城市軌道交通全電子計算機聯鎖改造工程設計方案

張家銘，代守雙

（1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶 400020）

1 概述

近年來，國內城市化建設進程加快，城市軌道交通建設速度隨之快速增長，城市軌道交通的運營總里程、客運量也不斷增加。早期建成開通的線路已運營15～20年左右，信號系統設備已到大修改造期，接近生命周期末端。隨著信號系統設備開始老化，設備故障率逐漸升高，日常檢修維護越來越頻繁，亟需通過大修改造保證既有線路安全運營。

目前，既有運營線路信號系統多采用的是與繼電器執行電路結合的計算機聯鎖系統。聯鎖計算機實現聯鎖邏輯運算；繼電器執行電路實現計算機聯鎖與信號室外設備的接口，采用配線復雜的接口電路控制接口繼電器實現對信號室外設備的驅動輸出和狀態采集。繼電器執行電路存在占用空間大、配線復雜、維護性差、擴展性差等不足。

全電子計算機聯鎖是基于高可靠容錯安全計算機系統的新一代計算機聯鎖系統，具有高安全性、高可靠性、維護便利、占用空間小、易擴展等優點，采用計算機技術、電力電子開關技術、自動控制技術，實現了從聯鎖運算到執行控制和狀態監測的全電子一體化設計，具備在線、快速、完備的自檢測和自診斷功能，避免了繼電器執行電路所固有的安全隱患和缺陷，提高了信號系統的技術裝備水平。

2 全電子計算機聯鎖系統架構

聯鎖系統依據層次可劃分為人機會話層、聯鎖邏輯層、執行層以及室外設備。

傳統的計算機聯鎖設備在執行層包括：I/O機柜、接口柜、組合柜和防雷分線柜；全電子計算機聯鎖設備的執行層為電子執行單元和防雷分線柜，等同于將傳統的計算機聯鎖設備執行層中的I/O機柜、接口柜、組合柜統一集成至電子執行單元內。傳統計算機聯鎖設備和全電子聯鎖設備的聯鎖邏輯層、人機會話層構成和功能一致。

傳統計算機聯鎖和全電子計算機聯鎖的系統架構對比如圖1所示。

圖1 傳統計算機聯鎖和全電子計算機聯鎖系統架構對比Fig.1 Comparison between architectures of traditional computer interlocking system and all-electronic computer interlocking system

3 全電子計算機聯鎖過渡倒切方案

全電子計算機聯鎖改造工程實施時，軌旁及室內信號設備盡量利舊。在全電子計算機聯鎖設備安裝、調試期間，為保證線路正常運營，減少改造風險，需利用倒切設備實現全電子計算機聯鎖設備和既有計算機聯鎖設備對室外設備的控制及狀態采集。

過渡倒切方案設計原則如下：

1）在全電子計算機聯鎖系統安裝、調試期間，以及后期對既有聯鎖設備、過渡倒切設備的拆除過程中，保證不影響運營效率和系統性能；

2）在全電子計算機聯鎖系統安裝、調試期間，以及后期對既有聯鎖設備、過渡倒切設備的拆除過程中，保證列車運行安全和施工安全；

3）在全電子計算機聯鎖系統安裝、調試期間，以及后期對既有聯鎖設備、過渡倒切設備的拆除過程中，新、舊信號設備需獨立運行，保證過渡期間新系統調試工作；

4）過渡倒切設備需進行必要的測試及試驗，保證倒切設計簡單、操作便捷，便于后期拆除。

根據過渡倒切方案設計原則，調試期間，在信號設備室防雷分線柜或組合柜處設置倒切開關。通過控制繼電器的勵磁實現倒切。白天正常運營時，倒切開關接通既有計算機聯鎖設備；夜間調試時，倒切開關接通全電子計算機聯鎖設備。倒切開關設備可由安全繼電器控制電路、轉換開關等組成。作為整個信號系統一部分，倒切開關安全完整性等級應滿足SIL4級要求。倒切原理如圖2所示。

圖2 倒切原理Fig.2 Switching principle

4 全電子計算機聯鎖改造方案

城市軌道交通信號系統改造首先要確保列車運行安全。因此，在選擇城市軌道交通信號系統和設備改造方案時，宜采用相對成熟、可靠性高的技術。在滿足功能需求、節約成本的基礎上，采取持續改進的策略，有效降低對既有運營線路的影響。本文將既有運營線路中一個聯鎖區集中站的計算機聯鎖設備作為改造研究對象，并參考國內早期開通線路，將多信息無絕緣軌道電路作為軌道區段占用檢測和車地通信設備。

全電子計算機聯鎖改造方案示意如圖3所示。

圖3 全電子計算機聯鎖改造方案Fig.3 Reconstruction scheme for all-electronic computer interlocking system

4.1 與信號機、轉轍機的接口

全電子聯鎖主機與信號機、轉轍機之間通過電子執行單元中的信號機模塊、轉轍機模塊實現接口，同時取消既有燈絲報警儀。電子執行單元將信號機點燈狀態、燈絲狀態和道岔表示狀態周期性反饋給聯鎖主機，并接收聯鎖主機的命令輸出安全信號控制信號機和轉轍機設備。

室外信號機、轉轍機線纜經防雷分線柜進入倒切機柜，倒切柜一側端子接至既有信號機點燈電路和轉轍機控制電路，另一側端子接至電子執行單元的信號機模塊和轉轍機模塊，通過倒切開關實現既有聯鎖或全電子聯鎖對室外信號機、轉轍機的采集和控制。

信號機點燈電源、繼電器工作電源和轉轍機動作電源、表示電源采用電源屏的相應回路電源接入倒切機柜，倒切機柜一側端子接至相應組合柜零層給組合供電，另一側端子接至全電子聯鎖電子執行單元機柜的相應電源端子給信號機模塊和轉轍機模塊供電。在實施中需要新敷設相應的電源電纜。

正常運營期間室外道岔轉轍機、信號機歸既有計算機聯鎖控制，信號機點燈電源、繼電器工作電源和轉轍機動作、表示電源倒切在組合柜側，調試期間和改造完成后期經過倒切機柜轉換至全電子聯鎖進行控制，同時相應電源倒切至電子執行單元側，如圖4 所示。

圖4 信號機、轉轍機倒切方案Fig.4 Switching plan for signal and switch machine

4.2 與軌道電路低頻發碼設備接口

通常情況下，既有聯鎖通過串口方式與軌道電路低頻發碼設備接口，全電子計算機聯鎖與軌道電路低頻發碼設備接口與既有保持一致。

全電子計算機聯鎖基于既有的聯鎖與軌道電路低頻發碼設備的接口方式和通信協議進行適配。全電子計算機聯鎖或既有聯鎖與軌道電路低頻發碼設備的接口通過倒切機柜實現倒切，正常運營期間倒切至既有聯鎖與軌道電路低頻發碼設備進行連接，調試期間和改造完成后既有聯鎖停用，倒切至全電子計算機聯鎖設備與軌道電路低頻發碼設備接口。

4.3 與既有列車自動監控（ATS）系統的接口

通常情況下，既有ATS系統與計算機聯鎖子系統的通訊采用安全通信協議的RJ-45接口交換數據。

新增設的全電子計算機聯鎖與ATS之間使用冗余網絡連接，硬件連接是使用標準的RJ-45端子及雙絞線物理連接，新增設的現地控制工作站和聯鎖主機均需要接入ATS網（聯鎖主機和現地控制工作站各預留兩個端口），軟件方面基于既有的聯鎖與ATS接口文件修改。實施中需要新敷設自全電子聯鎖設備至既有ATS系統之間的線纜，運營期間斷開全電子聯鎖和既有ATS的網絡連接，調試期間和后續改造完成后恢復全電子聯鎖和既有ATS的連接，斷開既有ATS和既有計算機聯鎖（CI）的連接。

4.4 與相鄰站聯鎖的接口

正線聯鎖與相鄰站聯鎖采用數字接口，通過冗余信號骨干網相連。

新增全電子聯鎖與正線聯鎖采用網絡接口實現站間信息互傳，需要鄰站開放網絡接口，軟件方面基于既有的CI-CI接口文件修改，實現新增聯鎖與既有聯鎖的站間通信。實施中需要新敷設自全電子聯鎖設備至本站既有聯鎖機柜內部接至臨站聯鎖的站間光纜轉換設備的網線，運營期間將來自臨站聯鎖的光纜轉換設備插上既有聯鎖設備的網線，調試期間和后續改造完成后將來自臨站聯鎖的光纜轉換設備插上全電子聯鎖設備的網線，斷開既有聯鎖和既有站間的連接。

4.5 與站臺門系統的接口

正線聯鎖接收站臺門系統提供的“門關閉且鎖閉”和“互鎖接觸”信息；向站臺門系統提供開/關站臺門指令。

在實施中需要新敷設自電子執行單元至倒切機柜的信號電纜。全電子聯鎖對站臺門相關狀態的采集以及命令的驅動都通過零散模塊直接采集和驅動。

正常運營期間，既有計算機聯鎖采集/驅動電路和全電子聯鎖零散模塊可以通過信號組合柜內站臺門相關繼電器的不同接點采集站臺門的狀態，或采用通過倒切機柜實現既有聯鎖或全電子聯鎖零散模塊對站臺門相關狀態繼電器的采集/驅動。

全電子聯鎖改造期間，全電子聯鎖可直接通過信號組合柜內站臺門相關繼電器的不同接點采集站臺門的狀態或通過倒切機柜實現全電子聯鎖零散模塊對站臺門的開關門控制調試，不影響白天正常運營。改造完成后，既有聯鎖停用，全電子聯鎖通過零散模塊實現對站臺門的控制。

4.6 與緊急關閉按鈕的接口

全電子聯鎖與緊急關閉按鈕通過零散模塊直接采集相應按鈕設備狀態。既有緊急關閉按鈕的繼電器控制電路仍保留。全電子聯鎖主機接受零散模塊送來的按鈕狀態，執行聯鎖邏輯關系。

全電子聯鎖電子執行單元零散模塊可通過緊急關閉繼電器不同接點對按鈕按下的狀態進行采集，或采用通過倒切機柜實現既有聯鎖或全電子聯鎖零散模塊與緊急關閉按鈕接口。正常運營期間緊急關閉由既有計算機聯鎖控制，調試期間和改造完成后經過倒切機柜轉換至由全電子聯鎖進行控制。

4.7 與車輛段/停車場聯鎖接口

通常情況下，既有聯鎖與既有車輛段/停車場聯鎖采用繼電接口方式。

全電子聯鎖維持既有與段場的接口電路不變，組合柜無需新增繼電器，既有聯鎖和全電子聯鎖的零散模塊通過倒切機柜實現與車輛段/停車場的接口，實現場聯繼電器的采集和驅動。利用倒切機柜實現運營期間、調試期間和改造完成后與車輛段/停車場聯鎖的站間接口。

既有聯鎖與全電子聯鎖的零散模塊通過倒切機柜實現采集、驅動繼電器倒切示意如圖5、6所示。

圖5 聯鎖采集繼電器倒切示意Fig.5 Switching diagram of interlocking acquisition relay

5 后期升級CBTC改造方案

5.1 與計軸設備接口

本文改造采用電子執行單元的方式與既有軌道電路設備接口，同時聯鎖主機通信控制器預留后期與計軸設備的通信接口。后期CBTC升級改造如新增計軸設備，全電子聯鎖與新增計軸設備按照通信接口方式，原軌道電路可按照備用設備處理或拆除，后續無需新增硬件設備。

圖6 聯鎖驅動繼電器倒切示意Fig.6 Switching diagram of interlocking drive relay

5.2 與ZC子系統的接口

后續既有線升級為CBTC系統，需要新增ATP地面子系統ZC，聯鎖與ZC接口基于安全通信協議，通過雙冗余以太網傳輸，本次全電子聯鎖改造通過聯鎖主機通信控制器即可預留此接口條件。后續無需新增硬件設備。

5.3 與VOBC子系統的接口

后期升級為CBTC系統，聯鎖通過車地無線通信方式與車載VOBC設備信息交互，此接口聯鎖無需修改和新增硬件。

5.4 后期升級CBTC全電子聯鎖改造

后期升級為CBTC系統，只需將原先預留的ZC通信接口和計軸設備接口打通即可，如圖7所示。

圖7 后期系統升級CBTC方案Fig.7 Scheme for subsequent upgrade to CBTC

1）全電子聯鎖軟件需要升級，滿足與鄰站聯鎖、ATS接口信息通信要求（如點、滅燈信息），接口方式和自身硬件保持不變。

2）全電子聯鎖與信號機、轉轍機、緊急關閉接口保持不變，電子執行單元先期配置數量需滿足后期改造新增設備需要。

3）信號系統與站臺門控制系統、與車輛段/停車場接口仍按照繼電接口方式，后期升級CBTC接口方式互傳信息保持不變。

4）軌道電路低頻發碼設備如后期升級CBTC按照降級模式考慮，聯鎖維持既有接口無需新增硬件設備和倒切設備。

6 結束語

本文提出的全電子計算機聯鎖改造方案，在聯鎖設備架構、功能和接口上均可滿足后期升級為CBTC系統的要求，無需新增硬件設備和倒切設備，只需要將聯鎖升級軟件，實現與其他子系統的接口需求。全電子計算機聯鎖改造可降低后期CBTC升級改造工程實施成本，其安全性、可靠性、可擴展性的特點更加明顯。