全電子模塊微機聯鎖系統在韶鋼鐵路運輸的應用

摘要：聯鎖系統是以技術手段實現進路控制的聯鎖功能的系統。鐵路信號微機聯鎖系統是整個站場控制的核心，是指揮列車運行、保證行車安全、提高運輸效率、傳遞信息、改善行車人員勞動條件的關鍵設施。文章對全電子式聯鎖系統進行了探究。

關鍵詞：聯鎖;控制;全電子

中圖法分類號：U284

文獻標識碼：A

Application of all-electronic module microcomputer mnterlocking system inShaogang railway transportation

LI Zhongwei

（Logistics Dcpartment Maintenance Operation Area， Guangdong Shaogang Songshan Co. ， Ltd. ， Shaogang，Guangdong 512000 ， China）

Abstract： The interlocking system is a system that realizes the interlocking function of the access control bytechnical means. The railway signal microcomputer interlocking system is the core of the control of the entirestation and yard. It is a key facility for organizing and directing the operation of trains， ensuring runningsafety， improving transportation efficiency， transmitting information， and improving the working conditionsof commuters. The fully electronic interlocking system is worthy of our attention.

Key words： interlocking， control， fully electronic

1 前言

鐵路信號設備系統是鐵路行車的指揮與控制系統。它在保障行車安全，提高行車速度和密度，提高運輸效率和改善行車運輸工作人員的勞動條件方面具有重要作用。計算機聯鎖系統是實現鐵路現代化和自動化的基礎設施之一，是一種高效、安全的車站聯鎖設備，是提高車站通過能力的基礎。同時，計算機聯鎖系統還具有故障一安全性能，與電氣聯鎖系統相比，其在設計、施工和維護方面都較為便捷，且便于改造和增加新功能，為鐵路信號向智能化和網絡化方向發展創造了條件[1]。

2 系統概述

GKI-33e微機聯鎖系統是合肥工大高科信息科技股份有限公司自主研發的一個符合中國鐵路技術標準和歐洲鐵路安全標準的新一代計算機聯鎖系統。該系統充分利用了計算機容錯技術、冗余技術、安全可靠技術、故障屏蔽技術，遵循故障一安全的設計原理。同時，該系統的安全完整性等級達到SIL4最高標準，并通過第三方國際知名認證機構德國TUV SUD的評估和認證。適用于圉鐵、城軌、冶金、煤炭、電力、化工、港口等領域的所有鐵路車站，具有安全性高、系統配置靈活、設備容量大等優勢。

3 GKI-33e微機聯鎖系統的主要工作原理

（1）二乘二取二結構

GKI-33e微機聯鎖系統采用二乘二取二結構。通過系內二取二結構保證高安全性，通過系問二乘冗余保證高可靠性;軟硬件設計遵循“故障一安全”原則：嚴格遵循歐洲鐵路信號EN50IXX系列標準，符合SII4要求。

（2）全電子接口模塊設計

實現小體積、標準化機柜式結構，大大減少系統占用空間：采用層次化和模塊化設計，大大增加系統可擴展性，方便進行維護和改造。

（3）超強處理能力

采用高性能微處理器，極大的增強系統的處理能力，同時也使接口模塊具有智能性：全部硬件板卡采用雙CPU冗余，具備自診斷能力，報警顯示迅速定位到通道及接口，能夠根據設備故障進行多級報警。

（4）冗余

系統搭建有冗余的通信網絡和UPS，實現完整的二乘結構：全部硬件板卡具備熱拔插能力，便于系統維護時連續工作。

隨著智慧制造的發展，鐵路站場只有采用多功能設計才能滿足鐵路運輸需求。二乘二取二結構提高了GKI-33e微機聯鎖系統的安全性和準確性，全電子接口模塊降低了設備故障率，這些系統功能不僅提高了運輸效率，還降低了點檢維護人員的工作量。

4 系統架構和設備功能

4.1 系統架構

GKI-33e微機聯鎖系統架構如圖l所示。其中，控顯機、電務機、KVM和顯示屏構成了系統人機交互設備，用戶使用顯示屏和鼠標控制和監測聯鎖設備，進行人機交互，完成車站作業和設備維護。A，B兩系聯鎖機是這套設備的運算核心，負責將下層模塊采集到的室外設備狀態和上層控顯機下達的命令集中運算，并將運算結果傳遞給下層模塊執行。聯鎖主機采用二乘二取二結構，具有較高的安全性和穩定性。各類10模塊（信號模塊、道岔模塊、軌道模塊、零散模塊，下同）為系統的輸入和輸出設備，負責采集室外設備狀態和驅動室外設備動作。CAN總線和485總線可以為電務維修機提供數據采集。交換機是聯鎖機、電務維修機和控顯機以及區域聯鎖站問通信的樞紐，將站內、站間的此類設備組成一個局域網，使信息在其中順暢交互。交換機使用雙網冗余模式。通信機是聯鎖機、電務維修機和柜內機籠模塊的信息交瓦樞紐，采用雙路CAN總線和485總線模式，每臺接口柜采用一對通信機。

4.2 設備功能

4.2.1 聯鎖機

聯鎖機由專門開發的基于Cortex-A8核心的專用計算機組成，采用軟硬件結合完成二取二表決的容錯機制和硬件，完成雙機熱備的冗余機制，實現二乘二取二的工作力方式。

聯鎖機主要功能包括：聯鎖邏輯運算，實現信號設備的聯鎖邏輯處理，完成進路的辦理，發出開放信號和動作道岔的控制命令：通過以太網接收來自控顯機傳來的操作命令，向控顯機傳輸表示信息：通過CAN總線接收10模塊傳來的室外信號設備狀態、進行聯鎖邏輯運算，通過CAN總線發送驅動命令至10模塊，驅動室外設備完成相關動作：兩套CPU系統之間通過SPI總線進行二取二運算：通過CAN總線進行兩系聯鎖機之間的數據同步，通過切換電路實現兩系的主備無擾切換。

4.2.2 通信機

GKI-33e微機聯鎖系統的通信機由專門開發的基于Cortex-M3核心的專用計算機組成，采用軟硬件結合完成二取二表決的容錯機制和硬件，完成雙機熱備的冗余機制，實現二乘二取二的工作方式。

通信機的主要功能包括：通過對上的CAN總線接收并存儲來自聯鎖機的控制命令包，將命令解包后通過對下的CAN總線將命令轉發給10模塊：通過對下的CAN總線接收10模塊上報的信息，打包后通過對上的CAN總線轉發給聯鎖機;兩套CPU系統之間通過SPI總線進行二取二運算;在區域聯鎖時，通過以太網接收聯鎖機的命令，轉發給10模塊以及接收10模塊的信息，打包轉發給聯鎖機：通過RS485總線接收10模塊的故障信息，將信息打包后轉發給電務維修機。

4.2.3 控顯機

控顯機屬于系統的人機交互層，信號操作員通過此軟件觀察現場設備的實際狀態，同時也通過控顯機下發選路等操作命令?？仫@機僅完成表示讀取顯示、操作命令獲得與下發、對外系統的通信、信息記錄，不進行聯鎖運算。

控顯機軟件使用delphi語言編寫，在Windows環境下運行。站場基礎數據由計算機輔助CAD工具自動生成。程序和數據完全分開，對各站來說，程序是通用的，不同的是每個站場有各自的數據文件。

4.2.4 信號模塊

信號模塊采用二乘二取二設計，由A、B兩系信號機控制模塊同時輸出的方式控制室外信號設備，以提高系統的可靠性和穩定性。每系信號機模塊使用兩塊工業級CPU，以主/從方式獨立運算，采用SPI數據交換比較的二取二方式完成解析指令、控制輸出、狀態回測等動作，以實現高安全可靠的控制。

信號模塊主要功能有：接受聯鎖機的尋訪、控制指令，對室外二、三、四、五、六顯信號機進行控制;通過回測繼電器觸點狀態信息、電流檢測、電壓檢測，實現對室外信號設備實時狀態的監測;主、備機通過SPI交換比較控制指令、回測狀態：采用故障安全控制邏輯，智能控制信號設備狀態倒向安全：采用安全可靠的冗余通信設計;完整的故障診斷、上報處理流程。

4.2.5 道岔模塊

道岔模塊以兩塊Cortex-M3核的處理器芯片為核心，組成兩套獨立的CPU系統，兩套CPU系統之間通過SPI總線進行數據同步和比較，構成二取二結構。兩套CPU系統各提供2路獨立的CAN總線接口，構成冗余的CAN總線網絡，用于和通信機通信。兩套CPU系統各提供l路RS485總線接口，用于通過通信機和電務維修機通信。

道岔模塊主要功能包括：通過CAN總線接收來自聯鎖機的控制命令，控制室外道岔轉動：通過CAN總線將室外道岔的位置信息，電壓/電流檢測值、故障狀態等發送給通信機：兩套CPU系統之間通過SPI總線進行二取二運算：通過RS485總線將故障信息發送給通信機，從而上報給電務維修機。

4.2.6 軌道模塊

軌道模塊是由專門開發的基于Cortex-M3核的專用計算機組成。以兩塊Cortex-M3核的處理器芯片為核心，組成兩套獨立的CPU系統，兩套CPU系統之間通過SPI總線進行數據同步和比較，構成二取二結構。兩套CPU系統各提供2路獨立的CAN總線接口，構成冗余的CAN總線網絡，用于和通信機通信[2]。

軌道模塊主要功能包括：通過CAN總線接收來自聯鎖機的巡防命令：通過CAN總線將室外軌道區間狀態信息發送給通信機：兩套CPU系統之間通過SPI總線進行二取二運算：通過RS485總線將故障信息發送給通信機，從而上報給電務維修機。

5 全電子系統功能優勢

5.1 系統設備優勢

全電子接口模塊設計，實現小體積、標準化機柜式結構，大大減少系統占用空間：采用層次化和模塊化設計，大大增加系統呵擴展性，方便進行維護和改造。此系統占地空間比傳統繼電器控制系統要小得多，結構層次分明。

采用高性能微處理器，極大的增強系統的處理能力，同時也使接口模塊具有智能性;全部硬件板卡采用雙CPU冗余，具備自診斷能力，報警顯示迅速定位到通道及接口，能夠根據設備故障進行多級報警。

5.2 特殊聯鎖功能

通過在聯鎖軟件中增加相應的功能模塊，結合零散硬件模塊，系統可進一步實現所有特殊信號聯鎖電路的聯鎖功能。這是傳統微機聯鎖不具備的功能。

（l）下坡道接車延續進路：下坡道接車延續進路的鎖閉及解鎖。

（2）到發線出岔的進路：到發線出岔的進路的鎖閉及解鎖。

（3）平面溜放調車：實現平面溜放進路的辦理、建立、鎖閉、解鎖;實現平面溜放信號的開放、關閉。

（4）與區間閉塞結合：與單線半自動閉塞設備結合;與自動閉塞設備結合。

（5）場間結合：與車輛段、機務段、道口設備等場間聯系電路結合。

（6）區域聯鎖：通過光交換機和光纖將一定距離內的2個站納入一套聯鎖主機控制，實現了區域車站的設備分布式集中化管理，可以有效降低工程造價和施工難度。

5.3 記錄存儲和故障檢測與診斷功能

GKI-33e微機聯鎖系統利用了計算機的信息處理能力和存儲容量大的優點，計算機聯鎖系統為實現系統維護、行車管理自動化奠定了基礎。這是傳統微機聯鎖不具備的功能，其主要體現在：（1）系統可按時間順序自動記錄和儲存車站值班員按鈕操作情況、現場設備動作情況和行車作業情況。電務維修人員只需根據功能菜單提示，按壓相應的功能鍵，將前一段時間內的系統運行狀況或作業情況按規定格式顯示出來，作為查找故障、分析故障的參考。這些信息也可打印出來;（2）提供圖像再現功能，即系統可將前一階段儲存的數據以站場圖形方式顯示在屏幕上，按照實際操作和車列運行情況再現出來，以便更直觀地查找故障及分析問題;（3）實現進路儲存和自動辦理，可進一步提高車站行車作業效率;（4）具有集中檢測和報警功能。

另外，集中檢測和報警功能主要體現在兩個方面：一是聯鎖系統的門檢測功能，當系統自身出現故障時，維護人員可通過屏幕提示的錯誤號判斷、查找故障，提高工作人員的故障處理能力和效率：二是對信號機、轉轍機、軌道電路等現場設備的工作狀態進行集中監測，一旦發現故障，及時記錄并報警。監測和報警的具體內容可根據維修需要，全天候或定時對主體信號設備的參數進行測試、分析、判斷，超限時及時報警[3]。

5.4 可維護性

信號系統由不同的子系統組成，各子系統本身又包含相關元件（如板件）。系統單個元件的錯誤并不對子系統或信號系統的主要故障造成影響。所以，涉及安全功能的監督等，系統都設計成冗余的。信號系統的各個子系統的設計是出于簡化維護的目的。例如，多數印制電路板含有LED燈，用于顯示板件的實際狀態。各子系統的具體維護手冊將于投入運行之前提交，這些文件將概述定期檢修和故障檢修，包括信號系統各元件故障檢修的建議間隔。電務維修機具備電子故障日志功能，可以同時用于一個聯鎖系統和幾個聯鎖系統。電務維修機顯示聯鎖系統的當前故障。每個所顯示的故障都有詳細信息，如受影響的元件，故障位置或維修指導。故障條目由用戶解決，注明故障處理人員姓名或附加注解。

6 結束語

隨著行業的快速發展，企業往往會對鐵路信號微機聯鎖系統提出新的或特殊的功能要求，特別是2022年韶鋼對鐵路運輸要求非常高，即響應快、安全性高、故障率低等。GKI-33e微機聯鎖系統可以完美地實現特殊功能，這就使得其在實現特色聯鎖方面表現優秀。

2019年5月，韶鋼物流部對工業站室內設備進行大修，采用GKl-33e微機聯鎖系統，至2020年1月驗證期間未出現故障，鐵路信號設備正常運行，對比大修前傳統微機聯鎖系統更穩定，故障率更低，這也證實了此系統更適用于鐵路站場。

參考文獻：

[1]林瑜筠，鐵路信號基礎[M].北京：中國鐵道工業出版社，2009.

[2]徐洪澤，岳強.車站信號計算機聯鎖控制系統原理及應用[M].北京：中國鐵道工業出版社，2005.

[3]王永信.車站信號自動控制[M].北京：中國鐵道工業出版社.2010.

作者簡介：

李中偉（1979-），本科，工程師，研究方向：冶金物流運輸管理。