基于全電子的有軌電車正線道岔控制系統研究

賈 斌

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

有軌電車因其環保、節能、廉價以及大運量等優良特性，成為全球范圍內許多城市作為公共交通發展的對象。在國內已有不少城市規劃和在建有軌電車，但信號系統多采用國外設備。國內大鐵和地鐵信號系統技術發展的非常成熟，可以借鑒其技術應用到有軌電車信號系統中，實現有軌電車信號系統的國產化。有軌電車信號系統中安全防護范圍僅在道岔區段，正線道岔控制系統實現道岔區段內信號設備的安全控制，是有軌電車信號系統中唯一涉及安全的子系統，因此有必要對其進行研究。

1 有軌電車信號系統

有軌電車信號系統如圖1 所示，包括運營控制中心子系統、平交路口控制子系統、車載子系統、正線道岔控制子系統及車輛段聯鎖子系統。運營控制中心子系統實現對全線列車運行的管理和監視功能；平交路口信號控制子系統實現與道路交通信號控制系統接口，對有軌電車與其他社會車輛混行路口區域進行管理；車載控制子系統處理司機操作指令，完成車輛位置定位、車地信息傳輸等功能；正線道岔控制子系統實現道岔區域控制，完成信號設備之間正確的聯鎖關系控制[1]；車輛段聯鎖子系統實現車輛段信號設備控制。

圖1 有軌電車信號系統基本結構圖Fig.1 Diagram of basic structure of tram signaling system

2 正線道岔控制系統功能及結構

相比傳統的軌道交通信號控制采用中心控制方式，所有進路控制由調度中心發起，有軌電車信號系統中正線道岔系統采用軌旁優先控制方式，運營中心僅對軌旁設備進行監視，信號設備的控制在軌旁完成[2-3]。正線道岔控制系統能夠實現以下幾種方式的控制。

1) 自動控制方式：當列車到達接近區段，列車將自身信息(車次號、線路信息)通過車地無線通信傳遞給正線道岔控制系統，根據收到的信息，實現對轉轍機、信號機的控制。

2) 司控方式：當發生故障，自動控制方式失效時，司機通過操作車載設備將控制信息通過車地無線通信傳送給正線道岔控制系統，根據收到的信息，實現對轉轍機、信號機的控制。

3) 地控方式：當發生故障，自動控制方式、司控方式都失效時，按壓軌旁人工操作盤的道岔控制按鈕，控制命令傳輸給正線道岔控制系統，根據收到的信息，實現對轉轍機、信號機的控制。

4) 手控方式：當以上3 種方式都失效時，司機可以人工搬動道岔，此時設備安全由人工保證。

正線道岔控制系統結構如圖2 所示，由軌旁道岔控制柜、車地通信系統感應環線、列車占用檢查計軸設備、轉轍機、信號機等組成。軌旁道岔控制柜中有正線道岔控制主機(簡稱控制主機)、各種類型的電子執行單元、電源、防雷分線單元等。

圖2 正線道岔控制系統結構圖Fig.2 Diagram of structure of main switch control system

由于正線道岔控制采用軌旁控制方案，所有的設備都在軌旁，并埋于地下，所有的設備要求體積小、可靠性高[4-5]。因此相比大多數軌道交通中道岔、信號機驅動采集設備采用繼電器方式，應該采用電子化方式的全電子執行單元代替，1 個道岔控制單元可以控制1 臺轉轍機，1 個信號控制單元可以控制8 個燈位，有軌電車的信號顯示只有直向行駛、側向行駛、禁止信號3 種顯示，因此信號控制單元可以同時控制兩架信號機[6-7]。

正線道岔控制系統中的核心是控制主機，通過CAN 總線方式與全電子執行單元連接?？刂浦鳈C接收車載設備或軌旁人工操作盤的命令信息，并采集道岔、信號、區段的實際狀態信息，根據設備狀態及操作命令進行聯鎖關系運算，輸出道岔、信號燈控制命令，控制道岔轉動及信號燈顯示。

3 正線道岔控制系統設計

正線道岔控制系統的安全完整性等級為SIL3，系統設計時必須按EN 系列標準要求，采用相應的安全防護技術及措施保證系統的安全。本文只針對正線道岔室內控制設備進行研究，主要有控制主機、全電子執行單元及安全通信，控制主機又分安全平臺和道岔控制邏輯軟件兩部分。

系統設計需符合故障導向安全原則，在故障發生時導向安全側，不應危及行車安全。系統不能接收有效輸入數據或自身發生故障時，輸出必須導向安全。

3.1 安全平臺

在歐標EN50129 中對于采用電子技術實現軌道交通信號系統，推薦了3 種安全性設計技術，分別為本原故障安全、組合式故障安全和反應式故障安全。本原故障安全技術，就是利用原器件固有特性，實現故障安全設計原則。組合式故障安全，就是重疊使用器件以獲得更低的失效率。反應式故障安全是指在故障發生時，啟動系統內的故障反應功能，對影響加以限制的技術[8-9]。

安全平臺設計策略復合使用以上3 種技術，對故障進行防護處理，保證系統的安全及可靠性。

安全平臺硬件采用二取二冗余結構，雙套CPU處理結果一致后表決輸出。每個CPU 通過軟件對硬件及軟件進行周期監測，一旦發現故障，所有輸出導向安全側[10-11]。每個CPU 中的應用軟件采用異構設計，并對兩套軟件每個周期的運算結果進行比較，比較一致則輸出。否則導向安全側。

安全平臺具有以太網、光纖接口，可通過安全通信板與其他設備相連。安全平臺采用獨立的冗余雙電源供電，任何一路電源故障時，備用電源繼續工作。當兩路電源都故障時，才停止工作。

3.2 道岔邏輯控制軟件

3.2.1 安全設計策略

為保證軟件質量，按歐標EN50128 中對軟件各生命周期的要求進行，其中軟件安全設計策略主要有[12]以下幾項。

1) 設計時將安全功能和非安全功能隔離開，或者將非安全功能按安全功能的標準設計。

2) 清晰各功能模塊執行的先后順序及處理流程，不能應用多線程處理的方式。

3) 所有的輸入、輸出需實現二取二比較，并且對輸入在容許范圍內進行容錯處理。

4) 保證所有模塊功能清楚、精確、無二義性；模塊內部功能關聯緊密，模塊之間的接口清晰、無歧義；具有高內聚、低耦合的特性。

5) 采用防御性編程、故障檢測和診斷、失效斷言編程、多版本程序設計。

6) 采用結構化的程序設計方法，并且編譯器已經被認證過。

7) 統一的編碼標準和風格。

3.2.2 道岔控制邏輯

為保證列車在道岔區段安全通行，必須對道岔實施安全有效的控制。道岔控制的關鍵是對道岔控制權的處理，道岔控制權同一時間只能授予唯一的一輛列車。列車接近道岔區段時，若道岔控制權未被占用，則授予道岔控制權。列車通過后收回控制權，當下一輛列車接近時，再次授予控制權。具體控制邏輯為：正線道岔控制系統內存有各個線路數據，列車車載設備存有當前運行的線路數據。當列車道岔正線道岔區段接近區段時，通過車載設備將車次號及線路號發送給正線道岔控制系統。若道岔控制權未被占用，正線道岔控制系統通過數據匹配及道岔目前的位置，確定道岔是否需要轉動。如果需要則轉動道岔，待道岔轉動到需要位置，并檢查相應的軌道區段空閑，則鎖閉道岔即授予道岔控制權。之后開放信號，司機依據信號進入信號內方后，信號關閉。待列車完全出清道岔區段，道岔解鎖，即此道岔控制權被釋放，在此期間不再給別的車輛授權道岔控制權 。道岔控制流程如圖3 所示。

3.3 電子執行單元

正線道岔控制系統室外設備有道岔、信號、計軸設備、人工操作盤、車地通信單元，通過全電子執行單元與道岔控制主機相連，相應的有道岔控制單元、信號控制單元、計軸設備接口單元、人工操作盤接口單元、車地通信接口單元。

圖3 道岔控制流程Fig.3 Switch control process

電子執行單元基于具有故障—安全比較雙電子結構，采用二取二的“與”控制電路結構，實現控制、監督、監測一體化[13]。電子執行單元通過冗余通道接收控制主機發送的控制命令，通過二取二比較一致后輸出。同時采集室外設備的狀態并通過二取二比較一致后向控制主機發送，并對控制輸出進行閉環檢測反饋，一旦監測到過流，則切斷輸出實現過流保護，實現故障—安全輸出；設計有獨立的監測電路，對設備的啟動電流及狀態信息進行監測，可監測到芯片級的故障信息，將監測信息實時發送給維修監測機。電子執行單元結構如圖4 所示。

3.4 安全通信

通信接口示意如圖5 所示，網絡拓撲結構固定，且連接設備數量已知，因此為封閉式網絡。接口分類為外部通信接口和系統內部通信接口。外部接口有正線道岔控制主機與運營控制中心之間的以太網通信接口。內部接口有正線道岔控制主機主板與光轉CAN 通信板之間的光通信接口，光轉CAN 通信板與電子執行單元之間的CAN 通信接口，以太網光通信板與車載通信接口單元之間的以太網接口，控制主機內部主板與光轉CAN 通信板、以太網通信板之間的光通信接口。所有通信通道采用兩條冗余通道，任意一條通道故障不影響正常通信。

圖4 電子執行單元結構圖Fig.4 Diagram of structure of electronic execution unit

圖5 通信接口圖Fig.5 Communication interface diagram

封閉式傳輸系統存在的危害有數據包重復、丟失、插入、亂序和傳輸超時，因此數據接收端要對接收數據的真實性、完整性、實時性、有序性進行檢查?？刹扇〉木唧w措施有序列號、時間戳、超時、源標識、反饋消息、雙重校驗，通信危害/防御矩陣如表1 所示[14-15]。

表1 通信危害/防御矩陣Tab.1 Matrix of communication hazard/defense

序列號為一個32 位順序增加的整數，可采用系統的周期序號。時間戳基于32 位的線性反饋移位寄存器值，按系統周期移位并使用固定多項式做附加干擾輸入，與本地周期同步增加。雙重校驗，是指對用戶數據包的安全校驗和對整個安全數據報文的CRC 校驗。

數據發送端將數據序列號、當前周期時間戳、通信源地址及目的地址、雙重校驗碼及用戶應用數據組包后一起發送。接收端對接收到的報文，首先進行源地址和目的地址的校驗。若為有效地址，則進行數據CRC 校驗，校驗正確，則進行時效校驗。若在有效時間范圍內，則處理用戶數據包，并更新最后一次接收數據報文的序列號及時間戳。若超出容忍范圍，則發送時序校正請求，發送端收到請求后，發送時序校正應答報文，接收端接收到時序校正應答報文后，校正本地時序，之后又開始正常通信。

3.5 列車定位技術

由于有軌電車車道不是封閉車道，為半封閉車道或混合車道，因此列車定位方式有別于傳統的軌道電路定位方式，多采用計軸、感應環線、信標、GPS/BD、DR 航跡推算等方式。正線道岔控制系統的列車定位設備實現列車占用出清檢查，需滿足故障-安全原則，平交道口處列車定位的連續性及設備安全性滿足市政交通規范即可，其他線路的列車定位需滿足運營控制中心行車調度及行駛跟蹤要求?？紤]投資成本及定位要求，道岔接近區段采用感應環線（同時可作為車地通信的方式），在道岔區段采用計軸方式或GPS/BD 與信標組合定位方式，其他線路區段采用GPS/BD + DR 組合方式。

4 系統測試

在系統設計的每個階段都有相應測試來保證功能的準確完善，測試主要分軟件測試、硬件測試、軟硬件集成測試、系統確認測試。應按照EN 系列標準對SIL3 級系統的要求采取相應措施進行測試，并將測試結果進行記錄，對照測試計劃檢查是否達到要求。若未達到要求，則對設計進行修改，修改完成后再進行測試，直到測試計劃中的所有測試項都達到要求。

5 結束語

基于全電子的正線道岔控制系統按EN 系列標準要求采用相應的措施及技術進行開發測試，能夠達到SIL3 安全完整性等級要求，保證其安全性及可靠性。全電子化執行單元技術、列車定位技術、安全計算平臺技術、感應環線通信技術、計算機聯鎖技術等在國內都已成熟應用，完全可以集成有軌電車信號系統裝備，所以有軌電車信號系統，不應依賴于國外設備，應走國產化道路，降低成本，促進現代有軌電車的推廣應用。