全電子計算機聯鎖的發展與規模化應用

陳亮

摘 要

本文結合全電子聯鎖的發展歷程，總結了全電子聯鎖的特點，對當前全電子聯鎖規模化推廣應用進展比較緩慢的原因進行了分析，闡述了全電子化后對傳統計算機聯鎖的工程范圍、施工調試、維護管理等各方面的影響。

關鍵詞

全電子計算機聯鎖;聯鎖系統

中圖分類號： U284.362 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.004

Abstract

Combined with the development of full-electronic interlocking， this paper summarizes the characteristics of full-electronic interlocking， analyzes the reasons for the slow progress of the popularization and application of full-electronic interlocking on a large scale， and expounds the influence of full-electronic interlocking on the project scope， construction commissioning， maintenance management and other aspects of traditional computer interlocking.

Key Words

Full-electronic Computer Interlocking System

1 全電子計算機聯鎖發展歷程

鐵路信號技術最早可以追溯到1841年英國采用的臂板信號機，在1856年出現了機械聯鎖裝置，隨后經歷了一個漫長的發展過程，于1978年在瑞典哥德堡開通了第一個計算機聯鎖車站[1]。同期，中國在20世紀70年代實現了從機械聯鎖到繼電聯鎖（6502）的轉變[2]，并于1984年開通了第一個計算機聯鎖加繼電器接口軌旁設備的聯鎖系統，至今主流的計算機聯鎖系統仍然保持著該模式。

在國外，幾家電子技術實力比較強的信號廠商，如西門子、ABB和京三，先后采用了全電子化接口的計算機聯鎖系統，體積小、安全可靠性高，深得用戶認可。我國從1996年開始研制全電子聯鎖技術，1999年被納入鐵道部《鐵路科技發展計劃項目》，并于2000年1月通過鐵道部技術審查。該系統從2001年開始，先后在信陽電廠、襄樊北機務段整備場投產使用。然而在接下來的十幾年期間，發展一直比較緩慢，基本上都是在地方鐵路或支線鐵路上應用。隨著我國高鐵應用的日趨廣泛，對設備可靠性和安全性要求越來越高，網絡化、智能化已經成了當今鐵路信號發展的主要趨勢。全電子聯鎖低故障、易維護、高集成的優點，正好契合了這個要求。在《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》[3]中，已經將電子執行單元納入管理。目前正在規劃研究的列控-聯鎖一體化系統，已經明確要求可通過全電子執行單元對軌旁設備進行控制。

2 全電子計算機聯鎖系統結構和特點

全電子計算機聯鎖系統，聯鎖運算部分與既有計算機聯鎖是完全相同的，其主要區別在于執行表示部分。全電子聯鎖系統結構如圖1所示。

目前國外的全電子執行單元基本上是單系結構，一個模塊控制一個軌旁信號設備。這樣的配置如果單個模塊發生故障了，將會影響運營。我國早期的全電子執行單元也基本上是單系結構，近來，隨著信號系統對可靠性的要求不斷提高，大多數信號企業均已開發出了冗余的電子執行模塊。電子執行模塊的冗余技術要求比較高，并且根據其特點不同，有采用主備切換技術設計，也有采用并驅并采技術進行設計的不同方案[4]。

各電子執行模塊通過冗余的通信模塊與聯鎖機進行通信，通信模塊具備冗余的通信通道，根據電子執行模塊與聯鎖機所處位置和距離，可采用光纖方式進行通信。由于采用了網絡化的結構，電子執行單元也可根據需要直接就近放置于軌旁，只要鋪設好通信通道即可。

電子執行模塊一般是采用2取2的組合故障安全技術進行設計。由于采用了微電子技術，可以對模塊各元器件進行智能檢測，在設備故障時給出精確的故障診斷信息。電子執行模塊既可對軌旁設備進行控制，比如控制轉轍機的動作、信號機的開放和關閉，又可以對軌旁的設備狀態進行監視，通過采集軌旁設備的模擬量信息，判斷這些設備的表示以及健康狀態。

相較于傳統的繼電器接口方式，全電子化的接口具有很多優點：

高安全性：

全電子系統對聯鎖輸出命令和執行返回狀態進行校核，使整個系統具有更高的安全性。全電子系統在一定程度上緩解了使用封連線帶來的安全問題。全電子系統減少了中間的施工環節，利于在工廠進行集成，減少了原來施工中容易出現的錯配線等安全隱患。

高可靠性：

全電子系統支持熱插拔，允許用戶不關閉系統，進行執行單元更換，確保了系統不間斷工作。配線簡單，降低了繼電電路施工配線容易發生錯誤及接點虛焊的問題，大幅縮短了施工周期，提高了施工質量。可規避繼電接口混線、斷線的故障。可規避繼電接口時接口電路非冗余的低可靠性問題。

維護便利：

完善的自檢設計，故障定位更加精確。熱插拔設計，方便維護。接口簡單，維護容易。

小空間，低投資：

插卡式設計，體積小巧，節約機房面積，減少施工調試成本。

易擴展：

模塊化設計、網絡化的結構，適用于不同規模不同配置的車站應用，并能滿足遠程集中控制、模塊自由分散設置的用戶需求[5]。

3 全電子聯鎖規模化應用現狀

如前文所述，全電子聯鎖有著許多優點，小空間、低投資、少維護、易擴展、高冗余，任何一條都是十分有吸引力的，而為什么至今為止，全電子聯鎖僅僅是在支線鐵路，甚至多數是地方或礦山鐵路應用呢？

首先，缺少明確的規范。在TB/T 3027-2015《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》修訂之前，沒有任何地方提及全電子聯鎖的技術要求。而TB/T 3027-2015《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》雖然將全電子執行單元納入，并無詳細的規定。無規矩不成方圓，鐵路信號是個非常嚴謹的行業，是關系到億萬人民群眾出行安全的行業，因此，在規范不明確的情況下，不可能進行大規模的推廣。

其次，一項新的技術從出現到成熟運用需要經驗積累。全電子聯鎖起源于國外，然而全電子執行單元直接控制著軌旁的設備，國內外的軌旁設備有很大差異，在軌旁控制要求上也不同，比如國外的道岔電路基本上是驅動和表示分離的，而國內為了節省電纜，多數是共用接口的。因此沒有辦法直接借鑒國外的經驗，一切要從頭開始。

再次，信號行業沒有準備好全面接納全電子聯鎖。從意識層面，很多信號專業人員感覺沒有了繼電器的隔離，心里不踏實。在設計方面，不同廠家的全電子模塊都不同，尚缺乏統一的標準，因此不能像設計傳統的繼電器接口那么得心應手。在維護使用方面，面對微電子智能電路，信息看不見、摸不著，以前積累的維護經驗毫無用武之地，尤其是室內外結合電路，以往根據室內各繼電器狀態或監測的不同點電壓就能判斷出故障點，換了全電子后感覺無從下手。

4 全電子聯鎖進一步規模化推廣應用的工作

目前，政策層面已經有了利好消息。正在討論的列控-聯鎖一體化的技術規范中，已經明確了將可以采用全電子執行單元作為軌旁設備的接口，并且對全電子執行單元的功能和接口設計都做了較詳細的規定。隨著一體化的試點，意味著高鐵的大門已經為全電子打開了。城市軌道交通協會也已經著手修訂相關的技術規范，擬在地鐵中納入全電子聯鎖設備。廣州、深圳、杭州等城市，已經規劃了若干試點項目，距離全電子在地鐵正線上運用已經不遠了。

各個信號廠商紛紛拿出了自己的全電子產品，積極在支線鐵路和廠礦企業進行試驗，收集現場數據，積累應用經驗，為規模化推廣做準備。

全電子模塊特點是跟所連接的軌旁設備功能密切相關，因此，幾乎沒有辦法像以前繼電器接口那樣，只要一塊驅動板，一塊采集板幾乎就可以包打天下。比如一個轉轍機控制模塊，要包含電機驅動功能、電流采集功能、電壓采集功能、相序判斷功能，波形判斷功能等等，要實現以往道岔電路中各種技術要求，比如一旦啟動要轉動到底，到位之后自動停轉，控制和表示的互鎖，隨時可以向相反方向轉動等等，麻雀雖小五臟俱全，一個模塊就是一個系統。尤其是不同模塊功能不同，能夠重用的部分幾乎很少。這就導致全電子模塊的成熟穩定會比較慢，需要大量的應用經驗，需要不斷的修正和改進，才能滿足鐵路信號產品高安全、高可靠的要求。

全電子模塊另外一特點是直接連接至軌旁設備，容易引入室外高壓浪涌沖擊，因此安全隔離防護要做到位。傳統的計算機聯鎖有繼電器接口作為隔離，電子設備與室外的高壓、強干擾有著較強的隔離空間，能夠保持工作穩定。有鑒于此，全電子設備在防護雷電沖擊、浪涌保護、混線混電（尤其是高壓電）、電磁干擾和輻射等各方面，形成一個多級防護系統，在最不利的情況下，保證將故障的影響縮小到一個足夠小的范圍內，在最壞的情況下，仍保證故障導向安全。

在設計層面，不同信號生產廠家的電子模塊功能分配和接口有所差異，因此在工程設計中無法完全統一。由于現狀是先有產品，再有標準，各個信號廠家的產品是依據自己的經驗和適合自身產品的架構需求，進行的功能分配，這就導致標準沒有辦法將所有細節都統一。比如有的廠家一個道岔模塊控制一個設備，有的是控制兩個設備，有的信號機是按照燈位靈活組合控制，有的是按照功能不同，固定燈位控制等等。不過考慮到在國內，各個廠家產品首先要滿足對既有設備的接口兼容，因此，從電源供電、軌旁設備接口、雷電防護、基礎的維護要求方面進行統一，其他設計細節保持各自的自由。

全電子規模化應用，需要在各種配套方面進行大量工作。全電子化之后，對施工招標的范圍有較大影響。機房面積和空間布局的改變，電源供電和走線的改變，增加了電子機柜，減少了組合柜和配線，施工標準改變，設備調試內容和方式改變。對計算機聯鎖設備提供商的改變主要體現在設計、生產和現場調試等方面。電子模塊是和軌旁設備特性相關的，以往不太關注的轉轍機類型、信號機特性、軌道電路特性、電碼化編發碼邏輯等等，在設計初期都要進行詳細了解，根據實際情況對模塊參數進行設置。全電子模塊和相關機柜的出廠調試與以往也有很大差別，要配置相應的電源和仿真負載，做好配線和功能的校驗工作。現場調試不僅僅是核對碼位，還要進行參數的調試與檢驗，報警的校核等。由于條件所限，很可能現場的實體設備不具備接入條件，無法完成聯鎖系統的功能調試，這就需要準備相應的仿真負載。在維護方面，充分結合電子模塊自身的智能診斷與其他系統如微機監測的相關信息，進行綜合的分析，從而實現對包括全電子設備和軌旁設備的快速故障定位和維護管理。

5 結語

總之，全電子聯鎖從蹣跚起步，到逐漸規模性推廣應用，目前已經到了十分關鍵的階段，大到政策引導、規范跟進，小到模塊配置、工廠和現場的參數調整，從設計、生產制造、數據準備、安裝調試、維護管理，全生命周期內均將對聯鎖系統帶來深遠的影響。

參考文獻

[1]K Akita，H Nakamarn.Safety and fault-tolerance in computer-controlled railway signalling system[J].Dependable Computing for Critical Applications，Dependable Computing and Fault-Tolerant Systems.1991（4）：107-131.

[2]魏文軍，范多旺.鐵路車站全電子計算機聯鎖系統的研究與設計[J].自動化與儀器儀表，2007（03）：19-22.

[3]中國鐵路總公司. TB/T3027-2015，計算機聯鎖技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[4]李衛娟. 全電子執行單元冗余設計方案探討[J].北京，鐵道通信信號，2016，52（7）：11～13.

[5]田賈明，劉紅燕.全電子模塊化計算機聯鎖系統探討[J].科學之友（B版），2009（10）：112-113.