全電子聯鎖系統開發與應用研究

韓冰倩，宿秀元

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

1 概述

近年來，隨著城市軌道交通技術的快速發展，市場對CBTC系統自動化、集成化程度的要求越來越高，全電子聯鎖系統以其簡潔的系統結構、高效的處理速度、便捷的操作維護和低廉的建設投入獲得業主越來越多的青睞[1]，采用全電子聯鎖的CBTC系統的市場需求越來越迫切。本文將分析全電子聯鎖系統的技術特點，并對全電子聯鎖系統的架構及采驅流程進行研究和設計。

2 全電子聯鎖系統技術特點

2.1 傳統聯鎖系統

傳統聯鎖系統對于室外道岔、信號機、軌道電路等信號設備的控制仍然采用道岔控制電路、信號機點燈電路、軌道電路等繼電電路。繼電電路結構復雜且存在大量人工配線，因此存在混線、斷線等隱患，可能導致無法控制室外信號設備[2]。當發生故障時，需人工走查線路、識別故障位置、排查問題原因，對維護人員的專業素質要求較高，還會造成大量維護工作、耗費大量人力資源。除此之外，繼電器的價格高昂，且放置繼電器的組合架占據大量信號室面積，增加城市軌道交通建設的成本。因此，傳統聯鎖系統已難以適應現代化城市軌道交通的發展。

2.2 全電子聯鎖系統

全電子聯鎖系統是信號控制的新一代聯鎖設備，系統以計算機控制技術為核心，以電力電子開關技術為基礎，采用計算機通信、自動檢測等先進技術，實現電子化的聯鎖設備[3]。與傳統繼電接聯鎖系統相比，全電子聯鎖系統采用電子執行單元實現與室外道岔、信號機、軌道電路等信號設備直接進行接口。電子執行單元體積小、功能強大、便于組網，可以為CBTC系統自動化、信息化提供基礎信息、遠程管理和遠程診斷[4-5]。電子執行單元替代傳統的繼電電路實現對室外信號設備的控制，只保留少量配線用于對外接口，可減少混線、斷線等隱患的發生。一旦設備發生故障，系統能夠將設備故障精確定位到板級，維護人員可根據報警更換故障板卡，大大減輕維護工作量。電子執行單元相比繼電器，價格低廉且占空間小，應用電子執行單元，正線可減少30%信號室面積，車輛段可減少60%信號室面積。綜上所述，全電子聯鎖系統具有集成度高、維護工作量少的工程應用優勢，實現從工程實施、運營管理、到后期維護全生命周期的資源優化配置，可最大限度地降低軌道交通建設和運營維護成本。可見，采用全電子聯鎖的CBTC系統將帶動城市軌道交通產業快速發展。

3 全電子聯鎖系統架構

3.1 系統邊界

傳統聯鎖系統由人機對話層、聯鎖運算層、執行表示層構成，各層之間通過網絡保持通信，執行表示層采用I/O采集驅動方式，通過繼電電路控制室外信號設備，此時繼電電路不屬于聯鎖系統邊界范圍內。

全電子聯鎖系統與傳統聯鎖系統結構類似，同樣由人機會話層、聯鎖運算層、執行表示層構成。人機會話層與聯鎖運算層實現的功能基本與傳統聯鎖一致，人機對話層主要完成操作、顯示及維護的功能；聯鎖運算層主要完成聯鎖邏輯運算、同步及控制功能[6]；最大的區別為執行表示層，全電子聯鎖系統的執行表示層取消繼電電路，由電子執行單元構成，主要完成對室外信號設備的控制及監測，此時原來由繼電電路所承擔的接口功能由電子執行單元完成，屬于聯鎖系統邊界范圍內，因此全電子聯鎖系統的系統邊界有所擴大[7]，如圖1所示。

圖1 傳統聯鎖系統與全電子聯鎖系統邊界Fig.1 Boundary between traditional and full electronic interlocking systems

3.2 系統結構

全電子聯鎖系統包括聯鎖邏輯部子系統、電子執行單元、MMI控顯機子系統、聯鎖監測機子系統4大部分，如圖2所示。

圖2 全電子聯鎖系統結構Fig.2 Full electronic interlocking system structure

電子執行單元主要分為4個模塊，道岔模塊、信號機模塊、軌道模塊和通用輸入/輸出模塊，實現室外道岔、信號機、軌道電路等信號設備狀態的采集與控制，并且電子執行單元具有將信號設備模擬量信息轉化為數字量信息的功能，向監測機子系統發送模塊運行狀態及故障報警信息。

監測機子系統與傳統聯鎖系統中的監測機子系統有所不同，傳統聯鎖系統為開關量控制，沒有模擬量采集功能，需要增加獨立的傳感器來采集信號設備的動作電流等信息供監測機子系統使用。全電子聯鎖系統的監測機子系統除與邏輯部子系統通信外，還與電子執行單元采用以太網方式進行通信，獲取電子執行單元的狀態信息及報警調試信息。電子執行單元可以通過內置的采集電路直接生成監測機子系統需要的道岔動作電流、信號機點燈電流等信息，不再需要單獨安裝采集傳感器，監測機子系統根據道岔動作電流、信號機點燈電流等信息進行曲線繪制，從而實時監測、記錄室外信號設備的運行狀態，實現對整個全電子聯鎖系統的運行狀態監控。因此，全電子聯鎖系統能夠實現控制、執行、監測一體化的智能控制[8]。

3.3 網絡結構

全電子聯鎖系統的網絡結構如圖 3所示。系統內主干通信網絡分為 3 組網絡，分別為控制冗余網（控制網 A 和控制網 B為冗余網絡）、維護網（維護網 A 和維護網B為冗余網絡）和控顯冗余網（控顯網 A 和控顯網 B為冗余網絡）[9]。控制網用于交互控制命令及狀態，系統的聯鎖邏輯部子系統和電子執行單元連接此網；維護網用于維護信息的上傳，聯鎖監測機子系統和電子執行單元連接此網；控顯網用于人機控制命令和站場設備顯示信息的交互，系統的MMI控顯機子系統連接此網。

圖3 全電子聯鎖網絡結構Fig.3 Full electronic interlocking network structure

4 全電子聯鎖系統采驅流程

以信號機模塊為例，對全電子聯鎖應用軟件完成信號機采驅功能的流程進行分析。

傳統聯鎖系統通過繼電電路控制室外信號設備，對于信號機來說，聯鎖應用軟件需要根據采集到的繼電器前、后節點信息解析繼電器的狀態，再根據繼電器的狀態生成信號機顯示狀態，邏輯較為復雜；驅動命令時需驅動相應的繼電器動作以控制信號機亮、滅燈顯示，驅動順序錯誤易發生信號升級顯示的問題。

全電子聯鎖系統通過全電子模塊控制室外信號設備。就信號機來說，聯鎖應用軟件僅需在設備層面進行采集信號機狀態、驅動信號機命令，避開復雜的繼電器組合，避免繼電器模式下誤驅動繼電器造成信號機升級顯示的問題。

獲取信號機顯示狀態的流程如圖4所示。

圖4 獲取信號機顯示狀態流程Fig.4 Acquisition process of signal indication status

S1：對信號機模塊的設備類型、配置信息等進行校驗，校驗通過，則根據獲取到的顯示狀態生成臨時邏輯顯示狀態；

S2：狀態發生變化時，啟動計時，計時結束后生成邏輯顯示狀態；

S3：若邏輯顯示狀態為非法狀態則進行提示報警。

生成信號機驅動命令的流程如圖5所示。

圖5 生成信號機驅動命令流程Fig.5 Generation process of signal drive command

S1：獲取信號機邏輯控制命令并進行合法性校驗，校驗通過后根據邏輯控制命令生成驅動命令；

S2：下周期時，判斷邏輯控制命令與邏輯顯示狀態是否一致，不一致時開始計時，若計時達到閾值，信號仍未開放，則進行提示報警。

5 結語

基于全電子聯鎖的CBTC系統具有設備集成度高、維護工作量少、監測信息全的特點，能夠最大限度地降低軌道交通建設和運營維護成本，帶動軌道交通產業快速發展。可以預見，基于全電子聯鎖的CBTC系統即將迎來一個全面發展的重要機遇期，自主研發基于全電子聯鎖的CBTC系統具有極大的意義和必要性。

本文主要分析全電子聯鎖系統的特點，對全電子聯鎖系統的架構及采驅流程進行研究和設計。在實際應用的過程中，需要綜合考慮各方面因素，以更好地實現全電子聯鎖系統的功能。