基于目標控制器的分布式列車控制系統研究

卡斯柯信號有限公司 陳小猛 韋啟盟

傳統鐵路存在安裝調試周期長、風險集中、工程造價高、維護困難等諸問題，隨著我國鐵路發展，對設備可靠性、安全性提出了更高的要求，網絡化、智能化已經成為當今鐵路信號系統的發展趨勢。為了契合國內鐵路的發展趨勢，提出了一種新型的基于目標控制器（Object controller，OC）的分布式列車控制系統。本文從國內外目標控制器應用現狀、分布式列車控制系統結構、OC組成及功能、網絡結構等多個維度進行研究，論證基于OC的分布式控制系統可以作為既有系統補充，為鐵路控制系統提供一種新思路。

傳統列車控制系統通過繼電器組合實現軌旁設備的控制，具有：結構復雜、電纜多、維護成本高、故障影響范圍大等特點。近年來，國內軌道交通事業的發展日新月異，對列車控制系統也提出更高的要求，隨著計算機產品處理能力不斷提高、電子產品可靠性不斷提高、通信技術日趨成熟，也為下一代列車控制系統的網絡化、電子化、智能化、集中化提供了強有力的技術基礎。

1 目標控制器應用現狀

上個世紀70年代開始，國外西門子、龐巴迪、阿爾斯通、安薩爾多、泰雷茲、日立等廠商開始在干線鐵路使用目標控制器。各國外廠商的目標控制器具備以下共同特點：邏輯運算層與目標控制器采用網絡結構；目標控制器滿足室外分布式布置要求；目標控制器采用二取二架構設計，多采用非冗余設計。

國內從1996年開始研究目標控制器（全電子執行單元），并于2001年在信陽電廠、襄樊北機務段整備場投入使用。目前國內目標控制器仍主要應用在地方鐵路或支線鐵路上，主要廠商有：卡斯柯、鐵科院、通號院、蘭州大成等。正在規劃研究的列控-聯鎖一體化系統，已經明確可通過目標控制器對軌旁設備進行控制，為目標控制器的推廣帶來了新的契機。

2 基于OC的分布式列車控制系統結構

將分布式控制原理應用于計算聯鎖系統中，如圖1，將車站計算機聯鎖系統按結構層次劃分為：人機會話層、邏輯運算層、網絡通信層、執行層以及軌旁設備層。各層級間即相對獨立，又有一定聯系，各層均有相應的計算機或微處理器來運算處理，從而使系統形成層級式分散結構。

圖1 基于OC的分布式控制系統結構圖

基于既有OC的分布式列車控制系統，保留了原計算機聯鎖系統的人機會話層和邏輯運算層，人機會話層與邏輯運算層可根據工程需要布置于車站信號樓內，或布置于控制中心便于實現集中控制和管理。室外采用OC控制軌旁設備，OC設備根據工程需要，靈活布置于軌旁，完成對所轄區域軌旁設備的驅動和狀態采集等功能，每個OC均可根據現場實際情況，靈活控制若干軌旁設備。

本文提出的基于OC的分布式列車控制系統，由于OC設備直接布置于室外，大大減小了室內設備的占地面積，減少了室內配線以及電纜的用量，從而大大降低的工程造價和施工難度。OC設備具有獨立的診斷功能，能夠將診斷信息實時發送至維護診斷設備，大大提高了設備故障診斷的準確性和維修效率。

各OC設備相互獨立，直接從邏輯運算層獲取控制命令，并將軌旁設備的狀態信息發送給邏輯運算層。為了提高設備的可用性，降低對行車作業的影響，OC中每個模塊均采用冗余配置，OC中每個模塊均實時自檢，保證不會產生錯誤輸出。同一個車站，OC中同類的模塊軟件及硬件應相同，工程應用過程中可根據實際需求靈活搭建聯鎖系統。

3 OC設備組成及功能

每一個軌旁信號設備都應在其相應的OC的控制之下完成指定動作或給出相關狀態信息。如圖2所示，OC采用模塊化設計理念，每種控制模塊為一套完整的電路，完成一個獨立的功能。按功能OC控制模塊主要有：通信控制模塊、軌道電路模塊、信號機控制模塊、轉轍機控制模塊以及各種方向電路控制模塊。

圖2 OC結構示意圖

二取二、雙斷、冗余、故障導向安全等原則貫穿于OC各控制模塊的設計當中。各模塊采用雙CPU結構設計，控制電路采用雙斷原則設計，控制命令經過2oo2校核，確保雙CPU收到相同的控制命令后，模塊才能完成對軌旁設備的控制；同樣，模塊的2路模擬量采集電路也各自獨立，經過雙CPU進行“與”處理，確保雙路采集狀態一致后，才能發送給邏輯運算層，提高了系統的安全性。各模塊均采用冗余方式布置，任何一個模塊故障后整個OC的功能不受影響，提高了系統的可靠性；各模塊均具備完善的自檢機制-上電自檢、實時自檢、周期自檢，自檢不通過時模塊會采驅安全措施，實現了模塊級的故障導向安全。

3.1 通信控制模塊

通信控制器采用安全冗余結構，主要完成與邏輯子系統及控制器間的通信功能。其功能和相關要求如下：

（1）通信控制器接收邏輯子通信控制模塊應采用冗余的通信通道；

（2）通信控制器與邏輯子系統通信中斷時，應導向安全側；

（3）采用標準化、開放式網絡接口完成與邏輯子系統間信息交互，實現通道的網絡化數字化。

3.2 轉轍機控制模塊

轉轍機控制模塊采用二乘二取二結構設計，采用冗余布置方式設置。如圖3，轉轍機控制模塊直接與轉轍機接口，國內常用轉轍機主要有46線制轉轍機、5線制轉轍機，轉轍機控制模塊主要功能如下：

圖3 轉轍機控制原理示意圖

● 接收輯運算層道岔動作控制命令，控制轉轍機轉動；

● 采集并上傳轉轍機動作狀態信息和道岔表示信息，且能夠保障道岔表示信息與道岔實際位置一致；

● 采集并上傳道岔電流值、報警等維護信息；

● 道岔啟動時先切斷道岔表示，道岔轉換完成后方可給出道岔表示；

● 當道岔啟動電路已經動作后，可保證轉轍機繼續轉動到底；

● 當道岔轉換完畢時，自動斷開道岔啟動電路；

● 當電機無法轉動或超時未轉到位時，自動切斷道岔啟動電路；

● 若采用三相交流電源控制的電動或電液轉轍機時，設置斷相保護裝置，一旦出現斷相能夠切斷道岔啟動電路；

● 當外線發生混線時，能夠保證不能形成錯誤表示；

● 當道岔發生轉換、擠岔等情況時，道岔為無表示狀態。

3.3 信號控制模塊

如圖4，信號控制模塊直接信號機接口，由信號控制器直接控制站內列車信號機、調車信號機和區間通過信號機。其功能如下：

圖4 信號機控制原理示意圖

● 信號控制器收到邏輯子系統點燈命令后，控制信號機相應燈位點亮。

● 采集并上傳各燈位狀態信息。

● 采集并上傳各燈位的實時點燈電流、報警等維護信息。

● 具備列車信號機的點/滅燈控制功能。

● 當信號控制器模塊故障、斷電或被拔出時，其對應的信號機應能點亮禁止燈光或滅燈。

3.4 軌道電路模塊

如圖5，軌道電路控制模塊用于JZXC-480型交流軌道電路、25Hz相敏軌道電路等典型軌道電路占用/空閑狀態判斷。軌道電路模塊直接與軌道電路受電端接口，將接收的軌道電路信號轉換為占用/空閑狀態。其功能和相關要求如下：

圖5 軌道電路模塊原理示意圖

● 軌道電路接口器實時采集軌道電路相位、電壓等信息采樣，并轉換為占用/空閑狀態。

● 采集并上傳各軌道區段的軌道參數，報警等維護信息。

● 軌道電路接口器應符合相應制式軌道電路的技術要求。

3.5 半自動閉塞控制模塊

半自動閉塞控制模塊實現與鄰站閉塞設備接口，用以代替半自動閉塞電路實現半自動閉塞邏輯功能。當半自動閉塞控制模塊可獲取到區間的占用/空閑狀態時，該控制模塊也可實現自動申請閉塞以及列車到達自動復原的功能。其功能和相關要求如下：

● 半自動閉塞控制模塊收到閉塞控制命令（閉塞/復原/事故）后，由控制模塊實現半自動閉塞電路邏輯功能，并輸出半自動閉塞電路要求的控制信號至方向電路。

● 采集閉塞電路輸入條件，按照半自動閉塞電路邏輯要求轉換為規定碼位信息，并上傳至邏輯子系統或通信控制模塊。

● 半自動閉塞控制模塊實現的邏輯功能及相鄰半自動閉塞接口應符合相關電路的要求。

3.6 場聯控制模塊

當與相鄰場不具備直接通信功能時，由場聯接口器實現與鄰場場聯電路接口。其功能和相關要求如下：

● 場聯接口器接收來自邏輯子系統的場聯信息驅動命令，對外輸出適合電壓；

● 采集輸入條件，轉換為開關量信息并上傳至邏輯子系統或通信控制模塊；

● 應具備正電、負電輸出以及正電和負電的輸入采集，兼容既有的場聯連接方式。

4 網絡結構

通信網絡是OC與邏輯運算單元之間安全信息傳輸的媒介，構建高可靠性、高安全性的通信網絡，是保障分布式控制系統的安全、可靠工作的關鍵。本文中列舉兩種組網方式：冗余雙環安全信息傳輸網、基于多模通信網關的安全信息傳輸網。

4.1 環形結構安全信息傳輸網

圖6為采用冗余雙環安全信息傳輸網的結構示意圖，為了保證安全信息傳輸的穩定性和可靠性，安全信息傳輸網采用冗余環網結構，雙環網間物理隔離，網絡設備間采用專用光纖連接，各設備均采用工業以太網絡設備，環網使用4芯光纖，并預留2芯備用。利用交換機的環網協議，當環網中發生一處中斷時，不影響網絡中的設備通信。為了提高信道及通信設備的冗余性，兩個環網在布置時可采用不同的物理路徑，最大限度保障數據傳輸的可靠性。

圖6 冗余雙環安全信息傳輸網結構示意圖

OC與邏輯運算單元均屬于安全設備，它們之間的通信采用鐵路信號安全通信協議，通過在應用程與通信功能模塊之間增加安全功能模塊來實現信息的安全傳輸。

4.2 基于多模通信網關信息傳輸結構

我國廣大西部和邊遠地區幅員遼闊，但自然環境惡劣、交通不便，本著以最少化軌旁設備、集中運營、智能維護的原則，增加了基于多模通信網關進行安全信息傳輸的網絡結構。如圖7所示，邏輯運算單元布置于控制中心，通過多模通信網關與現場設備建立通信。

圖7 基于多模通信網關信息傳輸結構示意圖

采用多模網絡通信時，如圖8所示，OC設備通過冗余以太網口接入軌旁通信網關，軌旁通信網關通過GMS-R、LTE-R或公共移動網絡將數據發送至邏輯運算單元接入的多模通信網關。采用多模通信，當主用鏈路故障時能夠快速切換至備用鏈路，保證數據傳輸的可靠性。

圖8 多模通信網關

結束語：基于目標控制器的分布式控制系統是一種新型的控制體系，本文結合國內外目標控制器應用現狀，從系統的系統結構、OC設備組成、OC功能、網絡結構等維度對基于目標控制器的分布式控制系統進行研究分析。該系統具有智能化、網絡化、電子化、靈活度高等優點，能夠大幅度降低工程造價、縮短施工周期、降低運維成本，該系統可以作為既有系統補充，為鐵路控制系統提供一種新思路。