基于站場圖形網絡的計算機聯鎖軟件在高速鐵路的應用研究

劉　鵬

(中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京　100081)

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基于站場圖形網絡的計算機聯鎖軟件在高速鐵路的應用研究

劉鵬

(中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京100081)

為適應高速鐵路列控系統接口需求，計算機聯鎖系統接入信號安全數據網[1]的同時，應用軟件需要新增進路模塊來實現接口的應用信息交互。進路模塊利用原有聯鎖軟件網絡化結構的選路原理，實現了進路信息存儲；利用進路中道岔的大號碼特征，實現符合黃閃黃條件信號顯示自動計算。軟件采用模塊化設計的同時，對軟件需求、設計、結構、安全性進行全面分析，確保聯鎖子系統軟件的兼容性和可持續開發性。基于升級的計算機聯鎖軟件不僅滿足高速鐵路列車控制系統的需求，也提高了原有軟件的安全性和可靠性。

計算機聯鎖；軟件；進路處理；接口

1　概述

計算機聯鎖軟件核心功能是通過技術手段對車站設備信號、道岔、進路實施一定相互制約關系，以保證列車或調車車列在站內的作業安全[2]。軟件聯鎖邏輯運算的實現方式主要有基于進路聯鎖表和基于站場圖形網絡結構兩種方式[3]。基于進路聯鎖表(查表)聯鎖軟件邏輯依據聯鎖表確定進路的聯鎖關系，需要對進路表進行列表，選路走向是和聯鎖表進路一一對應。基于站場圖形網絡結構聯鎖軟件是參照6502繼電聯鎖構造各種類型組合、采用站場圖形網絡拼接方式而開發的聯鎖應用軟件。軟件采用面向對象的編程方法，構造與現場主要設備相對應的基本對象模塊(信號、道岔、股道等)，聯鎖關系的檢查是通過網絡線上的軟件各模塊實現聯鎖條件的檢查，選路無需查表，采取“路路通”的方式。

隨著高速鐵路和客運專線的建設，計算機聯鎖系統需與列控中心(TCC)和無線閉塞中心(RBC)接口適配，系統需增加相應硬件。原有計算機聯鎖軟件缺少對車站進路的管理、信息處理功能，為實現聯鎖與這些設備應用數據的交互，軟件需開發適應高鐵新增功能軟件，尤其是基于站場圖形網絡結構的計算機聯鎖軟件需要開發進路模塊來適配高鐵新應用。

2　需求分析

2.1物理接口

為適應客運專線接口連接需求，計算機聯鎖需增加以太網通信板接入信號安全數據網[1]。通信板硬件采用2取2結構，按照故障-安全原則設計。系統配置兩路RJ45以太網接口，用于連接安全數據網交換機。設備與通信網絡均按冗余配置，采用RSSP-I/II安全通信協議[4]，數據傳輸采用UDP點對點通信方式。圖1為計算機聯鎖與TCC/RBC通信接口連接示意。

圖1　計算機聯鎖與TCC/RBC通信接口連接示意

2.2應用接口

(1)通信接口數據

①列控中心(TCC)需要通過聯鎖設備提供的列車進路和軌道區段狀態信息等完成站內和區間軌道電路的載頻、低頻信息編碼功能，并控制軌道電路的發碼方向[5]。

②無線閉塞中心(RBC)需要聯鎖設備發送信號授權信息[6](SAM)作為計算行車許可[7]的依據。SAM包括：進路類型、進路狀態、降級狀態、進路標識、溜入危險等信息。除此之外車站聯鎖還提供緊急停車區以及限速消息等[8]。

(2)進路與聯鎖表一致性檢查

在C2信號系統中，計算機聯鎖向列控中心發送進路信息，列控中心根據該進路信息下達列車運行許可信息并通過軌道電路實時傳送給列車。對于相同始端、終端的多條變通進路，是根據聯鎖表有選擇的設計進路編號，沒有定義編號的進路列控中心是不能向列車發送運行許可的，而基于站場圖形網絡的計算機聯鎖軟件設計思想是采用“路路通”的模式，顯然已無法滿足高鐵的需求，因此需增加檢查聯鎖表進路的功能。

(3)信號顯示邏輯計算及校驗

①高速鐵路普遍鋪設大號碼道岔以提高線路的側向通過速度[3]，符合進站黃閃黃顯示及USU發碼條件的進路有多條。目前軟件USU邏輯是通過聯鎖數據手工搭建而成，數據編寫量大且容易出錯。通過開發的進路模塊程序自動計算USU的邏輯可以大大提高軟件數據的編寫效率。

②信號顯示關系[9]防護：通過進路、組合進路等有信號顯示聯系的進路可以通過進路，模塊動態驗證靜態聯鎖數據的信號顯示邏輯關系。

3　軟件模塊設計與實現

3.1進路模塊功能

計算機聯鎖軟件是針對面向車站控制對象而研發的。邏輯子程序主要構成分為信號模塊、道岔模塊、股道模塊、盡頭線模塊等。聯鎖各功能模塊是通過站場圖形網絡線連接，實現對進路聯鎖條件的檢查。為實現聯鎖進路信息存儲和管理，軟件開發的進路模塊需具備以下幾個功能。

(1)進路模塊要分別與聯鎖軟件各模塊進行信息交互，來完成進路信息的存儲工作。

(2)實現聯鎖選路與聯鎖表一致性檢查。

(3)利用動態儲存進路信息實現既有聯鎖關系檢查。

(4)通過存儲的進路信息實現USU邏輯計算。

(5)實現對進路緩沖區的管理功能。

(6)進路模塊需從聯鎖軟件各模塊中提取進路狀態信息，形成列控中心(TCC)和無線閉塞中心(RBC)需要的應用數據。

圖2為進路模塊與聯鎖軟件各模塊信息交互及功能示意。

圖2　進路模塊與聯鎖軟件各模塊信息交互及功能示意

圖3是聯鎖邏輯子程序的層次結構。聯鎖邏輯子程序主要包括TCCRBC等通信接口接收層、繼電采集輸入層、聯鎖邏輯處理層、進路處理層、繼電輸出層、TCCRBC等接口邏輯輸出層。進路模塊因在聯鎖子程序的中間層，負責對聯鎖進路邏輯信息整理匯總，支撐著對進路管理及接口的發送功能。

圖3　聯鎖邏輯子程序結構

3.2進路存儲設計

為實現進路的存儲，需申請進路緩沖區來存放聯鎖進路信息。進路的存儲時機是聯鎖選路成功后開始存儲的。通過按下進路的始、終端按鈕(必要時按下進路變更按鈕)，選路網絡構成后，進行進路的存儲。存儲進路信息包括進路始端、終端、道岔、股道等各模塊類型特征及序號(索引值地址)，通過各模塊序號來查詢各聯鎖模塊的狀態。長列車進路的存儲需等進路完全構成后再分割成多個列車進路存儲，對于變更進路的信息存儲則需等進路終端按下后再重新儲存。存儲進路鏈表的順序是從進路的始端開始存儲，沿進路終端方向查找。利用選路網絡原理將進路各模塊信息存儲進路緩沖區。此外進路的存儲設計還應考慮以下幾個方面。

(1)存儲進路場景

存儲進路的場景主要包括列車進路、列車變更進路、長列車進路、長列車變更進路、引導進路等。

(2)存儲容量考慮

①根據列控與聯鎖接口規范要求，列控中心最多處理40條進路[10]，因此需分配40條進路動態存儲空間(緩沖區)。

②一條進路通過網絡線連接的聯鎖模塊存儲數量要滿足大站規模需求，參考站場平面圖設計原則[11]，儲存進路聯鎖模塊數量最多為30個。

③考慮站場規模及聯鎖圖表設計原則[12]，常量進路表數量最多編寫600條，必要時可再擴展。

(3)提取進路狀態

為方便TCC、RBC接口進路信息的生成，需將進路各狀態進行分類、匯總、記錄。例如進路的選路、鎖閉、開放、占用、解鎖、取消、人解狀態等。進路模塊需對車站進路進行統一的管理，但只讀取進路的狀態，進路選路成功后不再改寫原進路狀態。

(4)進路存儲防護

進路緩沖區要考慮進路鎖閉后，再次辦理重疊的進路或部分重疊的進路時不影響已鎖閉進路的存儲。

3.3進路存儲實現

結合圖4站場圖形，以接車進路為例，通過網絡選路原理實現進路的具體存儲。

(1)排列X至XI接車進路，進路始端按鈕X按下后發送選路消息，進路選路開始。

(2)當進路終端按鈕SI按下后，進路終端向始端發送構成進路消息。始端信號X收到構成進路消息后，置初選構成進路狀態。

(3)進路始端檢查自身狀態未在進路緩沖區中使用后，始端信號開始申請未使用的進路緩沖區，同時向進路終端發送存儲進路標志。

(4)所選進路經過的各聯鎖模塊(IAG、D1、C1等)收到始端信號X發送的存儲進路標志后，順序填充進路緩沖區，直到進路終端存儲完畢后結束聯鎖模塊的存儲。

(5)進路模塊通過進路緩沖區存儲進路數據與靜態聯鎖表數據比較，若所選進路始、終端(X、SI)正確，所選道岔(C1)位置正確，則進路繼續選路。若不一致，則返回進路始端讓進路選路失敗。

圖4　進路存儲示意

3.4聯鎖表進路一致性檢查

為實現聯鎖排列的進路與聯鎖表進路一致，需依據聯鎖表制定新的常量進路表數據格式，以方便進路模塊儲存后查找進路表，進行數據比較。常量進路表數據格式應包括進路始端、終端、進路所經過的道岔位置等關鍵信息。進路模塊存儲進路后與常量進路表數據進行比較，檢查進路信息一致性。若一致則繼續存儲進路；不一致則清進路緩沖區，同時讓聯鎖選路失敗。存儲進路緩沖區的進路與聯鎖表一致性檢查具體參照3.3節中(5)步驟。

3.5進路緩沖區管理

進路信息用于TCC生成車載信息編碼和RBC計算行車許可[7]，因此軟件模塊對進路管理具有很強的時效性。進路緩沖區從存儲到清除伴隨著聯鎖進路的所有階段。進路模塊分配了40條進路緩沖區，通過進路標識ID來識別和管理緩沖區。當排列多條進路時，需動態分配不同進路標識ID。進路緩沖區存儲每條進路，對進路的各生命周期要進行實時更新。進路生命周期如圖5所示。

圖5　進路的生命周期

進路緩沖區申請與釋放時機。

(1)申請：聯鎖進路選路后，存儲的進路與常量進路表數據檢查一致后開始申請未使用進路緩沖區。

(2)釋放：①所選進路與聯鎖表不一致，進路清除；②進路模塊實時查詢聯鎖進路狀態，當其中某一條進路取消、人解、解鎖后，清除此條進路緩沖區。

3.6自動計算USU

(1)對于高速鐵路，進路模塊只需計算進路中道岔是否滿足18號及以上[13]條件來判斷是否滿足USU邏輯。

(2)對于普速鐵路，進路模塊需將2條組合進路拼接，分別對各自進路計算進路中道岔是否滿足18號及以上[14]條件。若2條進路均滿足，則可進行USU邏輯計算。

3.7進路模塊的功能劃分

選擇多功能結構化設計，利于系統的集成化測試，減小程序圈復雜度[15]，方便模塊接口測試。進路模塊軟件按程序執行順序及功能可劃分為模塊初始化、進路存儲、設置TCC/RBC數據格式(接口發送)、計算進路USU、清除進路緩沖區、日志記錄等。

進路模塊程序處理流程如圖6所示。

圖6　進路模塊程序處理流程

4　軟件模塊安全性分析

4.1對既有軟件安全性影響分析

(1)采用模塊化設計避免了對原有聯鎖軟件的大幅修改而降低系統的可靠性和安全性。同時為適應今后鐵路發展新需求，軟件已具備可持續性開發需求。

(2)進路模塊只讀取車站進路中各模塊狀態，不會影響原有進路的安全性。即對選路以后的進路狀態信息只讀取而不改寫，不影響原有聯鎖軟件的聯鎖關系，從而最大限度地降低對系統軟件的影響。

(3)進路模塊對進路的信息實施嚴格的進路表檢查。常量進路表數據和進路存儲的動態數據嚴格校核，使聯鎖系統不會選出進路表以外的進路，保證了列控系統和聯鎖系統控車范圍的一致性。

(4)進路模塊接口功能設計符合故障-導向安全原則。對檢查實時儲存的進路信息與靜態數據不一致，采取對應接口數據不發送或發送協議定義的安全側數據。對列控中心、無線閉塞中心設備的接口靜態數據采用雙份數據、正反碼校核處理。通過數據校驗后讓進路模塊處理接口數據更加準確無誤。

4.2對既有軟件安全性提升分析

原有聯鎖軟件對靜態邏輯數據是通過聯鎖試驗和數據人工審核方法來去驗證，測試封裝后的軟件直接應用于現場。通過提取動態存儲的進路信息可以實時驗證聯鎖靜態數據，實現了對出廠后的聯鎖軟件關鍵數據的實時防護。

(1)組合進路信號顯示的校核

組合進路的信號顯示邏輯是通過《車站信號顯示關系圖》構建的。通過聯鎖開發的車站CAD輔助工具搭建聯鎖條件，當聯鎖條件成立后在聯鎖子程序邏輯輸出層輸出有效數據，驅動信號點燈繼電器控制室外信號顯示的輸出。利用開發的進路模塊，查詢進路信息的狀態可以實現組合進路聯鎖邏輯關系的檢查。以進站通過進路的動態數據構建過程為例：進路模塊對通過進路拼接后，可以計算進站信號及發車信號是否滿足通過進路的直出條件和信號的開放條件，從而檢查通過進路TXJ數據的有效性。將進路模塊中TXJ實時計算的邏輯結果與靜態聯鎖條件邏輯輸出結果比較一致后輸出，TXJ得到有效驗證。

(2)進站ZXJ數據校核

進站正線信號繼電器ZXJ是用來區分進站U與UU顯示的[16]。它反映接車信號是開往到發線還是正線股道的。聯鎖子程序對于ZXJ的邏輯輸出也是通過CAD輔助工具將正線道岔的所有直股位置邏輯條件串接在一起。進路模塊存儲進路的所有道岔，通過對道岔的數量、位置以及是否開通直股特性來計算進站ZXJ的邏輯。計算后的結果與CAD生成的ZXJ聯鎖數據比較，可以有效驗證對于ZXJ的數據填寫錯誤，尤其是對ZXJ聯鎖數據中錯誤填寫多余道岔的檢查格外有效。

5　結語

車站計算機聯鎖軟件的進路模塊的開發填補了計算機聯鎖軟件對進路信息管理的空白。適應了車站計算機聯鎖的客運專線的新發展需求，為客專接口應用數據提供了有力的支撐。通過“6502網絡”構建方式，搭建存儲進路鏈表，新開發的應用軟件實現了對聯鎖關鍵數據、邏輯關系的檢查，增加了新的聯鎖數據安全防護方式。通過對聯鎖子系統軟件的模塊化設計、安全性分析及模塊的安全測試，事實證明已開發的進路模塊在新型計算機聯鎖軟件功能中起到了至關重要的作用。目前該套聯鎖系統已在成灌、昌九、龍廈、廣西沿海鐵路、湘桂等多條客運專線、200余車站開通使用，應用效果良好。隨著我國高鐵建設步伐的加快，該項研究成果將在高速鐵路上得到更廣泛的應用。

[1]中國鐵路總公司.鐵總運[2014]353號高速鐵路信號系統安全數據網技術規范V3.0[S].北京：中國鐵路總公司，2014.

[2]郭進.鐵路信號基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[3]中國鐵路總公司.高速鐵路管理人員與專業技術人員培訓教材 計算機聯鎖系統[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[4]鐵道部運輸局.運基信號[2010]267號鐵路信號安全通信協議[S].北京：鐵道部運輸局，2010.

[5]鐵道部科學技術司.科技運[2010]138號列控中心技術規范[S].北京：鐵道部科學技術司，2010.

[6]鐵道部運輸局.運基信號[2010]533列控系統RBC接口規范[S].北京：鐵道部運輸局，2010.

[7]國家鐵路局.TB/T3330—2015無線閉塞中心技術規范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[8]張曙光.CTCS-3級列控系統總體技術方案[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[9]傅世善.鐵路信號顯示[M].北京： 中國鐵道出版社，2001.

[10]中國鐵路總公司.鐵總運[2015]75號高鐵列控中心接口暫行技術規范[S].北京：中國鐵路總公司，2015.

[11]中華人民共和國鐵道部.TB/T 10007—2006鐵路信號設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[12]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1123—1992鐵路信號聯鎖圖表編制原則[S].北京：中國鐵道出版社，1992.

[13]中國鐵路總公司.鐵路技術管理規程(高速鐵路部分)[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[14]中國鐵路總公司.鐵路技術管理規程(普速鐵路部分)[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[15]中華人民共和國國家標準.GB/T28808—2012軌道交通 通信、信號和處理系統控制和防護系統軟件[S].北京：中國標準出版社，2012.

[16]何文卿.6502電氣集中電路[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

Research on Application of Computer Interlocking Software in High-speed Railway Based on Station Graphic Network

LIU Peng

(Communication and Signaling Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

To meet interface requirements for high speed railway train control system， the application software needs new route module to realize the interface application information interaction while the signal safety data network is being introduced into the computer interlocking system. The route module uses the routing principle of the network structure of the original interlocking software to fulfill route information storage and employs the characteristics of the large number switch in the route to conduct automatic calculation of the signal display in accordance with the condition of yellow-flashing-yellow. When software modular design is conducted， the requirement， design， structure and security of the software are analyzed in a comprehensive way to ensure the compatibility and sustainability of the interlocking subsystem software. The upgrading of computer interlocking software not only meets the requirements of train control system for high speed railway， but also improves the security and reliability of the original software．

Computer interlocking; Software; Route processing; Interface

2016-02-20；

2016-03-14

鐵道部科技研究開發計劃重點課題(2012X004-E)

劉鵬(1982—)，男，助理研究員，2005年畢業于蘭州交通大學自動化專業，主要從事交通信息工程及控制專業。E-mail：liupeng_82@163.com。

1004-2954(2016)09-0141-05

U284

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.031