全電子聯鎖開發和應用研究

付立民

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

計算機聯鎖的研究20 世紀70 年代起于歐洲，至20 世紀80 年代在歐洲、日本等國家已經有了較多的計算機聯鎖應用 。而國內對計算機聯鎖的研究是從20 世紀80 年代開始的，1999 年以后，國內的幾個聯鎖廠家陸續從日本等國家引進了K5B 等型號的計算機聯鎖平臺，計算機聯鎖進入快速發展時期。目前國內新建車站，普遍采用了計算機聯鎖設備，高鐵和客專線路，全部采用了計算機聯鎖設備。

目前在國內廣泛使用的計算機聯鎖，其與室外設備的結合部分采用的是與6502 類似的安全型繼電器構成的接口電路，而全電子計算機聯鎖系統則取消了此繼電器接口電路，能大大減少設備在機械室占地面積，提高系統的智能化和信息化水平。

軌道交通信號系統的一個發展方向是減少軌旁設備的數量、降低維護工作強度，全電子計算機聯鎖系統在這方向有無可比擬的優勢。全電子模塊的廣泛使用，可以通過現代化的冗余、可靠性技術，以及分布式的軌旁布置，實現系統可用性的提高、維護工作量的減少。

2 全電子聯鎖

2.1 電子聯鎖發展

從國外軌道交通聯鎖的發展來看，經歷了從機械式聯鎖、電氣聯鎖、計算機聯鎖向全電子化聯鎖的發展過程。國內的聯鎖發展也有類似的經歷。

國內計算機聯鎖系統的制式發展主要經歷了雙機熱備、二乘二取二等兩個階段，三取二制式的聯鎖在國內并沒有廣泛使用。國內計算機聯鎖的規模應用開始于2000 年左右，但限于2000 年左右電子技術發展水平和對于計算機的不信賴，計算機聯鎖系統大部分使用工業控制計算機或從國外引進的安全平臺，以繼電器作為執行電路，由自己開發聯鎖應用軟件實現6502 電氣集中的邏輯功能。如北京全路通信信號研究設計院集團有限公司與株式會社京三制作所聯合開發的二乘二取二DS6-K5B 型、北京交大微聯科技有限公司與日本信號股份有限公司聯合開發的EI32、中國鐵道科學研究院與株式會社日立制作所聯合開發的TYJL-ADX 型、卡斯柯信號有限公司的安全型計算機聯鎖iLOCK 等。

隨著電子技術的發展，計算機聯鎖的成熟應用，安全控制技術和標準的廣泛應用，計算機聯鎖的發展迎來第4 個階段：全電子聯鎖系統。

2.2 全電子聯鎖定義

全電子化聯鎖系統是綜合利用現代電子信息技術、電力電子開關技術、嵌入式計算機技術、安全控制技術、安全性和可靠性冗余技術、容錯和避免技術，以實現鐵路車站信號控制的全電子化、模塊化，為鐵路信號設備的升級和換代提供安全、先進、可靠的成套技術與系列裝備。

與傳統計算機聯鎖類似，全電子聯鎖也由安全平臺+聯鎖應用軟件構成。全電子聯鎖使用的電子接口型安全平臺是在繼電接口安全平臺基礎上發展而來。繼電接口型安全平臺與外部信號設備不直接連接，一般是通過繼電器接口電路控制室外信號設備。電子接口型聯鎖取消了繼電器接口電路，安全平臺直接與室外信號設備連接，如圖1 所示。

電子接口型安全平臺由于取消了中間的接口電路，可以獲得可靠性、經濟性的提升。傳統的繼電接口電路，除完成接口功能外，還承擔防護功能，如聯鎖的道岔四線制電路，有室內外表示一致性校核功能。全電子接口型安全平臺設計時，應繼承原來接口電路的安全功能，從整體上不降低整個系統的安全性。

電子接口型安全平臺取代傳統的繼電器接口電路，面臨的主要問題是由原來的弱電控制向強電控制的轉換 ；缺少了繼電接口電路的隔離，直接面對室外的強干擾 ；電子器件故障時如何做到導向安全（如控制信號機的模塊故障時要求點亮紅燈）。

電子接口型安全平臺也可以提供一些傳統繼電接口電路不容易實現的功能，如基于編碼的電路，以實現更強的混線防護 ；信號機模塊的軟件啟動功能，以延長信號燈壽命 ；信號機模塊的冷絲檢測功能，以盡早發現當前不在點亮狀態的燈絲斷絲。

2.3 系統特征

全電子化聯鎖系統具有以下3 個特點。

1) 執行驅動電子化

傳統計算機聯鎖執行層并不直接與室外設備接口，而是通過與6502 相同的執行組電路與室外設備接口，采用了大量鐵路專用繼電器，這些繼電器本質上是機械器件，存在易氧化的接點，并且根據其動作次數、承載的電流大小等，需要定期檢修和更換。全電子化聯鎖系統不再采用重力型安全繼電器，采用電力電子開關器件實現對室外設備的控制，可提高系統的可靠性，并降低維護要求。

2) 監測一體化

為便于故障查找和設備維護，聯鎖一般都會配套信號集中監測，以采集信號設備的動作電流、工作電壓等信息，如形成道岔的電流動作曲線。傳統計算機聯鎖為單純的開關量控制，并沒有模擬量采集功能，全電子聯鎖模塊由于直接控制信號設備，可以由內置的采集電路直接生成信號集中監測需要的各種信息，不再需要單獨安裝采集傳感器。

3) 設備小型化

全電子化聯鎖系統由于采用電子器件實現了6502 執行組電路的功能，大大減少設備體積。如采用6502 執行組電路時，一個道岔組合至少需要7個繼電器（定操繼電器，反操繼電器,一啟動繼電器，二啟動繼電器，定位表示繼電器，反位表示繼電器，允許操作繼電器），而這些繼電器可以采用一個小小的全電子模塊來代替，減少了現場設備的施工和維護工作量。

3 開發和應用

3.1 標準要求

全電子聯鎖應符合的標準，主要有3 類，如圖2所示。

圖2 全電子聯鎖開發標準規范Fig.2 Standard specification for development of full-electronic interlocking

第一類是通用的安全標準，如適用于安全軟件的EN50128,適用于軌道交通信號應用中的安全相關電子系統（包括子系統和設備）的EN50129，以及面向整個RAMS 各因素的EN50126。

第二類為鐵路信號行業類標準，如《鐵路信號產品環境條件地面固定使用》（TB/T 1434），《鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》（TB/T 3074），《LED 鐵路信號機構通用技術條件》（TB/T 3242）,此類標準提供了對運行環境、所控制設備等方面的外部要求和約束。

第三類為計算機聯鎖直接相關的標準。全電子聯鎖也屬于計算機聯鎖的一種，對于計算機聯鎖設備，除遵守以上的通用標準，在國內，還有專門的行業技術規范《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》（TB/T 3027），該鐵道行業標準規定了車站計算機聯鎖的聯鎖功能、可靠性與安全性、硬件結構與軟件要求、接口與通道、操作與表示、電磁兼容與雷電防護等方面的要求。該標準主要是針對傳統的繼電接口計算機聯鎖，只是在第13 章中，提到對電子執行單元的要求，要求也較為簡單，只有6 條，是從宏觀上原則性的提出對電子執行單元的要求，如電子執行單元的設計應符合故障—安全原則，不應產生危險側動作，以及宜具備信號設備運行參數采集功能等。

除《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》（TB/T 3027）外，與計算機聯鎖密切相關的另一個鐵道行業標準是《鐵路車站計算機聯鎖安全原則》（TB/T 3482），該標準規定計算機聯鎖系統設備功能安全的原則要求，在該標準的第9 章，同樣有針對電子執行單元的6 條要求，主要規定了全電子執行單元的安全等級，通信中斷的處理、與室外設備連接的斷線、短路、接地、混線要求，以及電子執行單元的抗干擾要求、信號設備運行參數采集功能不能影響安全性等要求。

3.2 系統結構

傳統計算機聯鎖系統結構分為人機對話層、聯鎖運算層、執行表示層。各層之間一般通過網絡來進行通信，執行表示層采用電纜與被控制繼電器連接。

人機對話層的主要功能有兩個：接收值班員的操作命令，發送給聯鎖運算層 ；接收聯鎖運算層的狀態表示信息，顯示站場和設備狀態，并給出報警和提示信息。

聯鎖運算層負責聯鎖邏輯運算，接收來自人機對話層的操作命令和執行表示層采集到的接口設備狀態，根據聯鎖邏輯和內部狀態進行運算，生成給執行表示層的控制命令。

執行表示層的主要功能有兩個：采集接口設備的信息，并發送給聯鎖運算層 ；接收來自聯鎖運算層的輸出命令，控制驅動接口繼電器。

執行表示層通過繼電電路與室外信號設備接口，該繼電電路與6502 電氣集中對室外設備的控制和表示電路基本相同。

全電子聯鎖系統結構與傳統計算機聯鎖系統結構類似，由人機對話層、聯鎖運算層、執行表示層等3 部分組成。

全電子聯鎖的人機對話層和聯鎖運算層功能與傳統聯鎖的一致，執行表示層則構成與傳統聯鎖的最大區別：全電子聯鎖的執行表示層采用電子執行單元，電子執行單元接收來自聯鎖運算層的控制命令，控制現場設備的動作 ；電子執行單元同時采集現場信號設備狀態并發送給聯鎖運算層。同時，電子執行單元還具備將現場設備的模擬量信息（如道岔動作電流曲線、信號點燈電流等）轉化為數字量的功能，以提供傳統信號集中監測設備的功能。

3.3 安全要求

全電子聯鎖屬于計算機聯鎖的范疇，相對于以繼電器作為接口的傳統計算機聯鎖，全電子聯鎖取消了繼電接口電路，需要將原來由繼電接口部分所承擔的接口功能，納入聯鎖系統，邏輯上來說系統邊界有所擴大，如圖3 所示。3482）有明確規定，即“計算機聯鎖設備在規定的使用條件及運行環境下和預期壽命階段內，安全功能每小時容許危害率應小于1×10-8”。對于全電子聯鎖來說，系統的整體安全目標可以繼承傳統計算機聯鎖的整體安全目標。

考慮到傳統計算機聯鎖與全電子計算機聯鎖邏輯功能邊界的不同，從安全功能分配的角度，納入全電子系統范疇的接口功能部分，其安全功能至少要繼承傳統聯鎖執行表示層的安全功能，并且需要考慮實現傳統聯鎖所采用的繼電電路實現的安全功能。

傳統的繼電接口電路符合故障—安全原則，并且采用了安全型繼電器，可以歸為本質安全（固有故障安全）一類。全電子聯鎖的電子執行模塊應提供至少相應的安全功能，在安全完整性要求方面，電子執行單元安全完整性等級要求與聯鎖執行表示層相同，應至少滿足執行表示層的安全設計原則和要求。電子執行單元不應產生危及行車安全的驅動和信息輸出。

兩者比較如表1 所示。

圖3 繼電和全電子聯鎖邊界Fig.3 Relay and full-electronic interlocking boundary

表 1 兩種接口比較Tab 1 Comparison of two kinds of interfaces

全電子模塊的種類，一般分為信號機模塊、道岔模塊、軌道電路模塊、電碼化模塊、方向電路模塊、通用輸入輸出模塊、零散模塊等。其中比較典型的是信號機模塊和道岔模塊，下文以這兩個模塊為重點進行說明。

對于傳統繼電接口的計算機聯鎖，其安全性指標，在《鐵路車站計算機聯鎖安全原則》（TB/T

3.4 信號機模塊

信號機模塊的設計，整體上有兩種方案，一種方案是智能控制模塊，聯鎖運算層直接下發組織點燈命令（如綠黃，雙黃，引導，單黃），燈光的組合、斷絲處理均由模塊執行。另一種方案是通用控制信號模塊，該方案信號機模塊的邏輯特別簡單，各燈位的組合控制、斷絲檢查處理均由聯鎖邏輯部完成，模塊只是簡單響應聯鎖運算層各燈位的命令（如第1 燈位黃燈，第2 燈位綠燈），兩種方案比較如表2 所示。實燈泡沒點亮時燈絲是否完好（如可以發光，但在測試中不發光）。對于LED 燈，進行對等的測試，以核實到信號燈頭的配線和有關電路是否完好。

3.5 道岔模塊

表 2 兩種方案比較Tab 2 Comparison of two designs

無論采用哪種方案，信號機模塊，或信號機模塊+聯鎖運算層，都應完成6502 信號點燈電路中的如下功能。

斷線和混線保護：信號點燈電路是安全電路，因為它有室外聯系線路，所以設計信號點燈電路時，既要考慮斷線保護，又要考慮混線防護。

燈絲監督功能：同時點亮兩個或以上允許燈光時，如果其中一個燈泡斷絲，可能會引起信號的升級顯示 ；點亮單個燈光時，發生斷絲，也應及時反饋。

組合燈位控制功能：如點亮兩個或以上允許燈光時，兩個燈位點亮的順序應不會引起信號的升級顯示。

相比較于傳統的繼電接口電路，信號機模塊可以利用模塊電子模塊邏輯功能強，診斷能力強的特點，實現以下功能。

軟啟動功能：點燈時，啟動電路在一定時間內逐漸增加到正常值，以避免燈絲點亮時的大電流沖擊，可以顯著的提高燈光的壽命，提高整個系統信號可靠性，降低維護成本。

絲冷檢測功能：對白熾燈泡進行的測試，以核

控制道岔啟動，并且取得表示的電路稱道岔控制電路，在繼電式聯鎖和計算機聯鎖兩種制式中，道岔控制電路基本相同，可以說計算機聯鎖沿用了繼電式聯鎖的控制電路。

傳統道岔控制電路應滿足的技術條件，在《6502 電氣信號電路》一書中有詳細的要求，如道岔啟動時，檢查區段鎖閉、進路鎖閉，道岔啟動后一轉到底等。

國內常用的四線制和五線制電路，設計巧妙，有很強的安全防護能力，尤其是對室外斷線、短路、接地、混線的防護，以及室內外道岔表示一致性的檢查方面。如表3 所示是對四線制道岔啟動電路，分析X1 至X4 錯接，短路，以及室外二極管故障的后果分析，由分析結果可見，該電路對室外的各種故障有很強的防護能力，可以大大增強道岔表示的安全性。

表 3 故障防護能力Tab 3 Fault protection capability

傳統道岔控制電路的另一個特點是具有道岔表示的室內外一致性校核功能。道岔是關鍵的信號設備，道岔表示尤其重要，從歐洲主要聯鎖廠家的來看，對道岔表示功能也十分重視，普遍采取措施保證道岔表示的正確性，如道岔設備的采集狀態與控制命令結合進行判斷，以降低道岔表示電路故障帶來的風險。

1) 發出道岔轉換命令后，聯鎖軟件應切斷道岔表示，在規定的時間內采集到與發出命令一致的道岔表示后，才認可表示信息。否則道岔表示維持在四開狀態。

2) 處于四開狀態的道岔，無控制命令時，讀取到的定位或反位狀態不直接采用。

3) 只有經過連續定位和反位操作，并結合定位和反位表示，道岔表示方可采用。

4) 系統初始化時，道岔表示應采取人工確認等方式，避免系統掉電期間的故障產生錯誤表示。

道岔模塊設計時，應充分考慮繼承傳統道岔控制電路的既有安全防護功能。

3.6 分布式控制

分 布 式 控 制 系 統（Distributed Control System，DCS）也稱集散控制系統，是對生產過程進行集中管理和分散控制的計算機控制系統，是隨著現代大型工業生產自動化水平的不斷提高和過程控制要求日益復雜應運而生的綜合控制系統，它融合了計算機技術、網絡技術、通信技術和自動控制技術，是一種把危險分散，控制集中優化的新型控制系統。系統采用分散控制和集中管理的設計思想，分而自治和綜合協調的設計原則，具有層次化的體系結構。

全電子聯鎖系統可以采用集中聯鎖、分散控制的分布式控制結構，主要由聯鎖邏輯運算和操作表示部分、數據網、終端電子執行單元組成。受益于通信設備快速發展的安全通信技術的應用，全電子聯鎖系統很容易實現分布式控制，終端電子執行單元的軌旁布置。采用分布式控制，優點如下：

1) 被控子站只設置電子執行終端，與采用獨立聯鎖系統相比，可明顯降低投資 ；

2) 終端電子單元可以在軌旁布置，不占用機械室面積；

3) 終端電子執行單元與邏輯部間采用通信方式，可以節省由機械室至室外設備的電力電纜，降低投資，解決傳統電纜傳輸距離受限的問題，并從根本上改善電力電纜導致的短路、接地等問題。

3.7 聯鎖列控一體化

目前全電子聯鎖在國內的應用還處于初級探索階段，大部分全電子聯鎖的應用是在路外車站，國家干線鐵路并未普遍采用，傳統的繼電接口的計算機聯鎖，從用戶使用感受、設備的安全性和可靠性來講，已經得到了廣泛的認可。

眾所周知，目前國內鐵路采用的是聯鎖和列控分開設置的方案，該方案的初衷是為了減少對既有聯鎖系統的影響，設置單獨的列控中心來完成區間控制、軌道電路編碼、應答器控制等功能。

聯鎖和列控分開設置，在高鐵建設的初期有特定的意義和價值，但其存在的問題也是有的，如聯鎖和列控中心功能存在重合，耦合度較高，內部關鍵變量不能共享，相同信息多重采集傳輸。

如果將聯鎖和列控進行一體化設置如圖4 所示，將列控中心、聯鎖功能重新優化分配，集中交換信息，實現系統內部數據共享，則可以克服以上不足。

圖4 一體化信息流Fig.4 Integrated information flow

全電子聯鎖可減少軌旁信號設備數量，具有占地面積小，施工配線少，維護簡單，故障診斷能力強等特點，全電子聯鎖的開發，可將車站列控中心控制的設備一并考慮在內，增加軌道電路模塊、電碼化模塊、應答器控制模塊、方向電路模塊等，并運用分布式控制技術，使列車運行控制系統走向統一化、簡潔化、電子化，同時也可以加速全電子聯鎖的推廣使用。

4 總結

本文回顧了電子聯鎖的發展，描述全電子聯鎖系統的構成、系統的特征，以及全電子聯鎖系統與傳統聯鎖的區別，研究全電子聯鎖開發應遵守的標準和規范，并分析全電子控制模塊的安全要求，對于信號機模塊和道岔模塊進行重點的闡述。文末對全電子聯鎖的分布式控制和與列控一體化進行探討，在聯鎖列控一體化的背景下，全電子聯鎖有廣闊的發展空間。