全电子联锁系统开发与应用研究
韩冰倩，宿秀元
（通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070）
近年来，随着城市轨道交通技术的快速发展，市场对CBTC系统自动化、集成化程度的要求越来越高，全电子联锁系统以其简洁的系统结构、高效的处理速度、便捷的操作维护和低廉的建设投入获得业主越来越多的青睐[1]，采用全电子联锁的CBTC系统的市场需求越来越迫切。本文将分析全电子联锁系统的技术特点，并对全电子联锁系统的架构及采驱流程进行研究和设计。
2.1 传统联锁系统
传统联锁系统对于室外道岔、信号机、轨道电路等信号设备的控制仍然采用道岔控制电路、信号机点灯电路、轨道电路等继电电路。继电电路结构复杂且存在大量人工配线，因此存在混线、断线等隐患，可能导致无法控制室外信号设备[2]。当发生故障时，需人工走查线路、识别故障位置、排查问题原因，对维护人员的专业素质要求较高，还会造成大量维护工作、耗费大量人力资源。除此之外，继电器的价格高昂，且放置继电器的组合架占据大量信号室面积，增加城市轨道交通建设的成本。因此，传统联锁系统已难以适应现代化城市轨道交通的发展。
2.2 全电子联锁系统
全电子联锁系统是信号控制的新一代联锁设备，系统以计算机控制技术为核心，以电力电子开关技术为基础，采用计算机通信、自动检测等先进技术，实现电子化的联锁设备[3]。与传统继电接联锁系统相比，全电子联锁系统采用电子执行单元实现与室外道岔、信号机、轨道电路等信号设备直接进行接口。电子执行单元体积小、功能强大、便于组网，可以为CBTC系统自动化、信息化提供基础信息、远程管理和远程诊断[4-5]。电子执行单元替代传统的继电电路实现对室外信号设备的控制，只保留少量配线用于对外接口，可减少混线、断线等隐患的发生。一旦设备发生故障，系统能够将设备故障精确定位到板级，维护人员可根据报警更换故障板卡，大大减轻维护工作量。电子执行单元相比继电器，价格低廉且占空间小，应用电子执行单元，正线可减少30%信号室面积，车辆段可减少60%信号室面积。综上所述，全电子联锁系统具有集成度高、维护工作量少的工程应用优势，实现从工程实施、运营管理、到后期维护全生命周期的资源优化配置，可最大限度地降低轨道交通建设和运营维护成本。可见，采用全电子联锁的CBTC系统将带动城市轨道交通产业快速发展。
3.1 系统边界
传统联锁系统由人机对话层、联锁运算层、执行表示层构成，各层之间通过网络保持通信，执行表示层采用I/O采集驱动方式，通过继电电路控制室外信号设备，此时继电电路不属于联锁系统边界范围内。
全电子联锁系统与传统联锁系统结构类似，同样由人机会话层、联锁运算层、执行表示层构成。人机会话层与联锁运算层实现的功能基本与传统联锁一致，人机对话层主要完成操作、显示及维护的功能；
联锁运算层主要完成联锁逻辑运算、同步及控制功能[6]；
最大的区别为执行表示层，全电子联锁系统的执行表示层取消继电电路，由电子执行单元构成，主要完成对室外信号设备的控制及监测，此时原来由继电电路所承担的接口功能由电子执行单元完成，属于联锁系统边界范围内，因此全电子联锁系统的系统边界有所扩大[7]，如图1所示。
图1 传统联锁系统与全电子联锁系统边界Fig.1 Boundary between traditional and full electronic interlocking systems
3.2 系统结构
全电子联锁系统包括联锁逻辑部子系统、电子执行单元、MMI控显机子系统、联锁监测机子系统4大部分，如图2所示。
图2 全电子联锁系统结构Fig.2 Full electronic interlocking system structure
电子执行单元主要分为4个模块，道岔模块、信号机模块、轨道模块和通用输入/输出模块，实现室外道岔、信号机、轨道电路等信号设备状态的采集与控制，并且电子执行单元具有将信号设备模拟量信息转化为数字量信息的功能，向监测机子系统发送模块运行状态及故障报警信息。
监测机子系统与传统联锁系统中的监测机子系统有所不同，传统联锁系统为开关量控制，没有模拟量采集功能，需要增加独立的传感器来采集信号设备的动作电流等信息供监测机子系统使用。全电子联锁系统的监测机子系统除与逻辑部子系统通信外，还与电子执行单元采用以太网方式进行通信，获取电子执行单元的状态信息及报警调试信息。电子执行单元可以通过内置的采集电路直接生成监测机子系统需要的道岔动作电流、信号机点灯电流等信息，不再需要单独安装采集传感器，监测机子系统根据道岔动作电流、信号机点灯电流等信息进行曲线绘制，从而实时监测、记录室外信号设备的运行状态，实现对整个全电子联锁系统的运行状态监控。因此，全电子联锁系统能够实现控制、执行、监测一体化的智能控制[8]。
3.3 网络结构
全电子联锁系统的网络结构如图 3所示。系统内主干通信网络分为 3 组网络，分别为控制冗余网（控制网 A 和控制网 B为冗余网络）、维护网（维护网 A 和维护网B为冗余网络）和控显冗余网（控显网 A 和控显网 B为冗余网络）[9]。控制网用于交互控制命令及状态，系统的联锁逻辑部子系统和电子执行单元连接此网；
维护网用于维护信息的上传，联锁监测机子系统和电子执行单元连接此网；
控显网用于人机控制命令和站场设备显示信息的交互，系统的MMI控显机子系统连接此网。
图3 全电子联锁网络结构Fig.3 Full electronic interlocking network structure
以信号机模块为例，对全电子联锁应用软件完成信号机采驱功能的流程进行分析。
传统联锁系统通过继电电路控制室外信号设备，对于信号机来说，联锁应用软件需要根据采集到的继电器前、后节点信息解析继电器的状态，再根据继电器的状态生成信号机显示状态，逻辑较为复杂；
驱动命令时需驱动相应的继电器动作以控制信号机亮、灭灯显示，驱动顺序错误易发生信号升级显示的问题。
全电子联锁系统通过全电子模块控制室外信号设备。就信号机来说，联锁应用软件仅需在设备层面进行采集信号机状态、驱动信号机命令，避开复杂的继电器组合，避免继电器模式下误驱动继电器造成信号机升级显示的问题。
获取信号机显示状态的流程如图4所示。
图4 获取信号机显示状态流程Fig.4 Acquisition process of signal indication status
S1：对信号机模块的设备类型、配置信息等进行校验，校验通过，则根据获取到的显示状态生成临时逻辑显示状态；
S2：状态发生变化时，启动计时，计时结束后生成逻辑显示状态；
S3：若逻辑显示状态为非法状态则进行提示报警。
生成信号机驱动命令的流程如图5所示。
图5 生成信号机驱动命令流程Fig.5 Generation process of signal drive command
S1：获取信号机逻辑控制命令并进行合法性校验，校验通过后根据逻辑控制命令生成驱动命令；
S2：下周期时，判断逻辑控制命令与逻辑显示状态是否一致，不一致时开始计时，若计时达到阈值，信号仍未开放，则进行提示报警。
基于全电子联锁的CBTC系统具有设备集成度高、维护工作量少、监测信息全的特点，能够最大限度地降低轨道交通建设和运营维护成本，带动轨道交通产业快速发展。可以预见，基于全电子联锁的CBTC系统即将迎来一个全面发展的重要机遇期，自主研发基于全电子联锁的CBTC系统具有极大的意义和必要性。
本文主要分析全电子联锁系统的特点，对全电子联锁系统的架构及采驱流程进行研究和设计。在实际应用的过程中，需要综合考虑各方面因素，以更好地实现全电子联锁系统的功能。
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