基于目標控制器的鐵路應急響應系統方案研究

卡斯柯信號有限公司 陳小猛 鄒國順 韋啟盟

中國幅員遼闊、內陸深廣、人口眾多，資源分布及工業布局不平衡，鐵路作為人員和物資流通的重要渠道，非航空、公路能比擬。近年來，地震、水災等自然災害頻發，當遇到自然災害時，快速恢復鐵路生產秩序對于國家和人民有著重大意義。針對緊急情況下快速恢復鐵路運輸秩序的需求，提出一種基于目標控制器（Object controller，OC）的應急響應系統設計方案，并對系統功能及結構進行設計。

計算機聯鎖系統作為車站的大腦，對提高鐵路運輸效率、保障鐵路運輸安全起著舉足輕重的作用。當因自然災害或戰爭導致車站陷入癱瘓，完成一套傳統計算機聯鎖系統，需要經過設備安裝、室內外線纜敷設、設備配線、室內調試、室外調試等一系列繁復的過程，傳統計算機無法滿足快速恢復生產的需求。為了確保鐵路運輸作業在突發事件后的限定時間內能夠得到恢復，保證現場作業安全、提高作業效率，降低突發事件對人民生命財產造成的損失。亟需一套應急響應系統來快速恢復鐵路運輸作業，本文提出的基于目標控制器的應急響應系統，具備結構簡單、組態靈活、快速接入、施工簡單等特點，能夠以最快的速度打通鐵路運輸通道、提高作業效率，為人員和物資運輸提供安全保障。

1 傳統計算機聯鎖介紹

傳統計算機聯鎖系統仍沿用了6502電氣集中的執行組電路，主要包括信號點燈電路、道岔啟動電路、軌道電路以及各種站間聯系電路，各種繼電電路經過幾十年的發展與應用，其可靠性和穩定性早已得到業內認可，其制原理如圖1所示。

圖1 傳統計算機聯鎖控制原理圖

受限于自身結構特點，傳統計算機聯鎖在應對突發緊急事件時仍有以下不足：

（1）使用大量定型組合。為了恢復對軌旁信號設備的控制，組合柜內部需放置信號組合、道岔組合、軌道組合等定型組合，每個定型組合均需要使用大量繼電器。以道岔組合組合為例，每個直流道岔組合需要10臺繼電器，交流道岔組合需要17臺繼電器。組合內部存需要完成大量放線、配線工作，施工周期長，時效性差，不能滿足緊急情況對時效的要求。

（2）安裝、調試工作量大。現場需要歷經設備定位、設備安裝、室內外線纜敷設、線纜配線、設備單體調試、室內設備聯調、室內外設備一致性核對等階段，最終完成調試投入使用。整個過程需要敷設大量的柜間線纜和室外干線電纜，線纜數量龐大，配線難度大、出錯風險高；計算機聯鎖內部、組合柜內部設備種類多安裝過耗時長；室外干線電纜數量多、距離長，敷設、安裝、防護難度大。

（3）備數量多，靈活相差。計算機聯鎖通過接口柜、組合柜、分線柜等設備等設備控制軌旁信號設備。以應急恢復一個車站的5組道岔、2條正線線路、1條側線線路、10架信號機為例，需要2套聯鎖機柜、3～4架組合柜、1架接口柜，不僅占用較大的信號機房面積，現場安裝也極為不便。

2 應急響應系統方案

應急響應系統按照各組成部分完成的功能劃分，如圖2所示，可劃分為：邏輯運算單元、操作顯示設備、OC、應急電源以及多模通信網關。

圖2 應急系統結構示意圖

2.1 操作顯示設備

操作顯示設備布置于應急指揮中心，主要由：工控機、顯示器、鼠標、鍵盤等設備組成。具有站場信息顯示、操作道岔、辦理進路等操作顯示功能，并顯示系統狀態信息、操作提示信息、報警信息等。應急指揮人員可通過鼠標進行有關操作，系統能夠給予簡潔明了的操作和語音提示。與邏輯運算單元直接通信，操作顯示設備向邏輯運算單元發送控制命令，邏輯運算單元向操作顯示設備發送軌旁設備狀態信息。

2.2 邏輯運算單元

邏輯運算單元是運算核心，布置于應急指揮中心，通過局域網與操作顯示設備進行通信，其主要功能如下：

（1）接收并執行由操作顯示設備發送的操作命令，并將控制區域內軌旁設備狀態信息發送給操作顯示子系統。

（2）能夠執行邏輯運算，根據邏輯運算結果向OC發送控制命令，并接收目標控制器采集到的軌旁設備狀態信息。

（3）可通過多模網關與多站目標控制器通信，實現多站集中控制。

2.3 多模通信網關

多模通信網關如圖3所示，是融合了Wi-Fi通信、5G通信以及衛星通信的無線通信技術，同時使用上述3種無線通信方式，可以自動在Wi-Fi、5G以及衛星傳輸之間進行切換。在任一種通道出現性能不足時可啟用多路傳輸。

圖3 多模通信網關原理圖

多模通信網關采用冗余方式布置，提供以太網絡接口，現場OC設備和中心邏輯運算單元直接通過以太網絡接口與多模通信網關連接，亦可通過交換機設備對網口進行集連后接入多模通信網關。

2.4 目標控制器

目標控制器由多個控制板組成，直接布置于軌旁，目標控制器可根據需要布置多種控制板，每個目標控制器均設置獨立的通信控制板，通過多模通信網關與邏輯運算單元進行通信。目標控制器結構示意圖如圖4所示，接收邏輯運算單元控制命令完成道岔、信號機等信號設備的控制，并將采集的道岔、信號機和軌道電路狀態信息發送給邏輯運算單元。

圖4 目標控制器組成示意圖

2.5 應急電源

應急電源為目標控制器提供220V交流電源，用以完成信號機和轉轍機的控制，若軌旁使用交流轉轍機則需要同時提供380V交流電源。結合軌旁軌道電路類型，提供所需的軌道電源。

3 應急響應系統應用場景

3.1 道岔設備應急恢復

（1）道岔控制原理

轉轍機設備能夠轉換道岔位置，鎖閉道岔岔尖，反映道岔位置，是重要的軌旁信號設備。在緊急情況下如何能夠快速恢復轉轍機的使用對保證行車安全、提高運輸效率、改善行車人員勞動強度具有重要意義。應急響應系統中軌旁道岔控制設備主要由交流道岔控制板、直流道岔控制板、多模網關組成，如圖5。交流道岔控制板和直流道岔控制板通過多模網關獲取邏輯運算單元的控制命令，并通過多模通信網關向邏輯運算單元發送道岔表示信息。

圖5 道岔控制原理圖

（2）道岔控制過程

邏輯運算單元通過多模網關，向道岔控制板發送控制命令，道岔控制板通過多模網關接收到道岔控制命令后，通過對應接口向轉轍機輸出動作電源；轉轍機轉換到位后，溝通表示電路，將表示信息發送給道岔控制板；通過多模網關將道岔狀態信息發送給邏輯運算單元，邏輯運算單元通過多模通信網關獲取軌旁道岔位置信息。5線制道岔控制板與交流轉轍機間接口如圖6所示，共有5根電纜分別為：X1、X2、X3、X4、X5。

圖6 5線制道岔控制板與轉轍機接口

5線制道岔控制板收到定操控制命令后，向轉轍機設備輸出五線制轉轍機驅動電源，輸出電源滿足如下相序：

X1輸出三相380V三相交流50Hz電源的A相；

X2輸出三相380V三相交流50Hz電源的B相；

X5輸出三相380V三相交流50Hz電源的C相。

5線制道岔控制板收到定操控制命令后，向轉轍機設備輸出五線制轉轍機驅動電源，輸出電源滿足如下相序：

X1輸出三相380V三相交流50Hz電源的A相；

X4輸出三相380V三相交流50Hz電源的B相；

X3輸出三相380V三相交流50Hz電源的C相。

道岔控制板與直流轉轍機間接口（以四線制道岔為例）如圖7所示，共有4根電纜分別為：X1、X2、X3、X4。

圖7 4/6線制道岔控制板與轉轍機接口

直流道岔控制板收到定位操縱命令后，通過X1、X4向轉轍機設備輸出直流轉轍機驅動電源，轉轍機動作到位后通過X1、X3溝通道岔定位表示回路；直流道岔控制板收到反位操操縱命令后，通過X2、X4向轉轍機設備輸出直流轉轍機驅動電源，轉轍機動作到位后通過X2、X3溝通道岔反位表示回路。

3.2 信號機設備應急恢復

（1）信號機控制原理

信號機能夠提供黃、綠、紅、黃、白等多種信號顯示，是指示列車運行的重要軌旁信號設備。在緊急情況下快速恢復信號機設備，能夠有力的保證行車安全、提高運輸效率。應急響應系統中軌旁信號機設備主要由信號機控制板、多模網關組成，如圖8所示。信號機控制板通過多模網關獲取邏輯運算單元的控制命令，完成軌旁信號機的控制，并通過多模通信網關向邏輯運算單元發送信號機的狀態信息。

圖8 信號機控制板信息流

（2）信號機機控制過程

邏輯運算單元通過多模網關，向信號機控制板發送控制命令，信號機控制板通過多模網關接收到信號機控制命令后，通過對應接口向信號機輸出動作電源；軌旁信號機點亮后，信號機控制板通過多模網關將信號機狀態信息發送給邏輯運算單元，邏輯運算單元通過多模通信網關獲取軌旁信號機信息。

信號機控制板與信號機間接口如圖9所示，應急電源直接為信號機控制板提供點燈電源，信號機控制板可控制多架信號機。

圖9 信號機控制板與信號機接口

3.3 軌道電路應急恢復

（1）軌道電路采集原理

軌道電路能夠反映列車的占用出清狀態，正確的獲取軌道電路的狀態對保證行車安全起著至關重要的作用。在緊急情況下快速恢復軌道狀態的采集，能夠有效提高運輸效率、保障行車安全、降低運輸人員勞動強度。應急響應系統中軌道狀態采集主要由軌道控制板、多模網關組成，如圖10所示。軌道控制板采集到軌道電路狀態后，通過多模通信網關向邏輯運算單元發送軌道區段的狀態信息。

圖10 信號機控制板信息流

（2）軌道狀態采集過程

軌道機控制板通過多模網關將軌道狀態信息發送給邏輯運算單元，邏輯運算單元通過多模通信網關獲取軌旁信號機信息。

軌道控制板與軌道接口如圖11所示，應急電源直接為信號機控制板提局部電源，軌道控制板可控制個軌道區段。

圖11 軌道控制板與軌道接口

結束語：本文從傳統計算機聯鎖在應急響應場景下的弊端、應急響應總體技術方案、應急響應系統的應用場景等維度，對基于目標控制器的應急響應系統的進行研究分析。該系統具有智能化、網絡化、電子化、靈活度高等優點，面對突發情況能夠已最快的速度恢復鐵路運營秩序，保證人民生命財產安全，該系統可以作為既有系統補充，為鐵路控制系統提供一種應對鐵路系統突發事件的新思路。