基于光通信的計算機半自動閉塞系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

孫巖華，蘆鳳來，王立延

鐵路閉塞設(shè)備是控制列車區(qū)間運行間隔，防止列車追尾碰撞，以保證行車安全的必要基礎(chǔ)設(shè)施［1］，可分為人工閉塞、半自動閉塞和自動閉塞等類型。截至2022年底，中國普速鐵路營業(yè)里程達(dá)11萬km，其中單線里程超過5萬km，從運輸效率、經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考量，這些單線線路大都采用繼電半自動閉塞方式。以北京局集團(tuán)公司為例，采用繼電半自動閉塞系統(tǒng)的車站仍有200多個。

繼電半自動閉塞系統(tǒng)通過繼電電路與控制臺、聯(lián)鎖設(shè)備、軌道電路相連接；以電脈沖的方式，發(fā)送、接收各種閉塞操作指令并產(chǎn)生回執(zhí)，實現(xiàn)半自動閉塞［2］。其中，64D型繼電半自動閉塞系統(tǒng)從19世紀(jì)70年代裝備至今，以其簡單、實用、價廉的優(yōu)異特性，為我國鐵路運輸做出重要貢獻(xiàn)。隨著繼電半自動閉塞系統(tǒng)使用年限的增加，設(shè)備老化問題日趨嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在：①繼電器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障點多，器件參數(shù)離散性大［3］；②站間通信通過電纜或架空明線，以“+”“-”電平信號來傳輸信息，傳輸通道電纜劣化嚴(yán)重，易發(fā)生斷線、混線、接地、外界干擾等問題。

為實現(xiàn)半自動閉塞系統(tǒng)的技術(shù)升級，基于“故障-安全原則”，且滿足《軌道交通 通信、信號和處理系統(tǒng) 信號用安全相關(guān)電子系統(tǒng)》（GB/T 28809—2012）［4］規(guī)定的SIL4（安全完整性第4等級）相關(guān)要求，提出基于光通信的計算機半自動閉塞系統(tǒng)（簡稱“計算機半自動閉塞”）設(shè)計方案。在不改變既有閉塞技術(shù)條件和行車操作方法的前提下，實現(xiàn)聯(lián)鎖功能、通信接口、人機界面的標(biāo)準(zhǔn)化［5］。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 硬件組成

計算機半自動閉塞系統(tǒng)主要由安全主機（Ⅰ、Ⅱ系）、驅(qū)動/采集單元（Ⅰ、Ⅱ系）、通信單元（Ⅰ、Ⅱ系）、維護(hù)機、繼電器接口電路等設(shè)備組成，見圖1。安全主機是系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，負(fù)責(zé)閉塞邏輯處理功能；驅(qū)動/采集單元負(fù)責(zé)采集閉塞控制臺、聯(lián)鎖設(shè)備的各種信息，驅(qū)動計算機閉塞定型組合繼電器，以及發(fā)送閉塞指令；通信單元負(fù)責(zé)站間光纖通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換和信息傳輸；維護(hù)機由維護(hù)主機和鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)組成，與既有的微機監(jiān)測設(shè)備通信，提供設(shè)備維護(hù)信息。

圖1 計算機半自動閉塞系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 軟件組成

計算機半自動閉塞系統(tǒng)軟件分為核心邏輯層和應(yīng)用層，核心邏輯層和應(yīng)用層之間通過系統(tǒng)內(nèi)部總線交換數(shù)據(jù)，見圖2。其中，核心邏輯層主要由安全計算機軟件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫組成，實現(xiàn)計算機半自動閉塞邏輯和安全切換功能；應(yīng)用層軟件主要由復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programm able Logic Device，CPLD）、通信、維護(hù)機等軟件模塊組成，并與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，完成命令采集、通信、執(zhí)行等功能。

圖2 計算機半自動閉塞系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

1）安全計算機軟件：通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫獲取站場及線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)總線獲取實時信息并發(fā)送各種控制命令；與通信軟件實現(xiàn)信息交互，完成各種閉塞功能；支持系統(tǒng)檢測、應(yīng)用調(diào)度等功能；實現(xiàn)系統(tǒng)2乘2取2安全冗余運算功能。

2）CPLD軟件：主要包括采集、驅(qū)動接口的CPLD軟件，涉及控制臺、繼電器、微機聯(lián)鎖等外部條件的驅(qū)采，以及內(nèi)、外接口轉(zhuǎn)換。

3）通信軟件：完成系統(tǒng)內(nèi)、外部通信接口轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)站間光纖通信；采用RSSP-Ⅰ鐵路信號安全通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和安全性；對通信過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)幀重復(fù)、丟失、插入、次序混亂、錯誤、超時等問題進(jìn)行防范，并采用冗余雙通道保障站間信息的安全可靠傳輸［6］。

4）維護(hù)機軟件：實時監(jiān)控設(shè)備工作、網(wǎng)絡(luò)通信等狀態(tài)信息，若有異常信息可實時報警，并生成設(shè)備運行統(tǒng)計日志。

2 系統(tǒng)功能

2.1 辦理閉塞

依據(jù)《半自動閉塞技術(shù)條件》（TB/T 1567.3—2020）［7］要求，計算機半自動閉塞系統(tǒng)閉塞辦理方式與原有繼電器半自動閉塞系統(tǒng)保持一致，即根據(jù)本站按鍵事件及站間指令請求事件，結(jié)合接口繼電器狀態(tài)，執(zhí)行閉塞辦理及復(fù)原功能。

1）上電。由于站間沒有占用檢查設(shè)備，計算機半自動閉塞系統(tǒng)僅對接近區(qū)段和進(jìn)站內(nèi)方軌道電路的狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷，因此按照“故障-安全”原則，上電時將設(shè)備設(shè)定為閉塞狀態(tài)，且必須由人工確認(rèn)站間是否空閑。此時，發(fā)車表示燈為紅燈、接車表示燈滅燈、開通條件繼電器落下，不能請求閉塞、辦理狀態(tài)復(fù)原，不允許向區(qū)間開放發(fā)車信號，可通過按壓事故按鈕實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)原。人工確認(rèn)兩站間區(qū)間空閑后，僅允許開放一個車站的出站信號機，閉塞邏輯與64D繼電半自動閉塞系統(tǒng)保持一致［8］。

2）命令執(zhí)行。發(fā)車站發(fā)出閉塞請求，并收到接車站同意接車的回執(zhí)后，接車站由收到請求發(fā)車狀態(tài)轉(zhuǎn)為同意接車狀態(tài)，發(fā)車站由請求發(fā)車狀態(tài)轉(zhuǎn)為收到同意接車狀態(tài)。完成發(fā)車、接車作業(yè)后，發(fā)車站辦理到達(dá)狀態(tài)復(fù)原手續(xù)。計算機半自動閉塞系統(tǒng)將64D繼電器半自動閉塞系統(tǒng)的7個脈沖信號，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)；同時，系統(tǒng)又增加了2個狀態(tài)信息，包括收到同意接車和收到列車出發(fā)。

3）系統(tǒng)復(fù)原。①取消復(fù)原：在列車出發(fā)前，若發(fā)車站具備相關(guān)條件，可通過按壓復(fù)原按鈕，使發(fā)車站和接車站的閉塞狀態(tài)恢復(fù)為區(qū)間空閑；②事故復(fù)原：在系統(tǒng)復(fù)位、軌道故障或其他異常情況下，可通過按壓事故按鈕，使發(fā)車站和接車站的閉塞狀態(tài)恢復(fù)為區(qū)間空閑。

2.2 站間光纖通信

站間光纖通信由通信板、冗余光纖+2 Mbit/s光纖通道等設(shè)備組成，采用冗余雙通道連接；信息傳遞僅限于兩站之間，以保證通信線路的封閉性［9］。站間光纖通信傳輸示意見圖3。

圖3 站間光纖通信傳輸示意

圖3 中，當(dāng)甲站需要將信息傳輸給乙站時，甲站設(shè)備將信息打包后通過雙通道發(fā)送給乙站設(shè)備，乙站僅需一個通道接收到信息即可認(rèn)為通信完成；站間信息傳輸時延小于3 s，通道切換時延小于500 ms。

采用光纖通道取代既有信號電纜或架空明線，并利用可靠的計算機通信協(xié)議，替代64D型半自動閉塞以“+、-、+”不同極性的直流脈沖構(gòu)成的閉塞信號，完成站間通信［10］，可有效解決電磁干擾、線路老化等問題。

2.3 繼電器接口

計算機半自動閉塞系統(tǒng)繼電器接口功能主要包括：3個按鈕、接發(fā)車鎖閉、軌道繼電器等條件的采集，以及接發(fā)車表示燈、電鈴、區(qū)間開通等條件的輸出驅(qū)動，見圖4。用計算機邏輯替代原有的繼電器驅(qū)采電路，滿足半自動閉塞辦理條件，保留與聯(lián)鎖設(shè)備的繼電接口，使控制臺的操作及站場顯示保持不變。

圖4 繼電器接口功能示意

2.4 系統(tǒng)維護(hù)

維護(hù)機采用工控機，能夠?qū)崟r監(jiān)控閉塞辦理狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，并對異常信息實時報警。可通過日志管理設(shè)備查詢歷史數(shù)據(jù)、與閉塞辦理相關(guān)的統(tǒng)計信息、設(shè)備狀態(tài)信息及各類報警信息，記錄數(shù)據(jù)不少于30天。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 安全性設(shè)計

采用二乘二取二安全冗余結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)主、備系統(tǒng)冗余切換功能，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。當(dāng)主系故障時，系統(tǒng)會自動切換到備系繼續(xù)工作，故障系維修不影響系統(tǒng)功能；待故障解除后，恢復(fù)系統(tǒng)熱備冗余狀態(tài)。主、備系內(nèi)采用雙CPU共同工作，通過雙CPU完成“二取二”的運算比較，只有雙機結(jié)果相同才輸出運算結(jié)果［11］。

3.2 站間通信通道設(shè)計

站間通信采用“冗余光纖+2Mbit/s光纖通道”模式的雙通道冗余設(shè)計，見圖5。站間傳輸光通道Ⅰ、Ⅱ，分別連接至本站通信單元Ⅰ、Ⅱ，構(gòu)成冗余通信通道，兩通道數(shù)據(jù)完全一致，可提高通信的可靠性。

圖5 站間通信通道

本站安全主機主控模塊，將閉塞命令轉(zhuǎn)換成通信數(shù)據(jù)，并通過通信單元Ⅰ、Ⅱ?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；根據(jù)RSSP-Ⅰ協(xié)議實現(xiàn)站間通信，完成通道數(shù)據(jù)檢查、雙通道通信管理及冗余切換等功能。

3.3 動態(tài)采集電路設(shè)計

在常規(guī)設(shè)計中，繼電器接點狀態(tài)一般通過單光耦電路進(jìn)行靜態(tài)采集，若采集電路出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)與接點實際狀態(tài)不一致，使系統(tǒng)導(dǎo)向設(shè)備危險側(cè)，不能滿足安全等級SIL4要求。計算機半自動閉塞系統(tǒng)基于動態(tài)采集的方式，通過雙光耦采集電路準(zhǔn)確獲取繼電器的接點狀態(tài)；當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，確保采集的信息導(dǎo)向安全側(cè)。動態(tài)采集電路見圖6。

在該電路中，分別使用U1、U2兩個光電耦合器來采集繼電器接點狀態(tài)，通過使能/禁能U2來動態(tài)判斷U1的輸出狀態(tài)，繼電器接點采集功能真值見表1。在U2的一個使能/禁能周期內(nèi)，如果檢測到U1狀態(tài)有變化，則判斷接點閉合；如果狀態(tài)無變化且U1輸出為“0”，則認(rèn)為接點斷開［12］；如果狀態(tài)無變化且U1輸出為“1”，則認(rèn)為采集電路故障。

表1 繼電器接點采集功能真值

4 現(xiàn)場試驗

計算機半自動閉塞系統(tǒng)在獲得獨立第三方安全完整性等級4級（SIL4）認(rèn)證基礎(chǔ)上，在北京局管內(nèi)選擇三站二區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場試驗。實測內(nèi)容包括閉塞邏輯、安全防護(hù)、故障切換、通信通道性能、監(jiān)測接口等5個方面，共計完成測試序列33個，測試用例133項，所有測試項全部通過。系統(tǒng)日志表明，維護(hù)機能夠記錄并回放運行數(shù)據(jù)，發(fā)生故障時能夠自診斷并定位故障位置，有效縮短了故障排查的延時。

5 結(jié)論

1）計算機半自動閉塞系統(tǒng)采用安全計算機替代64D半自動閉塞復(fù)雜的繼電器及阻容元器件電路，實現(xiàn)半自動閉塞辦理的各項邏輯，具備安全輸入/輸出特性，元器件集成度高，降低了元器件離散性故障率；采用二乘二取二冗余架構(gòu)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

2）采用光纖通信通道取代傳統(tǒng)的電纜或架空明線完成站間信息傳輸；在站間通信協(xié)議中集成數(shù)據(jù)編碼、加密、數(shù)字簽名等技術(shù)，提高了系統(tǒng)信號傳輸?shù)目垢蓴_和自糾錯能力。

該系統(tǒng)于2022年11月正式投入試用。截至2023年5月，共辦理閉塞266列，系統(tǒng)設(shè)備工作狀態(tài)穩(wěn)定，光纖通道通信正常，實際運用效果良好。