鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王彩

（新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830011）

近幾年，隨著鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，高密性、重載性以及高速性成為了其主要發(fā)展方向，大部分車站的鐵路信號(hào)聯(lián)鎖裝置已經(jīng)沒有辦法滿足鐵路信號(hào)安全性的更好需求。從技術(shù)方面來看，電氣聯(lián)鎖和機(jī)械聯(lián)鎖是鐵路信號(hào)系統(tǒng)所經(jīng)歷的最重要兩個(gè)階段。現(xiàn)如今，我國(guó)繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)仍然應(yīng)用在干線鐵路和企業(yè)自備鐵路中。在70年代末期出現(xiàn)的新型微處理器以及相關(guān)技術(shù)理論的完善，正在使人們認(rèn)識(shí)到以微型計(jì)算機(jī)所謂計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)核心應(yīng)用的重要性。

通常情況下，常規(guī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不能保證故障解決工作的安全性，不能辨別外部輸入的信息是否正確，以及不能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候給予正確的安全導(dǎo)向，在實(shí)際應(yīng)用上受到了很大的約束。目前，存在于我國(guó)干線鐵路的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，大多數(shù)都是價(jià)格昂貴的國(guó)外鐵路信號(hào)公司的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。因此，最近幾年，國(guó)內(nèi)也有不少鐵路科研院的專業(yè)人員都將鐵路安全的信號(hào)控制系統(tǒng)作為主要研究?jī)?nèi)容。只有確保在鐵路工程中有效應(yīng)用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，才能將鐵路信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率降到最低，最終使鐵路企業(yè)能夠安全的運(yùn)作。

1 關(guān)于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系的定義和作用

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)指的在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有效應(yīng)用下，結(jié)合硬件和軟件，從而保證鐵路信號(hào)各組成部分有一個(gè)穩(wěn)定的聯(lián)鎖關(guān)系。從根本上來講，也是一種相對(duì)安全的邏輯運(yùn)算系統(tǒng)。在此過程中，可以錄入操作信息命令，在邏輯系統(tǒng)中得到最準(zhǔn)確的數(shù)值。并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋有價(jià)值的信息，建立高效率的傳輸通道。從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能角度來看，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不但可以控制繼電聯(lián)鎖設(shè)備，同時(shí)在計(jì)算機(jī)設(shè)備的告訴處理下，還有良好的儲(chǔ)存和聯(lián)網(wǎng)功能，對(duì)繼電器聯(lián)鎖設(shè)備的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

2 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

2.1 實(shí)效性特征

此特點(diǎn)代表著信息能夠通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效的傳輸，利用分析和判斷輸入的信息，及時(shí)更新各種各樣的信息，然后安全的方式將信息傳遞出去。因此利用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N信息的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，使信號(hào)傳輸更加高效，這便是體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的實(shí)效性。

2.2 經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)

在鐵路工程中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之所以被廣泛應(yīng)用，就是因?yàn)橄到y(tǒng)性的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，聯(lián)鎖系統(tǒng)在很大程度上有效減少行業(yè)的程序成本投入。

2.3 機(jī)構(gòu)模塊標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)

在各個(gè)不同的領(lǐng)域應(yīng)用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，它的功能也各不相同，以應(yīng)用在鐵路工程中舉例，因?yàn)殍F路車站規(guī)模不同，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)模塊的要求也有所不同。所以，在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，它的硬件和軟件都相對(duì)比較標(biāo)準(zhǔn)。

圖1：可靠性冗余結(jié)構(gòu)圖

圖2：安全性冗余結(jié)構(gòu)圖

2.4 系統(tǒng)功能拓展性特點(diǎn)

以往的繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)，只有操作界面和解鎖功能在用戶的范圍之內(nèi)，缺乏其他功能的設(shè)計(jì)，但是通過計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠有效填補(bǔ)這一漏洞，使鐵路信號(hào)系統(tǒng)除了具備以上幾個(gè)特點(diǎn)之外，還兼具了遠(yuǎn)程通信等相關(guān)管理功能。

2.5 系統(tǒng)安全特點(diǎn)

由于上述實(shí)效性的特點(diǎn)，因此系統(tǒng)的安全和可靠就顯得至關(guān)重要。那么為了減少鐵路通信系統(tǒng)的故障，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)要針對(duì)這倆方面提出有效措施，這樣才能使信息在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中高效安全地傳遞。但是計(jì)算機(jī)本身就具備著不安全的特性，因此，這些安全隱患問題的解決刻不容緩。

3 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和組成部分

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來取代以往的繼電技術(shù)，在車站內(nèi)部構(gòu)建出實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。和類似于視頻監(jiān)控的相關(guān)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，不僅要具有可靠性的實(shí)時(shí)目標(biāo)，同時(shí)還要保證列車行車的安全，在技術(shù)應(yīng)用方面具有嚴(yán)格的安全指標(biāo)。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)和工業(yè)市場(chǎng)上大多數(shù)的微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)存在著很多共同點(diǎn)，通常組成為：聯(lián)鎖機(jī)、接口、過程輸入通道和相關(guān)的外部的輔助設(shè)備，通過系統(tǒng)的主線關(guān)聯(lián)在一起，最終形成了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

由于對(duì)實(shí)效性和安全性的嚴(yán)格要求，對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)的技術(shù)方面來講，只采用單層的結(jié)構(gòu)是無法滿足其技術(shù)要求的，應(yīng)該要用到更多層次的結(jié)構(gòu)體系。鐵路車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是通過技術(shù)手段來控制站場(chǎng)的進(jìn)路。在操作指令下發(fā)到進(jìn)路控制的過程中，主要可以分為人機(jī)對(duì)話層、聯(lián)鎖層以及控制層。人機(jī)對(duì)話層主要負(fù)責(zé)的是操作指令的下達(dá)，以及對(duì)實(shí)時(shí)站場(chǎng)內(nèi)部的情況進(jìn)行接收，最終在顯示屏幕上顯示出來。聯(lián)鎖層主要負(fù)責(zé)的是對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析和處理，滿足聯(lián)鎖操作條件的信息才能傳遞到控制層。而控制層則是對(duì)室外進(jìn)路控制信號(hào)設(shè)備進(jìn)行控制，并采集其狀態(tài)信息。具體對(duì)象為：信號(hào)機(jī)、道岔和軌道電路。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在通過微機(jī)技術(shù)對(duì)車站信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，必須要確定系統(tǒng)的可靠性，保證在安全原則下進(jìn)行故障排解。這時(shí)就需要在軟件方面利用冗余技術(shù)應(yīng)用到軟件各部分模塊當(dāng)中，雖然在系統(tǒng)功能角度來看，增加模塊是沒必要的，但是它恰恰能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行能夠安全可靠。雖然冗余系統(tǒng)在不同的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，所表現(xiàn)出的方式不同，但是其中也有可靠性冗余結(jié)構(gòu)和安全性冗余結(jié)構(gòu)這樣的共同之處。

如圖1 所示為可靠性冗余結(jié)構(gòu)。為了有效降低系統(tǒng)軟件在故障時(shí)停止運(yùn)作的幾率，應(yīng)用儲(chǔ)備的二重結(jié)構(gòu)，也就是加強(qiáng)可靠性來采取“或”關(guān)系的二重結(jié)構(gòu)。安全性冗余結(jié)構(gòu)在圖2 中有所展示。為了降低系統(tǒng)故障是的危險(xiǎn)性，要應(yīng)用互相對(duì)比的二重結(jié)構(gòu)。

依據(jù)不同類型的冗余結(jié)構(gòu)，聯(lián)鎖系統(tǒng)也可以分為單機(jī)、雙擊儲(chǔ)備、三級(jí)表決以及二乘二取二的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

4 鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

4.1 設(shè)計(jì)聯(lián)鎖數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以分為：繪制站場(chǎng)圖中的靜態(tài)站場(chǎng)數(shù)據(jù)和進(jìn)路表的靜態(tài)數(shù)據(jù)文件。站場(chǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于初始化站場(chǎng)設(shè)備控件和儲(chǔ)存站場(chǎng)空間的具體位置等。其中上位機(jī)軟件和模擬指標(biāo)軟件等，都需要從中讀取到完整的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件可以分為兩個(gè)階段：概述和詳述。其中站場(chǎng)名稱、屏幕的寬度和亮度、XY 網(wǎng)格的大小以及控件總數(shù)，都是概述的主要組成內(nèi)容。XY 網(wǎng)格的作用主要是為了明確控件在整個(gè)站場(chǎng)圖的位置。

在鐵路計(jì)算機(jī)軟件聯(lián)鎖處理過程當(dāng)中，所需要處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，一個(gè)有效的處理措施直接影響著聯(lián)鎖程序的應(yīng)用質(zhì)量。在設(shè)計(jì)進(jìn)路表靜態(tài)文件時(shí)，要對(duì)每一條進(jìn)路都單獨(dú)列出一個(gè)數(shù)據(jù)表，在此進(jìn)路表中，納入所有與此進(jìn)路是相關(guān)的特性和變量。通常情況下，進(jìn)路表的設(shè)計(jì)站場(chǎng)普遍很小，進(jìn)路的數(shù)量少又單一，應(yīng)用進(jìn)路表靜態(tài)文件，能夠加快進(jìn)路的處理速度，并能夠保證進(jìn)路處理工作的高效性和安全性。具體進(jìn)路表應(yīng)該囊括以下數(shù)據(jù)：進(jìn)路起始段信號(hào)機(jī)名稱、進(jìn)路終止端信號(hào)機(jī)名稱、進(jìn)路的具體方式、所有岔道的詳細(xì)信息、所有區(qū)段的全部信息、信號(hào)機(jī)信息、進(jìn)路組成結(jié)構(gòu)、有關(guān)敵對(duì)信號(hào)的相關(guān)消息。在這些數(shù)據(jù)當(dāng)中，進(jìn)路的方式可以用數(shù)字來進(jìn)行標(biāo)識(shí)，例如：1 代表正線接車的進(jìn)路、2 代表側(cè)線接車進(jìn)路的情況、3 代表正線發(fā)車、4 代表側(cè)線發(fā)車、5、6 分別代表不同的調(diào)車進(jìn)路。

4.2 設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，上位機(jī)、聯(lián)鎖機(jī)和模擬指標(biāo)機(jī)在信息傳遞上，都需要一個(gè)明確的格式，而且三者也有各自不同的方向。首先是從模擬指標(biāo)機(jī)到上位機(jī)的傳遞方向。模擬指標(biāo)機(jī)→聯(lián)鎖機(jī)和聯(lián)鎖機(jī)→上位機(jī)，都需要將站場(chǎng)上的控件信息傳遞出去。站場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)也是由各種繼電器的線路來決定的，在采集到的每個(gè)繼電器上面的數(shù)值在聯(lián)鎖系統(tǒng)中被稱為開關(guān)量。在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，每個(gè)站場(chǎng)的設(shè)備都有兩個(gè)狀態(tài)位“0”和“1”的共同特性。

其次，在上位機(jī)到模擬指標(biāo)機(jī)的傳輸過程中，上位機(jī)→聯(lián)鎖機(jī)指的講信息從上位機(jī)傳遞到聯(lián)鎖機(jī)；聯(lián)鎖機(jī)→模擬指標(biāo)機(jī)代表著收到上位機(jī)傳送過來的信息，經(jīng)過聯(lián)鎖處理，最終安全輸送出站場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。

進(jìn)路的排列數(shù)據(jù)命令格式為：

?

取消進(jìn)路的命令格式為：

聯(lián)鎖機(jī)到模擬指標(biāo)及的軟件傳送，實(shí)質(zhì)上是模擬聯(lián)鎖處理后的站場(chǎng)設(shè)備操作命令。

4.3 改變聯(lián)鎖信號(hào)的邏輯表達(dá)方式

在鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中硬件設(shè)備保證了信息的安全性，因?yàn)橛布嬖谥诙N邏輯的特點(diǎn)：安全和危險(xiǎn)。根據(jù)故障發(fā)生的原則可以知道，一旦硬件設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)很大概率的呈現(xiàn)導(dǎo)向狀態(tài)。這時(shí)就必須要保證電子電路的輸出具有不對(duì)稱性，也就是在電路出現(xiàn)故障的時(shí)候，保證安全性信息能夠占有更高的優(yōu)勢(shì)。由此可見，常規(guī)的電子電路設(shè)計(jì)和邏輯表達(dá)方式很難滿足其要求，最根本的原因是因?yàn)椤皊-a-0”和“s-a-1”兩種固定邏輯型出現(xiàn)的故障是對(duì)稱的。因此要將聯(lián)鎖信號(hào)的邏輯表達(dá)形式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，在HJ04A 系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用了動(dòng)靜結(jié)合的相位判斷安全邏輯表達(dá)形式，這樣可以很好地滿足聯(lián)鎖系統(tǒng)提出的容錯(cuò)率。

4.4 加強(qiáng)可靠性和故障的安全設(shè)計(jì)

在鐵路信號(hào)領(lǐng)域范圍內(nèi)，行車安全一直都是鐵路工程重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。因此對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性和可靠性要求十分嚴(yán)格，面對(duì)這樣的情況，有兩種設(shè)計(jì)方式可以提供參考。一是加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，此方法是基于可靠性的理論當(dāng)中包含了系統(tǒng)故障的屏蔽效應(yīng)，因此來用高可靠性來?yè)Q取計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的低故障率。但是可靠性技術(shù)一直都受不同程度的條件所控制，例如硬件冗余資源使用、高可靠性器材等。如果計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠在可靠性的前提下來實(shí)現(xiàn)技術(shù)安全，那么也同樣能夠滿足鐵路信號(hào)穩(wěn)定性為系統(tǒng)性能的高要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)作為一種在鐵路工程中應(yīng)用廣泛的一種新型現(xiàn)代化系統(tǒng)，不到能夠提高鐵路列車的運(yùn)作效率，同時(shí)還能夠加快鐵路的自動(dòng)化水平發(fā)展和管理水平發(fā)展。通過研究和分析計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，最終采取三模靜態(tài)的冗余技術(shù)，有效處理因系統(tǒng)故障造成的危險(xiǎn)性問題，進(jìn)而使我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展能夠有一個(gè)良好的支持。