齊志華
(中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所,100081,北京//副研究員)
重慶軌道交通2號(hào)線北延伸段(以下簡(jiǎn)稱“2號(hào)線)采用了高架跨坐單軌制式[1]。并選用了固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)。該信號(hào)系統(tǒng)敷設(shè)在軌道梁肩部,由調(diào)度集中(CTC)子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CBI)子系統(tǒng)、列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)子系統(tǒng)及列車位置檢測(cè)(TD)子系統(tǒng)組成[2]。
CBI子系統(tǒng)采用了具備SIL4級(jí)安全證書的國產(chǎn)化TYJL-III型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[3-4],從層次上分為操作顯示層、邏輯運(yùn)算層和輸入輸出層。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5-7]。操作顯示層包括操作顯示子系統(tǒng)和記錄查詢子系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)為車務(wù)和電務(wù)人員提供系統(tǒng)操作監(jiān)控和分析維護(hù),為CTC子系統(tǒng)及集中監(jiān)測(cè)等其他系統(tǒng)提供信息接口;邏輯運(yùn)算層包括聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度管理并進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算;輸入輸出層包括輸入子系統(tǒng)和輸出子系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)接收聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)命令并驅(qū)動(dòng)軌旁設(shè)備接口層相應(yīng)繼電器,從而控制軌旁設(shè)備,同時(shí)向聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)反饋軌旁設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。
由文獻(xiàn)[9-11],2號(hào)線的主要發(fā)碼設(shè)計(jì)原則為:

圖1 TYJL-III型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
信號(hào)機(jī)未開放信號(hào)前,防護(hù)進(jìn)路的信號(hào)機(jī)內(nèi)方軌道區(qū)段、信號(hào)外方第一區(qū)段均不發(fā)碼;進(jìn)站信號(hào)機(jī)開放后,接近區(qū)段和接車進(jìn)路上的區(qū)段按設(shè)計(jì)圖要求驅(qū)動(dòng)速度碼;發(fā)車信號(hào)機(jī)開放后,股道和發(fā)車進(jìn)路上的區(qū)段按設(shè)計(jì)圖的要求驅(qū)動(dòng)速度碼;調(diào)車信號(hào)機(jī)開放后,接近區(qū)段和調(diào)車進(jìn)路上的區(qū)段按設(shè)計(jì)圖的要求驅(qū)動(dòng)速度碼;發(fā)碼按照從遠(yuǎn)及近的順序驅(qū)動(dòng)進(jìn)路上的碼繼電器,除了進(jìn)路終端區(qū)段外,前方未發(fā)允許碼,后方發(fā)禁止碼;進(jìn)路正常時(shí),當(dāng)前方相鄰區(qū)段順序占用時(shí),本軌道區(qū)段停止發(fā)碼,前方區(qū)段跳動(dòng)時(shí),不影響發(fā)碼;當(dāng)進(jìn)路非正常占用或聯(lián)鎖條件不滿足(包括進(jìn)路始端解鎖后的道岔斷表示、超限、防護(hù)等)時(shí),進(jìn)路上的所有區(qū)段均停止發(fā)碼;當(dāng)區(qū)段不能正常解鎖時(shí),停止本區(qū)段和前方區(qū)段的發(fā)碼;當(dāng)收到緊急關(guān)閉信息時(shí),相應(yīng)的緊急關(guān)閉軌道區(qū)段停止發(fā)碼;股道發(fā)允許碼時(shí),收到屏蔽門未關(guān)閉信息時(shí),股道區(qū)段停止發(fā)碼,當(dāng)收到屏蔽門關(guān)閉正常信息后,能恢復(fù)發(fā)允許碼;引導(dǎo)信號(hào)開放時(shí),引導(dǎo)信號(hào)進(jìn)路區(qū)段及接近區(qū)段不發(fā)碼;當(dāng)收到限速信息時(shí),如果對(duì)應(yīng)的區(qū)段發(fā)列車允許碼,并且高于25碼(即25 km/h)時(shí),則降為25碼;接車進(jìn)路或調(diào)車進(jìn)路的車列全部進(jìn)入股道后,開始停穩(wěn)延時(shí),并繼續(xù)發(fā)允許碼,停穩(wěn)延時(shí)到后,停止發(fā)允許碼;當(dāng)調(diào)車進(jìn)路車列全部進(jìn)入無岔區(qū)段時(shí),開始停穩(wěn)延時(shí),并繼續(xù)發(fā)允許碼,經(jīng)過一段時(shí)間后(停穩(wěn)結(jié)束),停止發(fā)允許碼;股道同時(shí)存在的接、發(fā)車進(jìn)路性質(zhì)不一致時(shí),股道發(fā)接車進(jìn)路碼值,當(dāng)車全部進(jìn)入股道,停穩(wěn)延時(shí)結(jié)束后,直接轉(zhuǎn)為發(fā)車進(jìn)路碼值。
既有聯(lián)鎖邏輯軟件將站場(chǎng)按照信號(hào)、道岔、區(qū)段等類別定義結(jié)構(gòu)體模塊,并通過消息的傳遞來連接各模塊。消息包括選路消息、進(jìn)路消息及引導(dǎo)消息。每個(gè)結(jié)構(gòu)體模塊接收上一個(gè)結(jié)構(gòu)體模塊的消息后進(jìn)行邏輯運(yùn)算,再將消息輸出給下一個(gè)結(jié)構(gòu)體模塊。以進(jìn)路為例,聯(lián)鎖邏輯軟件將消息從進(jìn)路始端,依次經(jīng)過進(jìn)路各結(jié)構(gòu)體模塊,傳遞至進(jìn)路終端,再將消息從該進(jìn)路終端依次經(jīng)過進(jìn)路各結(jié)構(gòu)體模塊最終傳遞回進(jìn)路始端,從而完成整個(gè)消息循環(huán)。
既有操作顯示軟件采用面向?qū)ο蟮乃悸罚阅K化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,接收聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的站場(chǎng)信息并實(shí)時(shí)顯示站場(chǎng)狀態(tài),接收車站車務(wù)值班員的操作命令并正確傳達(dá)給聯(lián)鎖邏輯軟件以進(jìn)行邏輯處理,從而完成對(duì)站場(chǎng)設(shè)備的控制。
例如,2號(hào)線的魚洞站在軌道區(qū)段設(shè)置了發(fā)碼繼電器,以表示區(qū)段的發(fā)碼值。其站場(chǎng)布置示意圖見圖2。

圖2 魚洞站站場(chǎng)布置示意圖
從圖2可見,區(qū)段發(fā)碼功能同信號(hào)機(jī)的開放狀態(tài)及列車運(yùn)行的位置信息相關(guān)聯(lián),每一條進(jìn)路的各區(qū)段發(fā)碼值不一定相同,不同性質(zhì)進(jìn)路(如列車進(jìn)路和調(diào)車進(jìn)路)的發(fā)碼值也不相同。魚洞站發(fā)碼繼電器的發(fā)碼信息包括:①列車碼,用于列車進(jìn)路,用75J、65J、60J、50J、45J、35J及25J表示;②調(diào)車碼,用于調(diào)車進(jìn)路,用S25J、S15J表示;③X碼,用于輕軌車輛段和折返線,用XMJ表示;④禁止碼,表示所有發(fā)碼繼電器落下時(shí)該繼電器吸起,用01MJ表示。其中,列車碼和調(diào)車碼的數(shù)值表示列車進(jìn)入該區(qū)段的最高行駛速度(單位為km/h)。
同時(shí),發(fā)碼繼電器是與方向繼電器配合使用和設(shè)置的。方向繼電器包括上行方向繼電器LR和下行方向繼電器RR。配合發(fā)碼功能的方向繼電器設(shè)置條件為:①單向運(yùn)行區(qū)段不設(shè)置方向繼電器。②雙向運(yùn)行時(shí),常態(tài)方向區(qū)段不設(shè)置方向繼電器,反向進(jìn)路區(qū)段設(shè)置方向繼電器。當(dāng)上行向下行方向排列進(jìn)路時(shí),驅(qū)動(dòng)RR方向繼電器;當(dāng)下行向上行方向排列進(jìn)路時(shí),驅(qū)動(dòng)LR方向繼電器。③當(dāng)發(fā)碼方向發(fā)生改變時(shí),先驅(qū)動(dòng)方向繼電器,待其吸起后再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)碼繼電器。④當(dāng)發(fā)碼狀態(tài)由允許碼變?yōu)榻勾a后,先停止驅(qū)動(dòng)發(fā)碼繼電器,再停止驅(qū)動(dòng)方向繼電器。
根據(jù)既有軟件和2號(hào)線發(fā)碼要求,CBI子系統(tǒng)采用不影響既有聯(lián)鎖邏輯軟件和操作顯示軟件程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路,控制發(fā)碼繼電器和方向繼電器的輸出,并將其實(shí)時(shí)顯示在操作顯示軟件界面中,從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯軟件的發(fā)碼功能和操作顯示軟件的發(fā)碼顯示功能。這樣既能保障既有軟件的通用性及安全性,又能滿足特定需求。
為了驗(yàn)證提出的交互雙模自適應(yīng)降階無跡卡爾曼濾波算法的有效性,采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。將式(6)表述為:
(1) 在聯(lián)鎖邏輯軟件中新增發(fā)碼模塊。在既有聯(lián)鎖邏輯軟件與發(fā)碼相關(guān)聯(lián)的模塊中,定義并設(shè)置新的發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊。聯(lián)鎖邏輯軟件通過該發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行發(fā)碼邏輯運(yùn)算,檢查聯(lián)鎖外部條件,最終完成對(duì)發(fā)碼繼電器和方向繼電器的信息采集和驅(qū)動(dòng)。此設(shè)計(jì)適用于各種類型和規(guī)模的站場(chǎng),便于系統(tǒng)維護(hù)和站場(chǎng)升級(jí)改造,提高了系統(tǒng)的通用性和可維護(hù)性;不影響既有成熟的軟件結(jié)構(gòu),便于車站現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)鎖軟件因設(shè)計(jì)變更而增加或去除相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息;新定義的發(fā)碼模塊將全部檢查條件設(shè)置在模塊內(nèi)部,有效地避免了數(shù)據(jù)重復(fù)檢查問題的產(chǎn)生。相對(duì)于傳統(tǒng)編寫發(fā)碼數(shù)據(jù)的方法,該方法可簡(jiǎn)單制作站場(chǎng)聯(lián)鎖數(shù)據(jù),并使每個(gè)模塊功能統(tǒng)一,有效避免了發(fā)碼數(shù)據(jù)遺漏情況的發(fā)生。
(2) 在操作顯示軟件中新增發(fā)碼顯示模塊。在既有操作顯示軟件結(jié)構(gòu)中,定義新的發(fā)碼顯示模塊結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體接收由聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的發(fā)碼狀態(tài)信息和發(fā)碼方向信息,并實(shí)時(shí)正確顯示在操作顯示界面。
在不影響既有聯(lián)鎖邏輯軟件和操作顯示軟件的程序結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,分別對(duì)聯(lián)鎖邏輯軟件的發(fā)碼功能和操作顯示軟件的發(fā)碼顯示功能進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。
2.4.1 發(fā)碼功能的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)既有聯(lián)鎖邏輯軟件的結(jié)構(gòu)和消息傳遞方式,新定義的發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)置在既有相應(yīng)的無岔、道岔及股道等模塊中。發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊之間同樣采取消息傳遞的方式。這樣既可得到相關(guān)區(qū)段、道岔及股道模塊的信息,又能通過消息傳遞的方式取得相鄰發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊的消息,實(shí)現(xiàn)發(fā)碼消息的傳遞過程。
圖3為新定義的發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊在既有軟件相應(yīng)模塊中的設(shè)置方式和消息傳遞過程。由圖3可見:①虛線表示的引導(dǎo)消息和選路消息與發(fā)碼模塊沒有直接聯(lián)系;②新定義的發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊只獲取既有模塊的進(jìn)路消息作為發(fā)碼運(yùn)算依據(jù),且不影響或也不修改此消息值;③發(fā)碼消息由股道、道岔及無岔等模塊接收后,傳遞給發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊運(yùn)算處理;④在進(jìn)路已建立的條件下,發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊綜合傳遞進(jìn)路消息、進(jìn)路中包含信號(hào)機(jī)的開放狀態(tài)及列車運(yùn)行位置等信息,經(jīng)邏輯運(yùn)算輸出相應(yīng)的發(fā)碼值和發(fā)碼消息,從而完成全部發(fā)碼功能。

圖3 發(fā)碼模塊設(shè)置及消息傳遞過程
圖4為軟件發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)正確發(fā)碼功能的基本流程。由圖4可見,根據(jù)設(shè)計(jì)發(fā)碼原則,聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)碼模塊實(shí)現(xiàn)了從相應(yīng)的區(qū)段獲取傳遞的進(jìn)路消息值并用于判斷進(jìn)路狀態(tài),依據(jù)進(jìn)路性質(zhì)、進(jìn)路方向、列車運(yùn)行位置等因素決定該區(qū)段的發(fā)碼條件和發(fā)碼值,并經(jīng)邏輯運(yùn)算確定用于該區(qū)段發(fā)碼的發(fā)碼繼電器和方向繼電器的驅(qū)動(dòng)條件,最終完成發(fā)碼的控制輸出。
2.4.2 發(fā)碼顯示功能的實(shí)現(xiàn)
結(jié)合碼序表、聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)碼設(shè)計(jì),操作顯示軟件應(yīng)具備接收聯(lián)鎖邏輯軟件傳送的發(fā)碼值即速度碼,并在操作顯示軟件人機(jī)交互界面中相應(yīng)的區(qū)段顯示該速度碼的功能。依據(jù)聯(lián)鎖邏輯軟件處理的發(fā)碼繼電器和方向繼電器種類信息,操作顯示軟件顯示速度碼參數(shù)、含義如表1所示。

圖4 發(fā)碼結(jié)構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)碼功能的流程

表1 速度碼顯示參數(shù)及含義
根據(jù)速度碼顯示參數(shù)及含義,發(fā)碼顯示模塊設(shè)置在既有操作顯示軟件中的軌道模塊及道岔模塊中,接收處理聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的發(fā)碼狀態(tài)信息,并實(shí)時(shí)顯示。圖5為新增加的發(fā)碼顯示模塊邏輯運(yùn)算流程。

圖5 軟件發(fā)碼顯示模塊邏輯運(yùn)算流程
新增發(fā)碼模塊既不引入新的錯(cuò)誤,也不影響既有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu),并使CBI子系統(tǒng)仍符合SIL4級(jí)安全等級(jí)要求,對(duì)新增發(fā)碼模塊及CBI子系統(tǒng)按相關(guān)安全等級(jí)的要求進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析、模塊級(jí)代碼測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試、系統(tǒng)安全驗(yàn)證和確認(rèn)等。
文獻(xiàn)[14-17]的分析、測(cè)試及驗(yàn)證結(jié)論表明:設(shè)計(jì)開發(fā)的發(fā)碼模塊通過了模塊級(jí)代碼測(cè)試;設(shè)計(jì)開發(fā)中沒有引入新的錯(cuò)誤,不影響既有系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu),滿足測(cè)試要求和設(shè)計(jì)需求;采用此發(fā)碼設(shè)計(jì)的TYJL-III型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)足夠安全,并符合SIL4級(jí)安全等級(jí)要求,滿足2號(hào)線的要求。
采用這種發(fā)碼設(shè)計(jì)的TYJL-III型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格規(guī)范的工程設(shè)計(jì)、軟件編制、軟件測(cè)試與驗(yàn)證、系統(tǒng)聯(lián)鎖試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)[18],已在2號(hào)線投入使用。
使用情況表明,采用這種發(fā)碼設(shè)計(jì)的TYJL-III型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)滿足了2號(hào)線的特殊發(fā)碼需求。圖6為TYJL-III型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的站場(chǎng)界面實(shí)景圖。

圖6 車站CBI子系統(tǒng)發(fā)碼設(shè)計(jì)站場(chǎng)界面實(shí)景圖
區(qū)段的發(fā)碼是信號(hào)的顯示,給列車提供正確運(yùn)行的授權(quán)條件。2號(hào)線計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng),經(jīng)一年多運(yùn)營(yíng)表明,系統(tǒng)應(yīng)用良好,達(dá)到了預(yù)期目的和效果。此發(fā)碼設(shè)計(jì)既可保障既有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性和安全性,又能有效提高計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性,能顯著提高軌道交通運(yùn)營(yíng)效率。
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[17] 中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所.重慶市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目二號(hào)線延伸段信號(hào)系統(tǒng)工程-計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)-系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告V1.0[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所,2014.
[18] 中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所.重慶輕軌計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)工程應(yīng)用研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所,2014:17.