關于全電子聯鎖與計算機聯鎖系統的對比分析

毛 芳

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100045）

1 聯鎖系統的發展

第一代聯鎖系統是機械聯鎖。于1856 年誕生第一套簡單的機械式車站聯鎖控制設備，初步實現了聯鎖關系，但由于當時技術發展水平的限制，其可用性較差；由此，時代的進步促進了第二代繼電器聯鎖系統的發展，以國內6502 電氣集中式繼電器聯鎖系統為代表，通過純繼電器電路的搭建實現了聯鎖關系，但存在設備笨重、可擴展性能較差、維護不便等問題；在第二代聯鎖系統的基礎上，通過計算機軟件邏輯代替原有6502 的15 條網絡線設計、并與室外設備采用接口繼電器的方式進行優化，相比于6502 有了很大的進步和改善，逐漸形成了第三代計算機聯鎖系統。

目前，被廣泛應用的計算機聯鎖系統的安全性、可靠性、可用性等均能滿足當前城市軌道交通中運營的需要，也是近年來各大城市頻繁使用的產品。但是，經過時間的沉淀和檢驗，計算機聯鎖系統與室外設備的接口繼電器組合占用空間大、配線復雜、施工周期較長、日常維護工作量較大、復雜電路的故障排查較為困難、能耗較高等問題也逐漸顯露出來。與此同時，隨著電力電子、自動控制、計算機、冗余、容錯等技術的發展，采用模塊化結構設計的電子聯鎖系統替換室內組合電路直接與軌旁設備接口的技術應運而生，逐漸向第四代全電子聯鎖系統發展。

近年來，各國計算機聯鎖系統正在向全電子聯鎖系統發展，使計算機聯鎖系統具有開放式結構、更加小型化和智能化。用電子執行單元取代由繼電器驅動的信號和轉轍機等設備的全電子聯鎖系統，目前在歐洲軌道交通項目中已經被普遍采用，雖然在國內還未大面積使用，但在很多城市也有了工程應用案例。

2 系統架構

2.1 計算機聯鎖系統架構

計算機聯鎖系統采用計算機進行邏輯運算，保留了6502 電氣集中的執行電路，仍采用繼電器組合方式，包括信號機點燈電路、軌道電路、道岔啟動電路、各種聯系電路等成熟的繼電電路。經過長時間的改進和優化，這些繼電電路的可靠性和抗外界沖擊等性能逐漸得到改善，對行車安全起到了很好的保護作用，也在工程應用中積累了大量成熟的經驗，日益完善、穩定性也在不斷的提高。計算機聯鎖系統架構示意如圖1 所示，主要包括人機交互層、聯鎖邏輯層、執行層和軌旁設備層。

圖1 計算機聯鎖系統架構示意Fig.1 Schematic diagram of computer interlocking system architecture

1）人機交互層：人機交互界面，主要顯示正線或站場線路配線，實時反映所轄范圍內信號機、道岔、軌道區段等設備的狀態和聯鎖邏輯關系，具有聲光報警和提示功能，可進行相應的人工操作。

2）聯鎖邏輯層：包含聯鎖主機，內設核心聯鎖處理邏輯以及各種模式的聯鎖運算功能。

3）執行層：由輸入/輸出繼電器組成，接收聯鎖主機發出的執行命令，通過相應繼電器完成室內主機對室外軌旁設備的控制，并向聯鎖機構傳輸室外軌旁設備的狀態信息。

4）軌旁設備層：軌旁的各種信號設備（如信號機、轉轍機、軌道區段等）。

2.2 全電子聯鎖系統架構

全電子聯鎖系統架構示意如圖2 所示。全電子聯鎖系統架構與計算機聯鎖系統架構大體類似，聯鎖電路也是由計算機進行控制，只是在執行層有所差異。執行電路采用電子執行單元替代傳統的繼電器組合，通過電子執行單元實時接收計算機聯鎖的控制命令并直接控制軌旁各類設備。

圖2 全電子聯鎖系統架構示意Fig.2 Schematic diagram of full-electronic interlocking system architecture

電子執行單元由具有不同功能的各種電子模塊組成，按照完全獨立的單元模塊化結構設計，執行單元內交叉冗余，整個系統在控制中更加靈活、簡潔，提高了系統的可靠性和設備的安全性。電子模塊可分為信號機、轉轍機、軌道占用檢測、輸入/輸出以及零散組合等多種類型，并且電子模塊本身具有信息采集、狀態監測、命令執行、過流保護、故障檢測和診斷等功能，可支持熱插拔。

3 對比分析

3.1 空間占用

計算機聯鎖系統是采用繼電器實現對室外軌旁設備的相關控制，而全電子聯鎖系統的執行單元只需依靠電子模塊就能直接對軌旁設備進行控制，操作更為簡單、直接。

以15 架信號機、10 組道岔的設備集中站為例，若采用計算機聯鎖系統，需要1 個聯鎖主機柜、1個聯鎖I/O 柜和6 個組合柜；若采用全電子聯鎖系統，只需要1 個聯鎖主機柜、2 個目標控制柜和1個空開柜。相比而言，全電子聯鎖系統大大減少了組合柜的數量，節省了4 個機柜和300 多個繼電器，大概能減少10 m2的占用空間。

根據項目的工程經驗，一般傳統計算機聯鎖系統集中站的信號設備室面積大約為80 ～90 m2，同一條件下全電子聯鎖系統信號設備室的使用面積大概是55 ～60 m2，將近減小了30%的用房面積。由此可知，全電子聯鎖系統的使用對減少建設投資、節省用房規模有顯著的優勢。

3.2 施工周期

由于計算機聯鎖系統保留了部分繼電器執行電路，聯鎖電路與繼電電路之間以及繼電電路內部之間還存在大量的配線，需人工進行焊接連線，且接口配線較為復雜和繁瑣，需耗費大量的人力和物力，現場施工復雜，容易出現誤接線的情況，不利于系統的調試。

全電子聯鎖采用電子執行單元，設備接口模塊化，只有少量的對外接口配線，且配線采用壓接式端子，現場無需焊接、接線簡單。因此，全電子聯鎖系統的施工周期相對較短，能節省施工成本。

3.3 監測功能

全電子聯鎖系統的電子執行單元有獨立的通信信道，能與獨立的監測系統進行通信，具有監測功能，可以通過監測系統對電子執行單元的運行狀態、動作曲線、電氣參數等進行記錄和保存，也可以查看和回放。

計算機聯鎖系統不具備監測功能，無法直接對設備狀態進行監測。

3.4 日常維護

計算機聯鎖系統中繼電器之間配線復雜，繼電器使用頻率高，通過驅動繼電器接點執行命令動作，出現故障的概率較大，并且不同類型的繼電器或同一類型不同車站、不同位置的繼電器都需要根據不同的使用情況制定相對應的維護和檢修標準，因此，計算機聯鎖系統的日常維護工作量較大，還需定期對接口繼電器進行更換維護，同時對維修人員的維修水平和能力也有較高的要求。

全電子聯鎖系統采用模塊化設計，電子執行單元施工簡單、維修方便、且支持板卡熱插拔，由于具有信號集中監測功能，可實時監控運行狀態，維護工作量小，基本不需要維修，如有必要可根據設備的監測狀態進行故障修或狀態修。

從現有城市軌道交通中計算機聯鎖系統的應用情況來看，繼電器的故障率并不低，暫時還在運營部門的容忍范圍內，但是近年來繼電器設備價格一直在上漲，每年的維修成本也是一筆不小的費用。而全電子聯鎖系統免維護的特點無疑給運營部門帶來了福音，是一種可行的解決方案。

3.5 故障排查

計算機聯鎖系統的繼電器電路配線較復雜、故障定位困難，大多數情況下只能依靠之前積累的經驗和熟練的維修人員對故障情況一一進行排查，進而解決故障問題，往往需要消耗大量時間成本，而故障出現的概率又是隨機的，無法預估具體的維修時間，當遇到重大且難以處理的故障時，這對運營部門來說面臨著巨大的壓力和挑戰。

而全電子聯鎖系統的信號集中監測功能，可以實時監控設備狀態，能及時根據監測信息對設備故障情況進行排查，故障定位簡單、能精準定位到板卡級，有效縮短了故障排查時間，節省了維修時間和成本。

3.6 系統擴展

計算機聯鎖系統的擴展比較困難，需對繼電組合的聯鎖電路、電源環線等配線進行修改，增加繼電器組合和組合架，對既有系統影響較大、系統擴展難度大且系統調試周期長。

全電子聯鎖系統采用模塊化的設計、可擴展能力強，只需要在聯鎖系統的軟件和接口上修改相應的配置數據，并在機柜中增加相應的電子執行模塊即可，系統擴展簡單，對既有系統改動少、影響小。

3.7 能耗情況

計算機聯鎖系統由于使用了大量的繼電器設備，在同一集中站的設備配置下，采用全電子聯鎖系統能有效減少繼電器的數量，因此，全電子聯鎖相較于計算機聯鎖的電源供電容量需求降低，相應的能耗也會減少，在一定程度上來說采用全電子聯鎖系統可以節能。

3.8 技術趨勢

從聯鎖系統和技術的發展角度來看，第四代全電子聯鎖系統是繼計算機聯鎖系統之后的又一次重大飛躍，未來將會成為主流發展方向。截至目前，已有多個廠家取得了全電子聯鎖的SIL4 級認證，并成功在工程項目中應用。

4 結論

綜合上述對全電子聯鎖和計算機聯鎖系統的發展情況、系統架構及特點的對比分析可知：相比于計算機聯鎖系統，全電子聯鎖系統在故障處理、日常維護、占用空間、系統擴展等多方面有很大的優勢，可以克服計算機聯鎖系統存在的占用空間大、維修工作量大、維護難度高等問題。近年來繼電器價格一直在上漲，也造成了投資成本的提高，而使用全電子聯鎖系統在一定程度上節省了大量的人力和物力，有利于節約資源。

同時，全電子聯鎖雖然具有很多優點，但應明確全電子聯鎖在城市軌道交通項目中的應用尚處在起步階段，還未進行全面推廣和使用。而且，全電子聯鎖雙套冗余的系統架構也增加了系統的復雜度和投資成本，其防雷和防電磁干擾的能力有待提升，且各地方業主對該系統的認可和接受程度也有待考量。但是從長遠來看，全電子聯鎖是技術發展的必然趨勢，也是未來主流的發展方向，相信在未來的城市軌道交通項目中一定能得到廣泛的應用。