全電子聯鎖在城市軌道交通工程中的應用設計

李春明

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

計算機聯鎖系統目前已廣泛應用于軌道交通工程中，常用的計算機聯鎖系統雖然邏輯運算部分采用計算機進行，但是執行部分還是采用繼電器組合方式[1]。國內城市軌道交通領域應用全電子聯鎖車站、在建線路越來越多[2]。

聯鎖系統是保障列車安全運行的核心基礎設備，本文對全電子聯鎖的特點，存在的問題解決方案進行了研究探討，結合對比繼電聯鎖，全電子聯鎖在城市軌道交通工程中的應用具有重要意義和實用價值。

1 結構特點

全電子計算機聯鎖系統是在既有計算機聯鎖系統的基礎上，集成電子執行單元子系統，實現了軌旁設備直驅直采的功能。系統采用硬件安全冗余結構，并應通過權威第三方SIL4級認證。作為信號系統新一代聯鎖設備，全電子計算機聯鎖系統安全性高、體積小、功能強大、組網能力強，可為城市軌道交通自動化、信息化提供必要的基礎信息。全電子計算機聯鎖系統代表著信號聯鎖領域的技術進步，是新一代信號控制的基礎核心技術。

2 方案設計

2.1 總體設計

全電子計算機聯鎖系統一般由聯鎖運算子系統、電子執行單元、數據通信子系統、人機界面子系統、維護子系統組成，其聯鎖運算子系統一般繼承了原有計算機聯鎖的功能以及通過安全網絡與ATP、ATO、ATS/CTC等外部子系統的通信接口。全電子計算機聯鎖系統一般架構如圖1所示：

圖1 全電子聯鎖結構圖

2.2 模塊應用

2.2.1 轉轍機

道岔單元采用二乘二取二的熱備冗余方式。道岔單元的主從CPU構成取二安全性冗余關系，獨立收發、處理、執行、反饋正反碼信息；控制通道和采集通道在硬件上設計為取二冗余并接受主從CPU共同控制。兩個道岔單元構成乘二可靠性冗余關系。監測CPU測量、記錄、上傳轉轍機動作電流和輸出功率。

直流四/六線制轉轍機接口包括轉轍機電源接口和轉轍機控制接口。直流四/六線制控制單元只需要一路單相220V交流電源，其容量是原來動作電源和表示電源之和。相較于繼電聯鎖設計，不再需要額外的動作電源，只需提供一路DJZ（F）220V，其容量是原來動作電源和表示電源之和。

交流五線制道岔控制單元接口包括道岔電源接口和轉轍機控制接口。交流五線制道岔控制器需要一路三相380V交流動作電源和一路220V交流表示電源。

道岔控制單元的動作電源和表示電源配線為工廠配線，工程設計配線只需由電源屏將動作電源、表示電源引到執行機柜零層端子。

2.2.2 信號機

信號控制單元采用二乘二取二的熱備冗余方式。信號單元的主從CPU構成取二安全性冗余關系，獨立收發、處理、執行、反饋正反碼信息；控制通道和采集通道在硬件上設計為取二冗余并接受主從CPU共同控制。兩個信號單元構成乘二可靠性冗余關系。監測CPU實時測量、記錄、上傳各燈位的燈絲電流。

信號電源由電源屏引入到信號電源接口，信號控制線由信號機控制接口引到分線盤。信號單元的信號電源配線為工廠配線，工程設計配線只需由電源屏引一路信號電源到執行機柜零層端子。

2.2.3 零散驅采接口

零散驅采對象主要包括站場間聯絡、站臺門、防淹門、試車線、扣車按鈕、緊停按鈕、折返按鈕、人員防護開關等。

零散驅采接口包括驅動電源接口、驅動接口、采集電源接口和采集接口。每個輸出通道都有獨立的驅動電源，每個輸出通道可以使用獨立的驅動電源也可以共用。各采集通道都是獨立的，采集電源可以獨立也可以共用。

2.3 問題研究及對策

2.3.1 防雷及接地

與繼電聯鎖有繼電器接口作為強隔離接口不同，全電子執行模塊直接驅動采集室外轉轍機、信號等軌旁設備，存在外部雷擊、高壓浪涌沖擊、高壓混電、強磁類干擾的風險，對模塊PCB板卡沖擊不易發現，較難定位，做好此類風險防范是安全運用全電子聯鎖設備的關鍵。

（1）全電子模塊采用二乘二取二設計，在最不利的情況下，能夠保證故障導向安全，這是全電子執行模塊的核心安全要素。

（2）除了信號傳輸線在分線盤或引入架處應集中設置SPD[3]，各個外部設備，如站臺門、緊急停車按鈕、扣車按鈕、人員防護開關等，盡量采用上下行獨立空開控制供電，做到故障隔離。個別外部設備故障后，能控制影響范圍，快速維護并恢復使用。

2.3.2 站臺門接口設計

開門時，開門命令持續發送，直到收到站臺門反饋已完成開門動作后，切斷開門命令發送；關門時，關門命令持續發送，直到收到站臺門反饋關閉并鎖緊后，切斷關門命令發送。站臺門動作過程中，命令需持續有效。采用全電子執行模塊替代繼電組合后，存在開關門命令無法持續輸出有效命令的問題[4]。

解決問題的核心是如何能實現命令持續輸出，實現途徑主要有：

（1）按繼電電路思路，通過外搭自保電路，保證命令持續有效。接口設計采用安全繼電器無源干接點，接口電氣回路采用雙切回路。此種方式技術上較為成熟，外部電路可參考繼電聯鎖電路，不易出現故障，但仍然需要用到繼電器，且需要單獨設計組合內部電路及外部接口電路，維保方式與全電子執行模塊差異較大。

（2）通過聯鎖主機持續輸出有效命令。部分聯鎖主機暫不支持持續輸出有效命令，理論上可通過修改聯鎖軟件實現該功能，鑒于聯鎖設計理念及修改軟件帶來的工作量及運行風險，目前此種方式暫無落地實施案例。

3 全電子聯鎖與繼電聯鎖比較

3.1 繼電聯鎖

在繼電計算機聯鎖方案下，主用和備用安全計算單元都從同一個繼電器接收信息，但都基于各自主機進行計算處理。聯鎖采集回路是由兩套（A/B）安全計算單元獨立進行采集，A系采集繼電器的一組接點，同時采集前后接點。B系會采集該繼電器的另一組接點，也會同時采集前后兩個接點。兩套安全計算單元會同時輸出，把各自的命令都發送給同一個繼電器。聯鎖通過繼電器架和分線架接收其轄區內設備（信號機、轉轍機、站臺門、緊急停車按鈕、扣車按鈕、人員防護開關、計軸區段等）的狀態。

3.2 區別和對比

從系統的安全性方面，全電子化計算機聯鎖系統采用智能執行單元，通過處理器對執行單元的執行情況進行完全診斷，當故障發生時，能主動采取安全措施，提高了系統的安全性[5]。

從系統的可靠性方面，電子執行單元采用的是雙套冗余，當電子執行單元出現故障時，執行單元能進行自動切換，切換后系統不影響使用。在無人值守的車站，電子執行單元出現故障后，會自動把報警信息發送到集中站的維修機上，提醒維修人員進行維修。

從系統的經濟性方面，采用全電子執行單元以后，一個道岔執行模塊就可以替代一個道岔組合，一個信號執行模塊可以替代4架調車信號機的組合，同時采用機柜式安裝，集成化程度更高，因此在建設初期，可以減少房屋面積，減少建設期間的投資[6]。

從系統的可維護性方面，全電子化的計算機聯鎖系統采用全電子執行單元，具備第三路獨立的通信通道，與獨立的監測系統進行通信，減少了外圍監測設備。由監測系統對電子執行單元的運行狀態、執行動作情況、各種電氣參數和曲線進行記錄，記錄可以長期保存，并可以實現查看和回放記錄。

由于減少了組合架的使用，減少了電纜的數量，因此減少了接地、混線的故障概率[7]。執行單元本身帶自檢功能，當發生故障時能指示故障狀態，現場維護可以根據狀態指示進行準確提示、定位及維修維護，執行單元采用方便維修更換的插卡方式，能在最短的時間內完成更換作業。

從工程設計實施便利性方面，聯鎖系統執行層的部分由全電子化的執行單元完成，工程設計只需要考慮分線盤的設計，全電子執行內部已經包含了執行部分對聯鎖的接口，減少內部設計。現場施工執行單元部分的施工只需要布置地線、電源線、分線盤的接口電纜就可以，施工簡單且減少出錯。避免了組合架內部和架間的復雜的配線，大大減輕了施工的工作量。

從靈活性方面，聯鎖系統與電子執行單元之間采用的是網絡通信方式，因此系統結構本身就具備分布式控制的功能，適合具備非集中車站的線路，聯鎖主機設置在集中站，非集中車站只設置接口機和執行單元。

如表1所示，全電子化的計算機聯鎖系統采用電子執行單元替代了傳統的繼電器組合方式，整個系統采用的是網絡化的結構方式，具有減少建筑投資、簡化設計、施工簡單、維護簡便、擴展靈活性等優點，全電子聯鎖更適合城市軌道交通工程。

表1 全電子聯鎖和繼電聯鎖對比表

4 結束語

據統計，國內具有全電子聯鎖系統產品的自主廠家已超過6家，應用全電子聯鎖系統的城市軌道交通工程的在建線路已超過10條。本文為全電子聯鎖在城市軌道交通工程中的應用設計提供參考，后續可結合各地城市全電子聯鎖運行經驗，優化調整設計方案。