(shí)施性。故提出C0、C1區(qū)間雙線雙向自動(dòng)閉塞電子化的實(shí)現(xiàn)方式。

1 系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)

區(qū)間控制系統(tǒng)的主機(jī)是核心運(yùn)算部分，采用二乘二取二計(jì)算機(jī)硬件平臺，由2套聯(lián)鎖主機(jī)、冗余光纖網(wǎng)絡(luò)和冗余熱備的實(shí)時(shí)通信單元3部分組成。CPU主板由2路獨(dú)立的CPU處理器、總線硬件比較控制器、硬件自檢控制器、硬件同步控制器、I/F控制部件、全局冗余時(shí)鐘和光纖通信接口組成。通過硬件同步控制器、總線硬件比較控制器和軟件時(shí)間點(diǎn)同步相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)一種新的同步機(jī)制。主機(jī)通過以太網(wǎng)與車站聯(lián)鎖系統(tǒng)、CTC設(shè)備、監(jiān)測維護(hù)終端連接通信，與鄰站區(qū)間控制系統(tǒng)通過站間2Mb/s網(wǎng)連接通信。主機(jī)通過現(xiàn)場CAN總線與全電子執(zhí)行模塊通信，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測維護(hù)終端也從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并上傳集中監(jiān)測系統(tǒng)。

全電子執(zhí)行單元繼電器采集模塊 (JCJ)，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊 (JQD)，信號機(jī)點(diǎn)燈模塊 (LXA)，電碼化模塊 (ZDM)均采用“二取二”與邏輯控制結(jié)構(gòu)，具有過流保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了信號的控制、監(jiān)測、監(jiān)督一體化。CAN總線采用廣播通信模式，主機(jī)將整個(gè)總線上所有模塊的數(shù)據(jù)包按地址從低到高依次發(fā)送到CAN總線上，然后等待CAN總線上的電子模塊返回狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks。該系統(tǒng)由400多個(gè)相對獨(dú)立的、短小精煉的模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)模塊來剪裁和配置，有效地保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。多任務(wù)環(huán)境允許一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用作為一系列獨(dú)立任務(wù)來運(yùn)行，各任務(wù)有各自的線程和系統(tǒng)資源，VxWorks系統(tǒng)提供多處理器間和任務(wù)間高效的信號、消息隊(duì)列、管道、網(wǎng)絡(luò)透明的套接字和最快速的硬件中斷處理。主機(jī)的主要功能如下。

圖1 區(qū)間控制系統(tǒng)整體框圖

1．根據(jù)列車進(jìn)路狀態(tài)和軌道區(qū)段狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)區(qū)間軌道電路的載頻、低頻信息編碼功能，并控制區(qū)間軌道電路發(fā)送方向。

2．實(shí)現(xiàn)區(qū)間運(yùn)行方向與閉塞控制邏輯運(yùn)算。

3．通過2Mb/s端口實(shí)現(xiàn)站間安全信息傳輸，向鄰站實(shí)時(shí)傳輸區(qū)間軌道電路狀態(tài)、區(qū)間方向等安全信息。

4．區(qū)間信號機(jī)點(diǎn)燈控制邏輯運(yùn)算。

5．應(yīng)能實(shí)現(xiàn)中繼站控制。

區(qū)間控制主機(jī)軟件流程圖如圖2所示。

2.1 通信初始化模塊

主機(jī)與車站聯(lián)鎖系統(tǒng)、鄰站主機(jī)和微機(jī)監(jiān)測通過以太網(wǎng)連接，使用CRC校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)安全。主機(jī)與全電子執(zhí)行模塊之間采用CAN通信，該模塊也完成CAN卡和通信端口初始化。當(dāng)所有以太網(wǎng)通信和CAN通信正常時(shí)，主程序開始運(yùn)行并隨時(shí)檢查通信狀態(tài)，否則監(jiān)聽等待。通信模塊流程圖如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊

根據(jù)通信協(xié)議，主機(jī)要從車站聯(lián)鎖系統(tǒng)得到接、發(fā)車進(jìn)路信息，區(qū)間方向控制命令，進(jìn)站信號機(jī)燈絲斷絲信息;從鄰站主機(jī)得到鄰站閉塞分區(qū)情況及線路改方信息。主機(jī)要向車站發(fā)送區(qū)間方向表示信息、閉塞分區(qū)狀態(tài)信息、信號降級信息、離去區(qū)段防護(hù)信號機(jī)紅燈斷絲信息;并發(fā)給鄰站主機(jī)本站的閉塞分區(qū)情況及線路方向信息。此外，主機(jī)還要發(fā)給監(jiān)測維護(hù)終端區(qū)間控制主機(jī)狀態(tài)記錄、區(qū)間信號點(diǎn)燈狀態(tài)、軌道電路編碼、方向繼電器驅(qū)動(dòng)輸出、與ZPW-2000系統(tǒng)的接口報(bào)警信息等。

主機(jī)要發(fā)送的信息都有各自的打包函數(shù)，每條信息40字節(jié)，有CRC校驗(yàn)信息。對于接收到的數(shù)據(jù)也有相應(yīng)的解包函數(shù)。打包、解包過程都用關(guān)鍵代碼段保護(hù)，保證數(shù)據(jù)安全。

2.3 核心邏輯運(yùn)算模塊

核心運(yùn)算模塊分為改方邏輯模塊和自動(dòng)閉塞模塊2個(gè)主要部分。改方模塊主要完成線路的正常改方和輔助改方;自動(dòng)閉塞模塊主要完成區(qū)間的信號點(diǎn)燈和軌道編碼。

2.3.1 改方模塊

與鄰站通信全部采用2 Mb/s以太網(wǎng)，故以前繼電改方線路無論四線還是二線，全部被新的通信方式替代，原來改方電路的16個(gè)繼電器只保留FJ一個(gè)實(shí)體繼電器，其他如GFJ、JQJ、JQJF由于改方邏輯和防止輕車跳動(dòng)的需求，都用虛擬的方式來實(shí)現(xiàn)。新的改方邏輯以四線制改方邏輯為基礎(chǔ)，在保證安全和繼承其所有優(yōu)點(diǎn)的情況下，使改方邏輯變得更簡捷，更高效。改方模塊流程圖如圖4所示。

圖2 區(qū)間控制主機(jī)軟件流程圖

圖3 通信模塊流程圖

圖4 改方模塊流程圖

正常改方:當(dāng)接車站有發(fā)車請求時(shí)，主機(jī)先檢查JQJF是否吸起，如果吸起使接車站GFJ吸起，通過站間2Mb/s網(wǎng)傳給發(fā)車站，發(fā)車站接到接車站的發(fā)車請求時(shí)，檢查在沒有辦理發(fā)車進(jìn)路的情況下，取消發(fā)車權(quán)，GFJ落下，F(xiàn)J吸起，改為接車站，并且把改方成功標(biāo)志置1，代表發(fā)車站改方完成，否則改方成功標(biāo)志置0，然后發(fā)回接車站;接車站接到發(fā)車站改方成功標(biāo)志為1后，檢查JQJF是否吸起，如果吸起則使GFJ吸起，F(xiàn)J落下，改為發(fā)車站，改方成功。

輔助改方:當(dāng)區(qū)間故障，某個(gè)閉塞分區(qū)GJ無法正常吸起，雖然區(qū)間空閑但卻無法正常改方時(shí)，由兩站值班員人工確認(rèn)區(qū)間空閑后，接車站向主機(jī)發(fā)出輔助發(fā)車請求，主機(jī)則跳過檢測JQJF直接使GFJ吸起，發(fā)往發(fā)車站請求改方，發(fā)車站檢測沒有發(fā)車進(jìn)路則取消發(fā)車權(quán)，GFJ落下，F(xiàn)J吸起，改為接車站，改方成功標(biāo)志置1，代表發(fā)車站改方完成，否則改方成功標(biāo)志置0，然后發(fā)回接車站;接車站接到發(fā)車站改方成功標(biāo)志為1后，使GFJ吸起，F(xiàn)J落下，改為發(fā)車站，等待排出發(fā)車進(jìn)路，輔助改方成功。

主機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)車站與接車站FJ的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)雙發(fā)情況，立即導(dǎo)向安全側(cè)并報(bào)警。

2.3.2 自動(dòng)閉塞模塊

區(qū)間根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)，以閉塞分區(qū)為單位設(shè)計(jì)相應(yīng)的類，根據(jù)功能不同又分為普通閉塞分區(qū)類，一接近、二接近、三接近類和反向一接近、二接近、三接近類。其中的核心方法是點(diǎn)燈和發(fā)碼邏輯。對于三顯示或四顯示普通閉塞分區(qū)的點(diǎn)燈和發(fā)碼，都是根據(jù)運(yùn)行前方2個(gè)或3個(gè)閉塞分區(qū)的GJ來判斷;對于一、二、三接近不光要根據(jù)前方閉塞分區(qū)的空閑情況來判斷，還要根據(jù)車站發(fā)來的進(jìn)路號來判斷。對于C0、C1區(qū)間，根據(jù)進(jìn)路號判斷進(jìn)站信號機(jī)顯示，即進(jìn)站信號機(jī)的5個(gè)繼電器(LXJ，TXJ，LUXJ，YXJ，ZXJ) 的狀態(tài)，來控制接近區(qū)段點(diǎn)燈、發(fā)碼。反向運(yùn)行時(shí)，所有區(qū)間信號燈滅燈，除了反向接近區(qū)段正常發(fā)碼外，其他區(qū)段都發(fā)白碼。

對于不同區(qū)間，可以根據(jù)具體情況來組裝相應(yīng)的區(qū)間，每個(gè)閉塞分區(qū)為一個(gè)獨(dú)立模塊，每條線路各模塊都是采用向量的方式來存儲，運(yùn)算和查找都非常高效。自動(dòng)閉塞模塊還可完成紅燈斷絲轉(zhuǎn)移和降級顯示功能。

2.4 執(zhí)行模塊

通過核心運(yùn)算層后，系統(tǒng)將根據(jù)不同模塊類型與地址打包信息，下發(fā)命令。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)片段如下。

執(zhí)行模塊通過CAN A，CAN B返回的狀態(tài)信息分別存入Status和Status1中，等待程序進(jìn)行同步和相同性檢測。

3 系統(tǒng)安全性分析

1．主機(jī)采取二乘二取二安全架構(gòu)，其軟件核心運(yùn)算層采用多次運(yùn)算比較結(jié)果是否一致的方法，來確保輸出的控制命令正確無誤。既可以防止計(jì)算機(jī)的瞬時(shí)故障，還可以有效防止尖脈沖的干擾以及接觸不良等情況。

2．軟件對各任務(wù)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如果其中有任何一個(gè)任務(wù)在1 min內(nèi)沒有被調(diào)度執(zhí)行，則系統(tǒng)重新啟動(dòng)。

3．總線上的電子模塊只有接收到2次有效命令才會動(dòng)作。模塊在連續(xù)3 s內(nèi)收不到主機(jī)下發(fā)的任何有效控制命令，則自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障-安全控制輸出。2條總線的命令發(fā)送時(shí)間差小于等于50 ms，如果超時(shí)則輸出導(dǎo)向安全側(cè)。

4 結(jié)束語

既有鐵路還有很多線路運(yùn)行在C0，C1級，本區(qū)間電子化閉塞系統(tǒng)采用電子邏輯代替繼電邏輯，節(jié)省大量繼電器，而且也使日常維護(hù)和定位故障點(diǎn)變的更加高效、準(zhǔn)確。改方電路更加簡捷高效，安全性和可靠性也得到提升。為了與CTCS-2和CTCS-3級列控系統(tǒng)更好的銜接，稍加改動(dòng)可直接應(yīng)用于CTCS-2，CTCS-3區(qū)間控制。在鐵路信號電子化的大趨勢下，本系統(tǒng)在工程造價(jià)、安全性和可靠性及普速鐵路與高鐵銜接過渡等方面都有重要的參考價(jià)值。

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