電子化雙線雙向自動閉塞系統的設計與實現

張 杰

張 杰:蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室碩士研究生 730070 蘭州

由于CTCS-0、CTCS-1級 (以下簡稱C0、C1)系統的區間控制全部采用繼電器組合，維護和排除故障困難，大大降低了自動閉塞區段的通過能力，所以，有必要用一種更簡潔、更高效、更安全和易維護的方案來代替。隨著電子技術與通信技術的不斷發展，區間控制的電子化也更體現出其優越性和可實施性。故提出C0、C1區間雙線雙向自動閉塞電子化的實現方式。

1 系統硬件整體架構

區間控制系統的主機是核心運算部分，采用二乘二取二計算機硬件平臺，由2套聯鎖主機、冗余光纖網絡和冗余熱備的實時通信單元3部分組成。CPU主板由2路獨立的CPU處理器、總線硬件比較控制器、硬件自檢控制器、硬件同步控制器、I/F控制部件、全局冗余時鐘和光纖通信接口組成。通過硬件同步控制器、總線硬件比較控制器和軟件時間點同步相結合的方式，實現一種新的同步機制。主機通過以太網與車站聯鎖系統、CTC設備、監測維護終端連接通信，與鄰站區間控制系統通過站間2Mb/s網連接通信。主機通過現場CAN總線與全電子執行模塊通信，進行相應設備的驅動和數據采集。監測維護終端也從現場采集數據，并上傳集中監測系統。

全電子執行單元繼電器采集模塊 (JCJ)，繼電器驅動模塊 (JQD)，信號機點燈模塊 (LXA)，電碼化模塊 (ZDM)均采用“二取二”與邏輯控制結構，具有過流保護功能，實現了信號的控制、監測、監督一體化。CAN總線采用廣播通信模式，主機將整個總線上所有模塊的數據包按地址從低到高依次發送到CAN總線上，然后等待CAN總線上的電子模塊返回狀態數據。系統整體框架圖如圖1所示。

2 主機軟件設計

主機采用實時多任務操作系統VxWorks。該系統由400多個相對獨立的、短小精煉的模塊組成，用戶可根據需要選擇適當模塊來剪裁和配置，有效地保證了系統的安全性和可靠性。多任務環境允許一個實時應用作為一系列獨立任務來運行，各任務有各自的線程和系統資源，VxWorks系統提供多處理器間和任務間高效的信號、消息隊列、管道、網絡透明的套接字和最快速的硬件中斷處理。主機的主要功能如下。

圖1 區間控制系統整體框圖

1．根據列車進路狀態和軌道區段狀態，實現區間軌道電路的載頻、低頻信息編碼功能，并控制區間軌道電路發送方向。

2．實現區間運行方向與閉塞控制邏輯運算。

3．通過2Mb/s端口實現站間安全信息傳輸，向鄰站實時傳輸區間軌道電路狀態、區間方向等安全信息。

4．區間信號機點燈控制邏輯運算。

5．應能實現中繼站控制。

區間控制主機軟件流程圖如圖2所示。

2.1 通信初始化模塊

主機與車站聯鎖系統、鄰站主機和微機監測通過以太網連接，使用CRC校驗保證數據安全。主機與全電子執行模塊之間采用CAN通信，該模塊也完成CAN卡和通信端口初始化。當所有以太網通信和CAN通信正常時，主程序開始運行并隨時檢查通信狀態，否則監聽等待。通信模塊流程圖如圖3所示。

2.2 數據發送與接收模塊

根據通信協議，主機要從車站聯鎖系統得到接、發車進路信息，區間方向控制命令，進站信號機燈絲斷絲信息;從鄰站主機得到鄰站閉塞分區情況及線路改方信息。主機要向車站發送區間方向表示信息、閉塞分區狀態信息、信號降級信息、離去區段防護信號機紅燈斷絲信息;并發給鄰站主機本站的閉塞分區情況及線路方向信息。此外，主機還要發給監測維護終端區間控制主機狀態記錄、區間信號點燈狀態、軌道電路編碼、方向繼電器驅動輸出、與ZPW-2000系統的接口報警信息等。

主機要發送的信息都有各自的打包函數，每條信息40字節，有CRC校驗信息。對于接收到的數據也有相應的解包函數。打包、解包過程都用關鍵代碼段保護，保證數據安全。

2.3 核心邏輯運算模塊

核心運算模塊分為改方邏輯模塊和自動閉塞模塊2個主要部分。改方模塊主要完成線路的正常改方和輔助改方;自動閉塞模塊主要完成區間的信號點燈和軌道編碼。

2.3.1 改方模塊

與鄰站通信全部采用2 Mb/s以太網，故以前繼電改方線路無論四線還是二線，全部被新的通信方式替代，原來改方電路的16個繼電器只保留FJ一個實體繼電器，其他如GFJ、JQJ、JQJF由于改方邏輯和防止輕車跳動的需求，都用虛擬的方式來實現。新的改方邏輯以四線制改方邏輯為基礎，在保證安全和繼承其所有優點的情況下，使改方邏輯變得更簡捷，更高效。改方模塊流程圖如圖4所示。

圖2 區間控制主機軟件流程圖

圖3 通信模塊流程圖

圖4 改方模塊流程圖

正常改方:當接車站有發車請求時，主機先檢查JQJF是否吸起，如果吸起使接車站GFJ吸起，通過站間2Mb/s網傳給發車站，發車站接到接車站的發車請求時，檢查在沒有辦理發車進路的情況下，取消發車權，GFJ落下，FJ吸起，改為接車站，并且把改方成功標志置1，代表發車站改方完成，否則改方成功標志置0，然后發回接車站;接車站接到發車站改方成功標志為1后，檢查JQJF是否吸起，如果吸起則使GFJ吸起，FJ落下，改為發車站，改方成功。

輔助改方:當區間故障，某個閉塞分區GJ無法正常吸起，雖然區間空閑但卻無法正常改方時，由兩站值班員人工確認區間空閑后，接車站向主機發出輔助發車請求，主機則跳過檢測JQJF直接使GFJ吸起，發往發車站請求改方，發車站檢測沒有發車進路則取消發車權，GFJ落下，FJ吸起，改為接車站，改方成功標志置1，代表發車站改方完成，否則改方成功標志置0，然后發回接車站;接車站接到發車站改方成功標志為1后，使GFJ吸起，FJ落下，改為發車站，等待排出發車進路，輔助改方成功。

主機實時監測發車站與接車站FJ的狀態，一旦出現雙發情況，立即導向安全側并報警。

2.3.2 自動閉塞模塊

區間根據模塊化設計，以閉塞分區為單位設計相應的類，根據功能不同又分為普通閉塞分區類，一接近、二接近、三接近類和反向一接近、二接近、三接近類。其中的核心方法是點燈和發碼邏輯。對于三顯示或四顯示普通閉塞分區的點燈和發碼，都是根據運行前方2個或3個閉塞分區的GJ來判斷;對于一、二、三接近不光要根據前方閉塞分區的空閑情況來判斷，還要根據車站發來的進路號來判斷。對于C0、C1區間，根據進路號判斷進站信號機顯示，即進站信號機的5個繼電器(LXJ，TXJ，LUXJ，YXJ，ZXJ) 的狀態，來控制接近區段點燈、發碼。反向運行時，所有區間信號燈滅燈，除了反向接近區段正常發碼外，其他區段都發白碼。

對于不同區間，可以根據具體情況來組裝相應的區間，每個閉塞分區為一個獨立模塊，每條線路各模塊都是采用向量的方式來存儲，運算和查找都非常高效。自動閉塞模塊還可完成紅燈斷絲轉移和降級顯示功能。

2.4 執行模塊

通過核心運算層后，系統將根據不同模塊類型與地址打包信息，下發命令。數據結構片段如下。

執行模塊通過CAN A，CAN B返回的狀態信息分別存入Status和Status1中，等待程序進行同步和相同性檢測。

3 系統安全性分析

1．主機采取二乘二取二安全架構，其軟件核心運算層采用多次運算比較結果是否一致的方法，來確保輸出的控制命令正確無誤。既可以防止計算機的瞬時故障，還可以有效防止尖脈沖的干擾以及接觸不良等情況。

2．軟件對各任務模塊進行實時監測，如果其中有任何一個任務在1 min內沒有被調度執行，則系統重新啟動。

3．總線上的電子模塊只有接收到2次有效命令才會動作。模塊在連續3 s內收不到主機下發的任何有效控制命令，則自動實現故障-安全控制輸出。2條總線的命令發送時間差小于等于50 ms，如果超時則輸出導向安全側。

4 結束語

既有鐵路還有很多線路運行在C0，C1級，本區間電子化閉塞系統采用電子邏輯代替繼電邏輯，節省大量繼電器，而且也使日常維護和定位故障點變的更加高效、準確。改方電路更加簡捷高效，安全性和可靠性也得到提升。為了與CTCS-2和CTCS-3級列控系統更好的銜接，稍加改動可直接應用于CTCS-2，CTCS-3區間控制。在鐵路信號電子化的大趨勢下，本系統在工程造價、安全性和可靠性及普速鐵路與高鐵銜接過渡等方面都有重要的參考價值。

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