計算機聯(lián)鎖控制電路仿真系統(tǒng)的設計與研究

李 勝

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100071）

1 概述

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是以技術手段實現(xiàn)進路控制，保障站內行車安全的重要系統(tǒng)。較繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)而言，將許多由繼電邏輯電路完成的工作改由軟件進行邏輯處理完成，極大的簡化了現(xiàn)場繼電電路[1]。同時，考慮到安全性，國內目前的聯(lián)鎖控制電路結構仍然采用原繼電電路方式，這部分繼電電路以及其所控制的室外設備（如信號機、轉轍機），往往是現(xiàn)場易發(fā)生故障的地方。當現(xiàn)場設備發(fā)生故障時，主要依靠技術人員人工運行電路邏輯以及經(jīng)驗來分析查找故障。因此，現(xiàn)場技術人員水平的高低直接影響到處理故障的好壞。隨著鐵路行業(yè)對運輸效率的要求越來越高，當設備發(fā)生故障時，留給現(xiàn)場維護人員解決故障的時間極為短暫，如何減輕現(xiàn)場維護人員的工作強度及壓力，確保行車作業(yè)的高效運行，已成為當前研究的重點。

根據(jù)計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)和室外設備工作的特點及原理，考慮從聯(lián)鎖維修機及集中監(jiān)測系統(tǒng)中獲取其相關電路元器件的狀態(tài)及電氣參數(shù)信息，利用計算機技術來實現(xiàn)控制電路的動態(tài)仿真。該系統(tǒng)將控制電路的動作情況直觀展示在可顯示的終端上，便于現(xiàn)場人員掌握設備工作情況。當設備故障時，起到輔助現(xiàn)場維護人員對設備進行維護維修的作用。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)采用客戶機及服務器結構，利用C#語言進行軟件開發(fā)設計，SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理所有圖形數(shù)據(jù)表格，系統(tǒng)基本構成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

圖1中靜態(tài)電路圖數(shù)據(jù)主要存儲圖形靜態(tài)數(shù)據(jù)，即電路處于常態(tài)時，按照制定的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)計出電路基礎數(shù)據(jù)，一張電路圖對應一張數(shù)據(jù)表格。動態(tài)數(shù)據(jù)則通過集中監(jiān)測系統(tǒng)及聯(lián)鎖維修機實時獲取。操作顯示終端提供用戶操作界面，向服務器發(fā)送請求；服務器響應用戶請求，提取相關電路圖靜態(tài)數(shù)據(jù)，結合動態(tài)數(shù)據(jù)進行邏輯處理，將處理結果返回終端，以圖形顯性數(shù)據(jù)進行展示。

3 靜態(tài)電路圖繪制

3.1 電路基礎數(shù)據(jù)

考慮到不同聯(lián)鎖廠家的控制電路存在一定差異，為保證程序的通用性，參考信號設計相關書籍及圖紙，對常見的電氣元件符號進行歸納總結，形成圖形庫[2]。各廠家的控制電路均是由圖形庫中不同類型的電氣元件組裝而成，提前約定好這些元件符號的數(shù)據(jù)格式，編制某電路圖的基礎數(shù)據(jù)時，根據(jù)制定好的數(shù)據(jù)格式進行統(tǒng)計，最終形成一張電路數(shù)據(jù)表。表中每行數(shù)據(jù)包含電路圖中某個圖形符號的基本信息，整張表則包含程序繪制該靜態(tài)電路圖所需的完整數(shù)據(jù)，程序根據(jù)讀取到的表格數(shù)據(jù)按行進行解析，最終還原出該電路圖。當電路修改時，只需改動數(shù)據(jù)表格內容，無需修改程序，保證程序的通用性。

控制電路圖形庫中主要有各類型繼電器、熔斷器、配線接點、電容、電阻、變壓器及電源等圖形符號，按不同類型電氣元件圖形的特點分別建類，類屬性中不僅包含程序繪制圖形所需的基本數(shù)據(jù)（基點位置坐標，元件名稱等），還包括該電路元件的特殊電氣指標或狀態(tài)屬性等，以某圖元數(shù)據(jù)格式舉例，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)格式

常見控制電路主要包括信號機點燈電路、道岔控制電路等，它們均是各類圖形符號按一定的方式連接而成，且這些電路通常為定型電路。因此，針對不同聯(lián)鎖廠家的控制電路統(tǒng)計出相應的數(shù)據(jù)模板，以表格形式存入SQL Server數(shù)據(jù)庫中。以某聯(lián)鎖系統(tǒng)出站信號機點燈控制電路為例，描述系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，該系統(tǒng)一方向出站信號機點燈電路如圖2所示。

圖2 某出站信號機點燈電路

該電路展示了平時所處的一個常態(tài)，其室內電路主要包括信號機點燈電源、熔斷器（RD）、燈絲繼電器（DJ）及其他繼電器接點等，室外部分主要包括點燈單元及信號燈泡等。根據(jù)電路圖中的圖形符號，依次按制定好的圖元數(shù)據(jù)模板，人工統(tǒng)計出整張電路圖的基礎數(shù)據(jù)，存入本地數(shù)據(jù)庫，供電路仿真系統(tǒng)調用。

3.2 電路圖繪制流程

電路圖的繪制及顯示過程主要經(jīng)歷如圖3所示幾個步驟，在用戶提出調看某電路圖時，系統(tǒng)從電路數(shù)據(jù)表中讀取對應的數(shù)據(jù)表格，對表中每一行數(shù)據(jù)進行解析（解析的過程即是類對象實例化的過程）。[3]程序調用GDI函數(shù)進行繪圖，繪圖數(shù)據(jù)存入雙緩沖圖形區(qū)，待整張表格數(shù)據(jù)全部轉換為圖形數(shù)據(jù)后，一次性輸出到顯示終端進行顯示。[4]

圖3 靜態(tài)電路圖繪制過程

4 動態(tài)數(shù)據(jù)分析

為實現(xiàn)動態(tài)電路圖的繪制，除電路處于常態(tài)的基礎數(shù)據(jù)外，需明確電路中部分元件的狀態(tài)及電氣參數(shù)等。如圖2中不同信號燈點燈，取決于控制電路中電源及相關繼電器接點的狀態(tài)，即信號控制電路本身存在一定的邏輯關系，表2為該出站信號機正常點燈情況對應表。

表2 點燈對應表

為反映電路實時的動作情況，系統(tǒng)需獲知部分電氣元件的實際狀態(tài)。如圖2中，需明確LXJ、DXJ的吸起落下狀態(tài)，流經(jīng)DJ的電流值等。同樣，對于道岔控制電路，需明確DCJ、FCJ、SJ等相關繼電器的狀態(tài)。由于道岔控制設備（轉轍機）處于動態(tài)時具有一定的時間特性，程序結合集中監(jiān)測系統(tǒng)提供的1DQJ開關量信息,獲知道岔動作的起始時間，精確反映其動作過程。當?shù)啦砜刂圃O備處于靜態(tài)時，程序根據(jù)DBJ、FBJ的狀態(tài)值以及其電壓值，確保表示電路的正確反映。[5]

這些動態(tài)信息主要來自聯(lián)鎖維修機及集中監(jiān)測系統(tǒng)，聯(lián)鎖維修機提供其從聯(lián)鎖機獲取的繼電器碼位信息，[6]。仿真系統(tǒng)根據(jù)集中監(jiān)測系統(tǒng)、聯(lián)鎖維修機提供的數(shù)據(jù)信息，并在電路靜態(tài)數(shù)據(jù)的基礎上進行處理，展示出控制電路的動態(tài)情況。

5 動態(tài)電路繪制

5.1 搜索思路

計算機聯(lián)鎖控制電路圖中的每單個圖形符號視為一個節(jié)點，各圖形符號之間的連接組成了一張由節(jié)點連接形成的網(wǎng)絡圖，圖4為將圖3轉換為節(jié)點的網(wǎng)絡圖。在圖4中的每一個節(jié)點給予一個唯一的ID值，該節(jié)點的數(shù)據(jù)屬性值中儲存了與之相鄰的節(jié)點 ID 值[7]。

圖4 出站信號機網(wǎng)絡圖

本設計是利用程序模擬人的思維來跑電路，搜索出電路連通的路徑。即從正電源端開始，采用深度優(yōu)先搜索（DFS）算法，依次向縱深方向搜索與之相連的節(jié)點，每搜索一個節(jié)點，則根據(jù)該節(jié)點所對應的元件電氣特點進行分析，利用程序來控制搜索的方向及結束條件的判斷。

5.2 搜索流程控制

程序采用遞歸的方法并結合控制電路的特點來實現(xiàn)路徑搜索，遞歸實現(xiàn)深度搜索的基本過程如下[8]：

1）訪問頂點V；

2）獲取頂點V的第一個鄰接點A；

3）While（鄰接點A存在）

If（A未訪問過）

從A點出發(fā)遞歸執(zhí)行該過程；

A=頂點V的下一個鄰接點；

在計算機聯(lián)鎖控制電路中，可將電源正極看成起始頂點，依次處理從各正電源開始與該頂點相連的鄰接點并保存該頂點ID值。

搜索的核心方法void test(int pid, Listvec, int flag, int ppid)，其中pid為當前需處理圖形ID值，List vec為一個泛型動態(tài)集合，用于保存從頂點開始至當前搜索ID之間通道上的ID值，flag為電源配對標志。若當前ID所代表的類型可與起始頂點的電源類型配對（一張電路圖中可存在多路電源），則代表搜索出一條導通電路路徑，保存該條路徑ID值至通道二維泛型集合中，隨后程序跳回上一級有分支處，繼續(xù)向下搜索。反之，則直接向下搜索。ppid可視為pid的一個父節(jié)點，即為當前處理pid的上一個已搜索過的ID值，用來控制搜索方向，避免死循環(huán)。

程序在搜索過程中通過調用自身實現(xiàn)節(jié)點的遍歷，而搜索過程中對每一個ID的處理，則是根據(jù)電路元件特點有不同的處理方法（這部分處理方式已寫入程序中），程序根據(jù)該ID值以及來自聯(lián)鎖維修機的動態(tài)信息對該頂點的連通關系進行處理。下面以繼電器接點為例說明程序處理過程，如圖5所示。

圖5 繼電器接點示意圖

繼電器共有3個端子（中接點、前接點及后接點）與其他電路元件相連（前、后接點其中一個可為空），程序根據(jù)該繼電器接點的ID值與聯(lián)鎖維修機傳遞的狀態(tài)值進行對應，可知該接點當前所處的狀態(tài)，如該繼電器接點處于落下狀態(tài)，則代表后接點閉合。因此，程序讀取與該繼電器后接點相連的元件ID值。反之，則讀取與前接點相連的元件ID值，限于篇幅，其余類型圖符處理方法不再介紹。

程序依次搜索并將搜索過程中的元件ID值存入數(shù)組中保存。當路徑搜索到邊界時，比如搜索到可配對的電源負極，則表示該電路接通，此時將該徑路中搜索過的ID值作為一條選通路徑進行保存。若是搜索到某條支路的盡頭仍不能形成回路，則表示該路徑不能選通，搜索點跳回到上一級未被訪問的節(jié)點處繼續(xù)向下搜索，每搜索出一條連通的徑路，則將其保存，直到所有相連的接點訪問完為止。路徑搜索完成后，程序根據(jù)搜索出來的路徑，將電路圖進行重繪，對選通的路徑進行特殊標記，本設計采用不同顏色進行區(qū)分，如圖6所示。

圖6 電路選通示意圖

聯(lián)鎖維修機只提供聯(lián)鎖系統(tǒng)自身驅動及采集的繼電器狀態(tài)信息，其余繼電器的狀態(tài)應根據(jù)每選通一條路徑時，對這條路徑中的繼電器狀態(tài)進行記錄。系統(tǒng)定時根據(jù)聯(lián)鎖維修機及集中監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行新的導通路徑搜索工作，實現(xiàn)電路圖的動態(tài)顯示。

6 結束語

本系統(tǒng)實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖監(jiān)控層控制電路實際工作情況的動態(tài)展示，有助于現(xiàn)場維護人員直觀了解控制電路的工作過程，以用于分析故障，具備較強的實用價值。同時，為充分發(fā)揮本系統(tǒng)在輔助故障分析方面的作用，下一步將在該系統(tǒng)基礎上繼續(xù)深入設計，實現(xiàn)自動判斷故障范圍或位置的功能。

[1]趙志熙.計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)技術[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[2]王秉文.6502電氣集中工程設計[M].北京：中國鐵道出版社， 1997.

[3]江凌，楊平利，楊梅，等.基于ADO.NET技術訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫的編程實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2014（8）：95-98.

[4]江建國，溫少營，張瑞楠.基于雙緩沖技術的GDI+無閃爍繪圖[J].計算機應用，2012，32（S2）:136-139.

[5]徐奕.基于繼電特性的繼電器電路設計與分析[J].電子世界，2012（6）:48-49.

[6]李萍.鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[7]王躍華，楊成建，楊揚. 鐵路信號繼電電路的計算機輔助設計及仿真的研究[J].鐵路計算機應用,2012, 21（8）:41-43.

[8]湯亞玲.遞歸算法設計及其非遞歸化研究[J].計算機技術與發(fā)展，2009，19（11）:85-88.

[9]孫寧，邱兆陽，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中人機會話層安全分析[J].鐵路通信信號工程技術，2016，13（4）:19-22.