城市軌道交通信號全電子聯鎖系統結構探析

陳兆衛

（中鐵通信信號勘測設計院有限公司，北京 ，100036）

1 全電子聯鎖系統概述

全電子聯鎖系統是城市軌道交通信號系統的重要組成部分，融合應用了現代電子信息技術、可靠性冗余技術在內的多項主流技術，實現對信號控制系統的優化，凸顯出電子化、模塊化的特征[1-2]，在此技術應用思路下，為城市軌道交通信號系統設備的升級創設了良好的基礎。

全電子聯鎖的核心組成包含安全平臺和聯鎖應用2部分，采用的是電子接口型安全平臺，技術形式與繼電接口相比，安全功能更為突出。繼電接口型安全平臺運行中，采用繼電接口電路，以此來實現對室外信號設備的控制，繼電接口與電子接口平臺對比見圖1。間接口電路，可顯著提升可靠性。對比分析發現，對于傳統的繼電接口電路，其除了完成接口功能外，還需提供防護功能；而對于繼電接口型安全平臺，需充分保留既有接口電路的安全功能，以免影響到系統的安全性。

圖1 繼電接口與電子接口平臺對比

電子接口型安全平臺作為一種新型方案，在實際應用中也面臨一些問題，例如：不再采取弱電控制的模式，需要主動向強電控制轉換；電子器件存在故障時，如何維持導向安全極為關鍵；無繼電接口電路的隔離，即此時室外的強干擾將有可能造成影響。電子接口型安全平臺的優勢也較為突出，其功能的多樣化特征顯著，具有傳統繼電接口電路所不具備的功能，其中以基于編碼的電路較為突出，在此項功能的加持下，可提高混線防護水平；又如燈絲檢測功能，能夠及時掌握燈絲的實際工作狀態，更快地識別出故障狀態的部分。

2 全電子聯鎖系統的主要特征

2.1 執行驅動電子化

對于傳統的計算機聯鎖執行層，在其配置工作中，通過與6502相同的執行組電路與室外設備接口，此方式的局限之處在于需要配套豐富的鐵路專用繼電器，且隨著使用時間的延長，更易出現嚴重的氧化問題，后期運維階段需要定期更換，工作繁瑣，成本較高。全電子化聯鎖系統則對硬件裝置的配套方式做出升級，此時不再采用重力型安全繼電器，儀器配置得到精簡，取而代之的是電力電子開關器件，更加高效地控制室外設備，具有穩定可靠、維修便捷等突出特點。

2.2 監測一體化功能

信號集中監測的模式能夠全面采集動作電流、工作電壓等各項關鍵的數據，進而做出相應調控，例如道岔的電流動作曲線則具有重要的參考價值。傳統的計算機聯鎖方式，實施的是開關量控制的機制，而全電子聯鎖模塊則配套采集電路，由其生成信號，以便對各項關鍵的信息全面監測，監測水平得以提高，且無需單獨安裝采集傳感器，達到精簡配置、提高運行水平的效果。

2.3 設備小型化特征突出

全電子化聯鎖系統采用到功能性較強的電子器件，在此配套方式下，可以實現6502執行組電路的功能，而該類電子器件的尺寸較小，可減少對空間的占用量，尤其是在軌道交通行業，可以減小車站的建筑規模降低土建的建設成本。以6502執行組電路的應用為例，對于單個道岔而言，需要配套7個繼電器，而在全電子化聯鎖系統中，僅用體積較小的全電子模塊即可有效替代，設備的配套復雜度降低，現場檢維修工作量也隨之減少。

3 全電子聯鎖系統的開發和應用

3.1 關鍵標準

綜合考慮多類標準，全方位提高全電子聯鎖的應用水平，全電子聯鎖開發標準規范主要包括EN5012X系列標準，鐵路信號相關標準及計算機聯鎖相關標準。全電子聯鎖開發標準規范可分為3類。

第1類：通用的安全標準，適用于電子系統的EN 50129、安全軟件的EN 50128等。

第2類：鐵路信號行業類標準，例如《LED鐵路信號機構通用技術條件》（TB/T 3242—2010），諸如此類標準的重點在于提出明確的外部要求和約束，以保證運行環境的合理性。

第3類：計算機聯鎖直接相關的標準，較為關鍵的是《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》（TB/T 3027—2015），給車站計算機聯鎖做出更為清晰的引導，提出聯鎖功能、可靠性要求、軟硬件配套要求等。在整個計算機聯鎖所涵蓋的各項細分內容中，全電子聯鎖屬于重要組成部分，因此該行業標準的頒布對于全電子聯鎖相關工作的開展具有重要的引導意義。

3.2 系統結構組成

傳統計算機聯鎖系統的構成包含3部分：

（1）人機對話層。接收操作命令，高效地傳遞給聯鎖運算層；接收狀態表示信息，同時可根據實際情況發出報警和提示信息，起到告知的作用。

（2）聯鎖運算層。核心功能在于負責聯鎖邏輯運算，操作命令和接收設備狀態信息均可由該層接收，在獲得相應的信息后，展開計算，據此生成相應的控制命令，傳輸給執行表示層，以便進一步操作。

（3）執行表示層。一方面，可全面采集源自于接口設備的信息，并將此部分完整地送至聯鎖運算層；另一方面，接收輸出命令，有效控制驅動接口繼電器。

3.3 全電子聯鎖系統的結構層次

全電子聯鎖系統的結構可分為3個層次：操作接口層、主控層和執行層。

（1）操作接口層由聯鎖監控機和維修機組成。分別為調度人員和信號人員提供設備操作監控和分析維護兩類不同的功能界面，同時也為其它系統提供數據接口。

（2）主控層由聯鎖邏輯主機構成。是計算機聯鎖系統完成其主要控制邏輯和功能邏輯的核心層，是系統安全平臺的核心。

（3）執行層由對象控制器和各種執行單元組成。接受主控層的控制，直接控制室外設備并采集室外設備狀態。其中執行層電子執行系統采用全電子接口單元直接對道岔轉轍機、信號機等軌旁設備進行控制和狀態采集，取代了數量眾多的安全型繼電器。全電子聯鎖系統的結構仍保留了前述提及的3部分，但以執行表示層較為特殊，在傳統方式的基礎上升級，此時采用到電子執行單元，接收聯鎖運算層的控制命令，進而得到引導，做出相應的控制動作；并且，可全面采集現場信號設備的狀態信息；也可以對現場設備的模擬量信息做轉化處理，得到相應的數字量，在此運行機制下，發揮出集中監測設備的功能優勢。全電子聯鎖系統結構見圖2。

圖2 全電子聯鎖結構

3.4 系統安全層面的要求

全電子聯鎖取消繼電接口電路，由于采取到此布置方式，聯鎖系統需承擔原本繼電接口提供的接口功能，顯現出系統邊界擴大的特征。

在傳統計算機聯鎖中，采用到繼電接口，相關行業規范對其安全功能每小時容許危害率做出明確限定，要求該值必須控制在1×10-8以內。從邏輯功能邊界的角度看，全電子計算機聯鎖有其獨特性，其融入接口功能部分，此時自然會對安全功能提出更高的要求，一方面需要充分考慮到傳統聯鎖執行表示層所具備的安全功能，另一方面則要密切關注到傳統模式下的繼電電路，必須實現其具備的安全功能。

通過對傳統繼電接口電路的分析可以得知，其配套安全型繼電器，視為本質安全一類。在此基礎上對比分析，對于全電子聯鎖的模式，配套有電子執行模塊，要求應當具備傳統模式下的相關安全功能，不僅于此，還需進一步考慮到安全完整性的要求，即至少滿足執行表示層的安全設計要求；新模式下，配套的電子執行單元需要有良好的協調性特征，不可危及行車安全的驅動，也不可對正常的信息輸出動作造成干擾。

3.5 信號機模塊的設計

（1）從2個思路切入，開展信號機模塊的設計工作。①采用智能控制模塊，在此配置方式下，點燈命令由聯鎖運算層下發，在調控機制下形成特定的燈光組合，或是靈活完成的斷絲處理操作；②匹配的是通用控制信號模塊，其突出優勢在于邏輯較為簡單，聯鎖邏輯具有重要的作用，例如實現對燈位的組合控制，也可以完成斷絲檢查作業。

（2）對于信號機模塊，無論在何種方式下，均要實現6502信號點燈電路所提供的幾項功能。例如：短路和混線保護，在開展信號點燈電路的設計工作中，需要有全局化的理念，兼顧斷線保護和混線防護的雙重要求，以便營造良好的運行環境；燈絲監督功能，例如同時點亮兩個或更多燈光的情況，以便及時識別到其中某斷絲的燈泡；而在點亮單個燈光的狀態下，也必須針對斷絲現象做有效的反饋，及時反映出實際情況。

（3）信號機模塊的軟啟動功能。在點燈的狀態下，啟動電路有循序漸進的變化狀態，逐步增加至正常值，在此方式下，可防止因燈絲突然點亮而產生大電流沖擊作用，對于燈絲而言有良好的保護效果，并且系統信號的可靠性也將大幅度提升，而從經濟效益層面來看，維護成本也有所降低。

（4）信號機模塊的冷絲檢測功能。著重針對白熾燈展開測試，通過此方法的應用，判斷燈泡在未點亮狀態下燈絲的實際情況（例如是否存在不完好的情況）。配置LED燈，需要開展對等的測試工作，目的在于檢查信號機的配線是否具有合理性，以及對電路的完好程度做出相應判斷。

3.6 道岔模塊

現階段，四線制和五線制的電路較為常見，突出特性在于安全防護性能良好，在接地、短路等方面的防護工作中能夠取得突出的效果。道岔表示極為關鍵，原因在于其是極具重要性的信號設備，且從多數聯鎖廠家的技術發展狀況看，對道岔表示功能也予以了高度關注，提高道岔表示的正確性，最大限度規避道岔表示電路故障帶來的風險，以保證安全。

在產生道岔轉換命令后，需要及時做出相應的響應，例如此時聯鎖軟件切斷道岔表示，后續采集到的道岔表示與發出命令一致時，認可表示信息。

系統初始化時，對道岔表示提出特定的操作要求，此時需要用到人工確認的方式，以免出現故障錯誤表示的情況。而在有關于道岔模塊的設計中，還需要密切關注的是傳統道岔控制電路，重點識別其具備的安全防護功能，在全新的設計中予以保留，提升功能的可靠性。

3.7 分布式控制方式的實現

計算機控制系統面向生產過程采取分散控制措施，在自動化水平逐步提高的背景下，對綜合控制系統的應用水平提出更高的要求，此時系統的復雜度有所提高，通常需融合包含計算機技術、網絡技術在內的一系列技術形式，將危險分散，減輕對運行狀態的不良影響。作為新型控制系統，踐行分散控制的理念，但與此同時又融合了集中管理的思想，總體呈現出層次化的結構特征。全電子聯鎖系統的核心組成包含聯鎖邏輯運算、操作表示、數據網、執行單元，可采用的結構包含集中聯鎖、分散控制，在安全通信技術迅猛發展的趨勢下，給全電子聯鎖系統的建立提供了重要的技術支持，此時更易實現分布式控制的目標。

概括而言，在合理應用分布式控制的方式后，可以取得以下效果：（1）被控子站的配置較為簡單，僅設電子執行終端即可，在降低配置難度的同時還可減少成本投入；（2）終端電子單元的布置更具靈活性，可以優化軌旁布置，同時也減少了設備機房空間被大量占用的問題；（3）終端電子執行單元與邏輯部門形成良好的通信關系，其特點在于可有效規避電纜傳輸距離受限的問題，深度優化電力電纜的運行狀態，以免由于此部分存在異常而誘發短路或因線纜傳輸距離導致的其他形式的故障。

3.8 聯鎖列車控制一體化的方式

聯鎖和列車控制分開設置的方案在我國鐵路建設領域取得廣泛的應用，其建設初衷在于盡可能削弱對既有聯鎖系統所造成的干擾，為此配套的是獨立的列車控制中心，由其提供應答器控制等相關功能。值得思索的是，聯鎖和列車控制分開設置的方式有其存在的價值，但在實際應用中也有可能暴露出一系列的問題，例如聯鎖和列車控制中心功能重合，部分內部關鍵變量的共享水平有限。在此環境下，做進一步的探索，即如何實現聯鎖和列車控制的一體化建設，此方面是重要的突破口。

在一體化的設計方式下，列車控制中心、聯鎖功能重新優化，彼此的協同性得以提升，可集中交換信息，在此思路下，有助于提高系統內部數據的共享水平，從而規避以往獨立設置所存在的問題。全電子聯鎖的方式還能夠在不影響功能正常實現的前提下精簡軌旁信號設備，施工配線量較之于傳統方式減少，針對故障的診斷能力突出，也更便于開展維護工作。全電子聯鎖的協同性特征突出，對于各類車站列車控制中心控制的設備而言，均得到充分的考慮，同時通過分布式控制技術的應用，還可進一步提高列車運行控制系統的設計水平，充分彰顯出此類系統在簡捷化、電子化方面的特性，也能給全電子聯鎖的推廣創設良好的條件。

4 結語

在城市軌道交通建設中，信號系統全電子聯鎖是重要的突破口，技術的探討極為關鍵。分析全電子聯鎖和傳統聯鎖2種模式，充分保留以往傳統模式的優質功能，并在此基礎上進一步探索，以求突破。提出全電子聯鎖的系統結構，并且，在分布式控制和列車控制一體化的協同作用下，能夠創設更多的發展契機，對于全電子聯鎖系統的發展大有裨益。