軌道交通信號聯鎖列控一體化系統軟硬件設計

摘 "要：該文主要探究聯鎖列控一體化系統的軟硬件設計內容。該系統的軟件部分使用VC++6.0開發，包含4個功能模塊，分別是進路選排、進路鎖閉、信號開放與進路解鎖，可以實現車站與區間范圍內信號設備的一體控制，并處理進路命令和控制地面設備；該系統的硬件部分包括STM32主控芯片和PCI版驅動采集板，以及CAN通信接口等，在保證通信速率與通信質量的基礎上，實現上位機與下位機的信息共享與可靠交互。該系統以軌道交通信號為基礎數據，在數據采集、分析的基礎上為監控列車運行和保障行駛安全提供幫助。

關鍵詞：軌道交通信號；聯鎖列控一體化；進路鎖閉；PCI驅采板；通信接口

中圖分類號：U284 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0134-04

Abstract： This paper mainly discusses the hardware and software design content of interlocked train control integrated system. The software part of the system is developed by VC++6.0， including four functional modules， which are route selection， route locking， signal opening and route unlocking， which can realize the integrated control of signal equipment in the station and the range， and process route commands and control ground equipment. The hardware part of the system includes STM32 main control chip， PCI driver acquisition board， and CAN communication interface. On the basis of ensuring communication speed and communication quality， the information sharing and reliable interaction between the upper computer and the lower computer are realized. Based on the data collection and analysis of rail transit signals， the system provides help for monitoring train operation and ensuring driving safety.

Keywords： rail transit signal; interlocking train control integration; route locking; PCI driving board; communication interface

現階段多數鐵路干線的車站與區間采用2套控制系統，即車站聯鎖系統和區間列控系統。這種控制模式不僅存在信號傳輸延時，而且容易出現接口故障或不兼容等問題，導致2套系統之間的信息共享能力不強，對車站區間管理造成了負面影響。軌道交通信號聯鎖列控一體化系統則是取消聯鎖和列控系統之間的接口，在每個車站均設置一套一體化系統，提高了本站左右區間及本站與臨站之間的信息共享能力，在提升車站區間管理效率以及保證列車運行安全等方面發揮了重要作用。

1 "軌道交通信號聯鎖列控一體化系統的整體架構

聯鎖列控一體化系統的工作流程為：公布行車計劃后，調度集中系統（CTC）發出2條指令，一條是發送至無線閉塞中心（RBC）的臨時限速信息，另一條是發送至聯鎖中心的進路命令。聯鎖中心接收該命令后，利用傳感器獲取車站軌道的占用信息、道岔的位置信息，然后根據調度集中系統下達的進路命令，控制信號機、道岔排列進路。列控中心將當前的區間軌道電路占用信息同步傳輸給聯鎖中心。聯鎖列控一體化系統匯總上述信息，向無線閉塞中心申請信號授權。無線閉塞中心根據申請可以了解列車狀態、位置參數、軌道占用等信息，并基于上述信息生成控制命令，通過無線通信系統將該控制命令發送給車載設備，從而控制列車安全進站、出站。整個流程如圖1所示。

2 "聯鎖列控一體化系統的軟件設計

2.1 "進路選排與道岔控制模塊

進路選排的作用是判斷聯鎖條件是否滿足，在滿足的前提下選出預辦理進路，并生成進路控制指令。執行該指令后，可以從進路中選擇各個道岔的位置，實現道岔控制。進路選排流程如圖2所示。

由于存在多條進路，因此在進路選排操作中最為關鍵的是選出一條符合要求的進路。為了實現這一目的，本文在軟件設計添加了進路搜索程序。在進入進路選排環節后，搜索程序首先利用聯鎖關系檢查操作指令是否合規以及是否滿足進路條件。如果2個判斷程序的判斷結果均為“是”，利用“直股優先策略”進行搜索，直到搜索到目標節點。重復搜索過程，直到將所有與該進路相關的節點全部檢索出來，并將這些節點存入堆棧中，然后添加一個占用標志，確保不會被其他進路占用。然后在搜索任務結束后，在軌道交通信號平面布置圖上繪制出對應的進路，并開放信號機[1]。

2.2 "進路鎖閉模塊

在預選出符合條件的進路后，將進路閉鎖。閉鎖流程如下：首先執行一個判斷程序“敵對信號機是否開放？”如果判斷結果為“是”，則進路存在沖突，無法建立進路，直接結束程序；如果判斷結果為“否”，說明進路不沖突，滿足進路鎖閉的前置條件，但是還需要進一步判斷。再執行一個判斷程序“道岔是否規定位置？”如果判斷結果為是，繼續下一步；如果判斷結果為“否”，需要重新置位使道岔回到規定位置。然后檢查鎖閉繼電器是否正常鎖閉，如果能夠正常鎖閉，即可完成進路鎖閉操作，程序結束；如果不能正常鎖閉，則道岔無法轉動，鎖閉失敗，程序結束。進路鎖閉流程如圖3所示。

2.3 "信號開放模塊

在進路正常鎖閉后，該進路對應的信號機正常開放，此時列車能夠正常駛入該進路。基于安全方面考慮，本文在設計信號開放模塊時嵌入了5個驗證條件，在信號機發出開放命令之前需要進行驗證。只有全部滿足才能正常發出開放信號。驗證條件如下：

1）該進路當前為“空閑”狀態；

2）該進路中沒有被占用的區段；

3）敵對進路未建立或敵對進路建立但是敵對信號未開放；

4）道岔位置正確并且被鎖定；

5）燈絲狀態正常；

當上述條件全部滿足后，信號機發出開放信號。

2.4 "進路解鎖模塊

該模塊可以將鎖閉的進路解鎖，在鐵路運行中需要解鎖的情況有若干種，除了進路正常通過解鎖外，還包括故障解鎖、人工延時解鎖、調車中途折返解鎖等，本文只研究正常解鎖情況。根據解鎖觸發條件的不同，可以將正常解鎖分為2種方式，一種是“一次解鎖”，只有當列車完全通過進路后才會觸發解鎖；另一種是“分段解鎖”，是根據列車的按壓順序逐段解鎖進路[2]。正常解鎖流程如圖4所示。

3 "聯鎖列控一體化系統的硬件設計

3.1 "主控板設計

本系統采用STM32F103ZET6芯片作為主控板，該芯片最高工作頻率72 MHz，額定電壓3.3 V，內置高速存儲器和CRC計算單元，包含64 kB的隨機存取存儲器（RAM）和512 kB的FLASH，以及8個定時器、12個串口、1個控制器局域網（CAN）總線接口和84個通用I/O口。主控板電路中包括電源模塊、CAN模塊、RS232和鎖存電路，主控板與驅采板之間采用CAN總線通信，主控板與PC機（下位機）之間采用RS232串口通信。由于CAN總線電平無法直接接入STM32芯片，本文在系統硬件設計中加入了一個電平轉換單元TJA1050，其作用是在CAN協議控制器與物理總線之間充當接口，從而滿足CAN總線多樣化的發送和接收需要。另外，TJA1050外接一個電流限制電路，可以保護發送器的輸出級，保證了在發生短路故障后不會燒毀TJA1050，從而保證了CAN總線正常通信[3]。

3.2 "驅采板及其電路的設計

在聯鎖列控一體化系統中，主控板與驅采板采用“一對多”的方式進行通信，由于該系統中包含了若干塊驅采板，并且每塊驅采板上收集、傳輸的信號數據較多，很容易因為帶寬不夠而出現信道擁堵的情況，導致信號傳遞出現明顯的延遲，不利于信號的實時采集。此外，主控板與驅采板之間，以及驅采板與驅采板之間均需要進行通信，任何一個環節出現通信故障，都有可能對一體化系統的運行產生干擾。基于上述問題，本文在聯鎖列控一體化系統的硬件設計中，使用了PCI總線設計驅采板，負責室外監控目標的驅動與采集任務。PCI版驅采板結構簡單，只包括輸入電路和輸出電路，前者用于采集信號（如道岔狀態、區段狀態等），從而實現對監控目標狀態的實時跟蹤，為聯鎖運算提供基礎數據；后者則是根據上層控制單元發送的控制指令，驅動前端執行設備完成指定動作（如道岔動作、信號動作等）。

站場內的所有PCI版驅采板通過CH365接口芯片與上位機應用軟件實現通信，流程如下：PCI版驅采板采集信號后，利用地址選擇電路和地址比較電路確定需要上傳的信號，然后由CH365進行讀寫。成功讀寫后，驅動信號設備將數據發送到鎖存電路，完成數字信號的鎖存，保證信號在傳輸過程中不會出現順序錯亂、丟失等問題。考慮到鎖存后的數值信號在傳輸過程中仍然可能受到外部干擾，因此，本文設計了光耦隔離電路進行隔離，設計了放大電路進行信號放大，最后將信號輸入到計算機中[4]。CH365接口芯片不僅速度快、實時性好，而且支持存儲器與I/O端口映射。CH365接口芯片與PCI總線之間的信號線有PCI_AD[31_0]、PCI_RST等，CH365與本地8位總線之間的信號線有IOP_RD、INT_REO等，信號線具體說明見表1。

3.3 "通信接口設計

考慮到聯鎖列控一體化系統中各個模塊之間的通信要求存在差異，因此，本文在設計中選擇了不同的通信方式，例如主控板采用CAN總線通信，驅采板采用CPI總線通信等，見表2。

CAN總線中傳輸的所有信息都是以固定格式發送，只要CAN總線當前處于空閑狀態，任意單元都可以發送消息，這種特性決定了CAN總線的通信速度更快，不容易出現信道擁堵情況，適用于信號傳輸流量較大的主控板[5]。另外，CAN總線還具有檢測與錯誤恢復等功能，也在一定程度上保障了系統的通信安全。

本系統使用PCI總線連接上位機與下位機，相比于傳統的ISA總線、VESA總線，PCI縱向的帶寬更大（133 MBps）、數據線更多（32條），因此，信號傳輸速率更高。將PCI總線作為CH365芯片的通信載體，很好地滿足了即時通信需求。

4 "結束語

聯鎖與列控是鐵路信號系統的2個關鍵子系統，兩者只有做到相互配合、信息共享才能使列車運行安全。聯鎖列控一體化系統處理前端采集和發送的臨時限速報文、軌道電路編碼等信息，然后生成相應的控制指令發送給下位機。通過PCI版驅動采集板執行指令，實現了對道岔、信號機等前端設備的控制，解決了通信延遲、穩定性差等問題，可以實現列車精準定位、靈活控制和安全運行，具有推廣應用價值。

參考文獻：

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[4] 李暢.基于Apriori算法的城市軌道交通運行設備動態監測方法[J].交通世界，2023（24）：11-13.

[5] 黃春生，張愿寧.CTCS2-200K型列控車載設備掉碼原因分析[J].鐵道通信信號，2023（10）：91-95.