城軌聯鎖系統信號邏輯的自動化設計

馬燕妮

（陜西交通職業技術學院，陜西西安，710018）

0 引言

在我國城市化建設持續推進背景下，城市人口數量不斷增長，交通壓力隨之增加，進而導致城市交通運輸水平與城市居民出行需求之間產生矛盾，這一問題將對城市發展起到嚴重的負面影響。當前，針對此問題的有效解決方案是：建立健全安全高效的城市軌道交通網絡。結合實際情況判斷出，群眾對于城軌交通的安全性更加重視，而城軌列車運行控制系統則是確保車輛平穩、高效行駛的關鍵性技術裝備。在當前通信技術、控制技術以及計算機技術的支撐下，城軌聯鎖系統信號邏輯正面臨自動化升級的需要，其中還包括負責列車運行控制系統CBTC。CBTC在原有鐵路信號系統的基礎上，對定位進行更加精準的設計，且不再需要軌道電路，有助于城軌聯鎖系統實現移動閉塞方式的追蹤運行，切實提高系統自動化水平。

1 城軌交通運輸方式特點

城軌交通與傳統鐵路存在較大差異。城軌交通受到地下運行條件的影響，使其具備較多特殊化建設要求。

首先，城軌交通具備較高安全性。受到城軌建設空間的限制，車輛密度相對較大，致使城軌故障排查任務難度加大，一旦出現運行事故，則會對乘客安全產生威嚴重威脅。因此，為提高列車行駛安全性，有必要對信號系統進行進一步升級設計。

其次，城軌交通具備較高精準度。城市車流量大，一般情況下列車會選擇正線停靠，且先行列車的實際通過時間與停靠時間均會對后續列車產生不同程度的影響。為保證后續列車正常運行，需要對城軌信號系統進行更加精準的控制與設計。

再次，城軌列車具備較高干擾信號抵抗能力。當前城軌交通主要工作方式為電力牽引，因此，城軌交通信號系統應對抗電氣干擾性能展開針對性優化設計。

最后，城軌交通具備較高自動化水平。當前城軌交通行車流量大、時間段集中，且大多數設備處于地下，人工控制方式會加大運行成本，為實現科學、合理、高效的運行控制，有必要對信號控制系統進行自動化升級與全面性規劃[1]。

2 城軌聯鎖CBTC系統分析

■2.1 CBTC系統結構

基于城軌交通信號系統設計需求，要求傳統CBTC系統必須具備一下系統：列車自動監控系統、車載控制器、聯鎖子系統、數據存儲單元、數據通信系統以及區域控制器。CBTC系統構造如圖1所示。

圖1 CBTC系統結構

第一，列車自動監控系統主要功能在于追蹤并控制車輛的運行狀態，集合收集的相關數據信息，將列車位置信息、現場狀況以及設備運行情況進行有效控制，保證列車能夠按照原本計劃與調令進行信息傳輸。列車自動監控系統基于運行計劃與調令，有序管理列車自動進路任務，實時監測列車執行狀態，并實現科學有效的人工調整與管控。

第二，車載控制器利用定位應答器與測速傳感器來獲取列車的實時位置，并將列車位置信息傳輸至自動監控系統中，同時，區域控制器在接收位置信息后，將結合相應移動授權向運行列車提供自動化運行與防護功能。

第三，聯鎖子系統應用范圍主要集中在：建立你進路、轉換道岔以及信號開放，基于聯鎖子系統傳輸的進路控制命令與狀態信息展開計算，以此完成信號、道岔以及進路的相互聯鎖，保證列車安全運行。

第四，數據存儲單元能夠降系統信息進行整合調度，在調度過程中，車載與地面應使用相同數據庫。數據存儲單元可以將全線信息進行保留，涵蓋所有動態數據與靜態數據，向區域控制器奠定線路數據下載的基礎，并按照規定周期對數據進行更新。

第五，數據通信系統主要作用在于完成CBTC下屬各系統的數據信息傳遞，使各個系統能夠相互配合。通過對列車的監督控制與雙向通信，再結合車速傳感器與地面應答系統的數據，測算出列車的實時位置，利用區域控制器，完成移動授權的計算。基于此，車載設備就更在實時數據信息的支撐下，安全平穩地控制列車行駛。

第六，通過區域控制器將列車運行位置與運行情況進行收集，并結合周圍障礙物位置，計算出管轄區域內的列車移動授權，并把移動授權實時傳輸至列車車載設備中，向列車運行提供安全環境的保障[2]。

■2.2 CBTC系統功能

城軌交通聯鎖系統中的CBTC系統通過對車載與地面的信息傳輸，完成數據的雙向、高效、連續交換，這一運行方式使城軌聯鎖系統比傳統系統更加完善與高效。CBTC系統建立在車—地通信的基礎上，不僅有效提高列車位置識別精準度，還具備以下優勢特征：

首先，CBTC系統的應用使城軌系統脫離傳統軌道電路，能夠實現高精準度的位置判定；其次，此系統具有持續、大容量的雙向通信功能；最后，此系統的應用能夠向車載設備提供自動化保護功能、自動化運行功能以及自動化監控功能。

基于上述優勢性功能，CBTB突破了軌道區段中移動閉塞、間隔追蹤等問題的限制，運行方式的改變有效提升了列車的通過能力，且保證速度控制曲線能夠維持在相對平穩的狀態中。同時，CBTB能夠向城軌聯鎖系統提供支持后備模型，開啟后備模式后，利用軌道電路與計軸將列車位置進行測算與檢測，并在城軌聯鎖系統的基礎上對軌旁信號設備展開有效控制。此外，系統設計的需要滿足具備CBTC車載裝置的列車與尚未安裝CBTC車載裝置的列車能夠同時在CBTC中混合運營的條件。

3 城軌聯鎖系統信號邏輯自動化設計

■3.1 聯鎖系統結構設計

為提高列車行駛安全性，需要在技術手段的支持下，根據相應信號、道岔以及進路，建立滿足動作條件且能夠相互聯系與制約的關系，事物之間的關系即為聯鎖。關于信號、道岔以及進路的主要聯鎖作用主要包括以下幾點：第一，位于進路中的全部道岔，其閉鎖方向都應朝向正確的開通路徑；第二，聯鎖結構的創建應實現對敵對進路的有效阻隔；第三，連鎖信號的設計與現實應與相應的進路保持一致。

城軌聯鎖系統中信號邏輯的自動化處理具有重要意義，應嚴格遵循“故障-安全”的應用原則。同時，聯鎖子系統需要對道岔轉換、敵對進路防護、信號管理等一系列邏輯功能進行設計與實現。城軌聯鎖系統中的信號邏輯不僅可以實現傳統的功能應用，還能在定位功能與通信功能的支持下，對相應信號邏輯進行優化，進而提高城軌聯鎖系統的性能與自動化水平。城軌聯鎖系統的結構如圖2所示。

圖2 聯鎖系統結構

聯鎖系統與外部信號邏輯之間的關系描述如下：

聯鎖系統與ATS：在聯鎖子系統中，利用ATS系統，實時監控全部列車的工作狀態，ATS系統將對列車運行全過程進行監視，并向在CBTC區域內運行、且具備CBTC裝置的列車，提供自動化選物功能，生成運行權限。

聯鎖系統與ZC：創建ZC需要結合相應的聯鎖功能，同時，聯鎖系統與ZC工作需要保持相對獨立性。在CBTC模式下運行的列車，ZC信號系統將對有關聯鎖條件進行屏蔽，保證對列車運行的進路控制。在城軌交通系統中，一個ZC系統會涵蓋數個聯鎖區，全線將由一個或多個ZC信號系統進行控制。因此，城軌聯鎖系統需要與相應的ZC進行信息交互。

聯鎖系統與相鄰聯鎖:城軌交通通常會采用區域計算方式，此方式需要將全線進行多個聯鎖區的劃分，并通過設備集中站，對本聯鎖區域中的信號、道岔、軌道等相關地面設施展開統一化控制。因此，可能會出現一條進路被分到不同連鎖區域的情況。任何一個聯鎖區都將獨立完成邏輯運算，這一要求就需要相鄰連鎖區域展開信息數據交換[3]。

■3.2 聯鎖邏輯的實現

3.2.1 梯形邏輯與布爾代數

梯形邏輯作為圖像化編程語言，主要應用與時序系統的規劃設計中。模仿電路控制系統，能夠將信號邏輯想象為與電流相似的梯形圖，通過相應接點，最終到達梯形圖中的右端。梯形邏輯中的任意梯級都代表當前狀態求下一狀態的流程。能夠得出梯形邏輯與代數邏輯的相關性。因此，梯形邏輯能夠輕松轉換為布爾代數。布爾代數能夠通過二值函數展開邏輯運算。

同時，布爾變量和布爾表達式都只能采用True或False。布爾表達式是根據某些語法規則由布爾變量和邏輯運算符組成的公式。布爾表達式主要作用是指示用于邏輯值計算的明確化規則。布爾代數也稱為邏輯代數，用于邏輯電路中，這一代數能夠分析并設計出具有組合邏輯功能的電路。城軌聯鎖系統中的信號邏輯設計的主要來源就是邏輯電路。與自然語言相比，布爾代數的描述準確度更高，且語法模式更加簡單，貼近安全系統的描述條件。因此，布爾代數是描述聯鎖系統信號邏輯的理想模式。

3.2.2 聯鎖軟件

聯鎖軟件把城軌聯鎖系統信號邏輯轉換為計算機的應用程序。因此，從處理路徑到解鎖路徑，相應的邏輯處理流程即為聯鎖程序的實現基礎。聯鎖軟件的主要作用是接收外部傳輸進來的控制命令，收集運行狀態及周圍信息，根據設計的聯鎖規則對二進制邏輯變量展開邏輯計算，并將計算結果數據傳輸到信號設備。 聯鎖軟件的工作模式是：一次性處理全部進路，對于所有進路，均需要結合功能模塊，按階段進行處理。當進入某個階段時，如果達到相應要求，則將繼續處理后續階段；如果沒有達到相應要求，則將立即轉向下一進路。

4 結語

綜上，在城軌交通迅速發展的背景下，聯鎖系統的設計與實現均應在保證列車運行安全、平穩的前提下，更加注重自動化的信號邏輯優化，以此保證列車運營效率與控制性能。文章通過分析聯鎖系統信號邏輯的關系與實現，在CBTC后備模式的支撐下，提出實現聯鎖系統信號邏輯開放部分的設計，以此使得連鎖軟件的自動生成。