簡談北京地鐵房山線車輛段全電子聯鎖改造

祁 穎，謝千野，王一力，于 萌，侯筱巖

（1．北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司，北京 100082；2．卡斯柯信號有限公司，北京 100070;3.北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心,北京 102208）

1 應用現狀

當前地鐵信號系統中的聯鎖系統以計算機聯鎖加繼電器執行系統為主，聯鎖計算機實現聯鎖邏輯運算，繼電器實現計算機聯鎖與室外信號設備的接口以及對室外信號設備的控制輸出和狀態采集。

在日常使用中，繼電器執行系統不時會出現接點松動、虛焊、斷線、繼電器插不緊等情況，影響行車。繼電電路十分復雜，修改成冗余方式幾乎是不可能的，并且日常維修維護對維保人員的專業水平有較高要求。

2 電子執行單元原理

電子執行單元直接與軌旁信號設備進行接口，實現對軌旁信號設備的控制和狀態監測。

電子執行單元采用計算機技術、網絡技術、無觸點開關控制技術，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，杜絕了繼電器執行控制所固有的安全隱患和缺陷，提高了鐵路信號系統的技術裝備水平。

電子執行單元按照閉環反饋、實時監測、雙斷安全控制、冗余同步校核設計，研究系列基礎信號設備全電子化控制裝置。綜合利用現代電子信息、電力電子開關、嵌入式計算機、自動控制、冗余、容錯等多項技術，實現系統的全電子化、模塊化、智能化、數字化和網絡化，升級和換代傳統的軌道交通信號聯鎖控制設備，提供安全、先進、可靠的成套技術與系列裝備，滿足鐵路高速、重載、安全、高效的運輸生產需要。

每一個電子執行單元均采用2套獨立的運算單元及其控制電路實現安全控制，采用通過安全認證的安全平臺，綜合應用 “組合故障安全”以及“固有故障安全”的安全技術，只有2套運算單元“二取二”運算結果一致時，才進行控制輸出。充分利用安全通信協議、信息的安全和保密技術，實現電子執行單元與聯鎖運算單元之間安全可靠的數據傳輸，保障系統的安全和可靠。為杜絕重大事故安全隱患，從根本上解決人為封連繼電器接點導致聯鎖關系失效的重大安全問題，實現系統監督功能，按照“控制、監督、監測一體化”思想設計，實現聯鎖系統的無觸點全電子控制。

3 電子執行單元（ECID）系統結構

ECID子系統是計算機聯鎖系統中聯鎖處理子系統（IPS）與現場信號機、道岔、軌道電路等信號設備連接的通道，實現控制現場信號機、道岔等信號設備的功能，同時完成對燈絲狀態、道岔表示狀態、軌道電路工作狀態、道岔動作電流等信號設備狀態的采集功能。

ECID子系統是基于微處理器、滿足“故障-安全”的計算機聯鎖子系統。ECID子系統能完成信號設備控制功能、通信管理功能和輔助功能（即診斷和監測功能），符合SIL4級安全等級，與其他SIL4的子系統（如IPS）或非SIL4的子系統（如SDM）通信不會降低其SIL4的安全等級。

ECID子系統機籠包含輸入輸出通信模塊及信號機模塊、四六線制道岔模塊、25 Hz軌道電路模塊、電碼化模塊、五線制道岔模塊、零散采集模塊6種類型模塊，實現對道岔、信號機、電碼化設備、零散模塊的驅動以及對道岔表示、道岔啟動電流、信號機燈絲狀態、燈絲電流、零散模塊和軌道信號的采集。

ECID子系統通過高速網絡實現與IPS子系統的雙網冗余連接完成信息交換，主要從IPS子系統接收聯鎖控制命令,如道岔轉換控制命令、信號機點燈控制命令等，向IPS子系統發送現場信號設備狀態信息，如道岔表示狀態、信號機燈絲狀態、軌道電路占用狀態等。ECID子系統與IPS子系統間進行周期性數據傳輸的發送方式，接收方按FSFB/2安全通信協議要求對接收的數據內容進行嚴格檢查。

ECID子系統通過高速網絡實現與系統維護臺的雙網冗余連接，使用UDP協議通信，向系統維護臺發送報警和監測信息。

ECID子系統結構如圖1所示。

4 房山線改造

目前，房山閻村車輛段采用繼電器和現場設備接口，主要有道岔啟動電路、信號機點燈電路、場聯電路、軌道電路采集電路、零散接口電路等。在這些電路中使用最頻繁、比較容易出現故障的是信號機點燈電路、道岔啟動電路和軌道電路這3個部分，因此本項目針對這3個部分進行電子執行單元及相關接口設備的實驗更換。

改造前聯鎖系統由以下部分組成，如圖2所示。

聯鎖處理子系統：設置1套二乘二取二聯鎖系統，負責完成管轄區域內的所有聯鎖功能及與鄰站CBI之間的接口和數據傳輸。該設備布置在設備集中站的信號機房內。

診斷維護子系統SDM：設置1個系統維護臺（SDM），負責完成本設備集中站所轄車站的聯鎖診斷和故障記錄等，并把相應的信息內容通過網絡送至維修中心。該設備布置在信號機房內的維護操作臺面上。

圖1 ECID子系統結構框圖Fig.1 Structural block diagram of ECID subsystem

冗余網絡子系統RNET：配置3層通信傳輸結構，第一層為CBI系統與ATS子系統、系統維護臺及現地控制工作站之間的信息交換提供網絡傳輸通道；第二層為CBI和鄰站CBI之間的信息交換提供網絡傳輸通道；第三層為車輛段與試車線通信通道。聯鎖A/B機、現地控制工作站和系統維護臺各提供2個網絡接口，接入冗余的基于TCP/IP協議的ATS子網，實現相互之間信息交換。同時，通過SDH節點接入ATC骨干網，實現和中心ATS之間的信息交換。聯鎖A/B機通過另外獨立的2個網口接入冗余的基于FSFB2協議的ATP/ATO子網，通過SDH節點接入ATC骨干網，實現和鄰站聯鎖通信。這三層通信傳輸通道，均采用冗余的方式，因此一旦冗余網絡中的一條網絡發生故障時，各子系統仍可以通過另一條網絡進行通信。

人機界面子系統ATS：設置1套熱備冗余的現地控制工作站（HMI），它是CBI的控制顯示單元，控制本聯鎖區域的范圍。它主要負責把車站值班員的操作命令（例如：進路辦理、單操道岔、開放引導信號等所有的聯鎖操作）經一定的預檢查后傳遞給CBI，并接收車站ATS分機發送的中心操作命令。同時車站現地控制工作站顯示CBI發送的顯示信息（主要包括道岔、信號機、進路、故障報警）等狀態，并把相應的顯示信息通過車站ATS分機發送給中心。該設備布置在車控室的綜合控制臺上。設備集中站的聯鎖設備操縱工作站與ATS監控工作站合用，稱為現地控制工作站。

子系統改造內容，改造后結構如圖3所示。

聯鎖處理子系統：增加ECID通信接口，接收ECID對軌旁設備的采集信息，控制ECID驅動軌旁設備。

圖2 改造前聯鎖系統結構圖Fig.2 Structural diagram of the interlocking system before reconstruction

診斷維護子系統SDM：增加SDM網口接入原DVCOM子網交換機，用于獲取ECID子系統的維護信息。

冗余網絡子系統RNET：利用原DVCOM子網作為ECID與聯鎖機運算單元的通信通道。

人機界面子系統ATS：不需改造。

電子執行單元子系統ECID如圖4所示：新增1套二乘二取二的ECID子系統，負責接收聯鎖機運算單元的控制命令，根據命令動作信號設備；采集信號設備的狀態，并將狀態信息發送給聯鎖機運算單元；采集信號設備的維護信息，并發送到診斷維護子系統。通過原DVCOM子網實現與聯鎖機運算單元交互采集驅動信息。

ECID實現以下功能：

a. 實現與計算單元的通信接口功能，接收來自計算單元的信號設備驅動控制命令，并將信號設備的采集信息發送給計算單元；

b. 實現信號機點燈驅動控制和燈絲狀態的采集功能,同時采集信號機燈絲電流；

c. 實現道岔轉轍機驅動控制和道岔位置狀態采集功能，同時采集道岔動作電流；

d. 實現軌道電路狀態采集及監測功能。

設備倒切柜：增加設備倒切柜連接分線盤，用于全電子接口和繼電組合接口快速切換，保證ECID在雙系同時故障的情況下，也可以人工切換至既有的繼電器電路，對室外設備進行驅動和采集，確保運營快速恢復。

5 設備倒切

為實現繼電組合和電子執行單元對室外設備的控制與狀態回采的倒接，在分線盤處設置設備倒切柜，倒切原理如圖5所示。

1) 新增配線從ECID單元引入設備倒切柜“新”端口；

2) 新增配線將既有設備繼電接口從組合架引入設備倒切柜“舊”端口；

3) 將設備倒切柜“輸出”端口引出至分線盤，替代原有繼電組合柜至分線盤的接口。

圖4 ECID機柜照片Fig.4 ECID cabinet

圖5 倒切原理Fig.5 Switching principle

通過采用中國標準安全型繼電器的前接點接通電子執行單元（“新”側），后接點接通既有繼電組合（“舊”側）的方式來完成新舊設備的倒接。通過控制繼電器的吸起和落下來實現倒接，倒接時的設備轉換工作量較小，為設備調試節省了時間。

考慮到道岔控制電路中控制線上電流較大，道岔擬采用中國標準加強接點型JWJXC-480繼電器作為倒接設備，其余設備擬采用中國標準JWXC-1700型繼電器作為倒接設備。JWJXC-480安全型繼電器有兩組加強型接點和兩組非加強型接點，道岔控制線均通過兩組加強型接點倒接，對于道岔的表示回線可采用非加強型接點，所需繼電器的具體數量如表1所示。

表1 繼電器數量Tab.1 Number of relays

6 應用意義

目前的聯鎖系統中存在接口繼電器體積大、數量多、配線復雜、焊接節點多、繼電器日常檢修維護復雜等不足，還存在人為封連接點、線路混線等安全隱患，對設備安裝、現場維護檢修造成很多困擾，而接口電子化的產生在這些方面具有絕對的優勢。用電子執行單元替代既有組合繼電器結合的設備直接和軌旁信號設備連接，尤其是可以根據需要與聯鎖計算單元分散放置，可以緩解地鐵緊張的設備用房，為將來的改造項目留下充足的空間，在城市軌道交通上的應用研究有十分重要的意義。