李佳蔚

（中鐵十四局集團(tuán)電氣化工程有限公司，濟(jì)南 250014）

1 概述

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，特別是可靠性和容錯技術(shù)的提高，使鐵路信號聯(lián)鎖控制系統(tǒng)在經(jīng)歷了以機(jī)械、機(jī)電、繼電等傳統(tǒng)技術(shù)手段組成的系統(tǒng)后，正向今天的以微電子、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代控制技術(shù)為基礎(chǔ)組成的系統(tǒng)發(fā)展[1]。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖首先于1978年在瑞典哥德堡投入運(yùn)用，后在世界各國推廣使用。1991年11月19日，中國鐵路干線上第一個計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在廣深線紅海站開通，從此我國鐵路信號進(jìn)入了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖時(shí)代。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是一種由計(jì)算機(jī)及其他電子、電磁器件組成的具有故障-安全性能的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)由相關(guān)硬件和軟件設(shè)備構(gòu)成。硬件設(shè)備包括聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)（完成聯(lián)鎖和顯示功能）、安全檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)（實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)故障可導(dǎo)向安全）、彩色監(jiān)視器、微型集中操縱臺、安全繼電輸入輸出接口柜、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖專用電源屏以及現(xiàn)場信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路等室外設(shè)備。軟件設(shè)備是實(shí)現(xiàn)進(jìn)路、信號機(jī)和道岔相互制約的核心部分，由兩部分組成：一是參與聯(lián)鎖運(yùn)算的車站數(shù)據(jù)庫；二是進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，完成聯(lián)鎖功能的應(yīng)用程序。車站數(shù)據(jù)庫包括車站賦值表、車站聯(lián)鎖表、按鈕進(jìn)路表、車站顯示數(shù)據(jù)等。應(yīng)用程序由多個程序模塊組成，即系統(tǒng)管理程序、時(shí)鐘中斷管理程序、表示信息采集及信息處理程序、操作命令輸入及分析程序、選路及轉(zhuǎn)岔程序、信號開放程序、解鎖程序和站場彩色監(jiān)視器顯示程序模塊等。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能包括如下幾點(diǎn)。

1）聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算：接收ATS或車站值班員的進(jìn)路命令，進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對道岔和信號機(jī)的控制。

2）軌道電路信息處理：處理列車檢測功能的輸出信息，以提高列車監(jiān)測信息的完整性。

3）進(jìn)路控制：設(shè)定、鎖閉和解鎖進(jìn)路。

4）道岔控制：解鎖、轉(zhuǎn)換和鎖閉道岔。

5）信號機(jī)控制：確定信號機(jī)的顯示。

2 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以進(jìn)路控制為主要內(nèi)容的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是以色燈信號機(jī)、動力轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道電路作為室外3大基礎(chǔ)設(shè)備，以電氣設(shè)備或電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能對軌道區(qū)段狀態(tài)、信號狀態(tài)和道岔狀態(tài)進(jìn)行檢測，并對信號機(jī)和道岔實(shí)施控制的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)各部分功能，一般的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的操作方法與繼電聯(lián)鎖相似，由于它實(shí)現(xiàn)了從有接點(diǎn)到無接點(diǎn)的變革，操作人員辦理進(jìn)路時(shí)，只需先按進(jìn)路始端鈕，再按進(jìn)路終端鈕即可完成。此時(shí)計(jì)算機(jī)就執(zhí)行操作輸入程序和聯(lián)鎖處理程序。根據(jù)輸入的按鈕代碼，從進(jìn)路矩陣中找出相應(yīng)的進(jìn)路，然后檢查是否符合選路條件，只有完全滿足選路條件后，程序才能轉(zhuǎn)入選路部分。之后，先檢查對應(yīng)道岔是否在規(guī)定位置，再將需要變換位置的道岔轉(zhuǎn)換位置，接著鎖閉進(jìn)路，并建立對應(yīng)的運(yùn)行表區(qū)[2]。

在執(zhí)行信號開放程序中，是根據(jù)運(yùn)行表區(qū)內(nèi)容，連續(xù)不斷地檢查各項(xiàng)聯(lián)鎖條件，條件滿足后信號機(jī)才能開放。當(dāng)列車進(jìn)入信號機(jī)后方，信號機(jī)即自動關(guān)閉，隨著列車的運(yùn)行，進(jìn)路可順序逐段解鎖。

3 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信方式

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不僅要具有高度的安全性、可靠性、可用性，還要有快速、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間以及計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和其他系統(tǒng)之間要相互傳輸大量數(shù)據(jù)，協(xié)同工作，因此，各種通信方式在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖及相關(guān)系統(tǒng)中得到了大量的運(yùn)用。其中最主要的有以太網(wǎng)通信、串口通信、現(xiàn)場總線通信等。

1）串口通信

串口通信具有使用線路少、成本低的特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。串口通信常應(yīng)用在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與其他相關(guān)系統(tǒng)之間的通信以及聯(lián)鎖機(jī)之間的相互通信中。如TYJL-2型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的聯(lián)鎖機(jī)之間就采用了RS-485串口通信方式。

2）以太網(wǎng)通信

以太網(wǎng)是當(dāng)今局域網(wǎng)中采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的相互通信。如上位機(jī)與聯(lián)鎖機(jī)通信、上位機(jī)之間通信、上位機(jī)與電務(wù)維修機(jī)之間的通信等。最新研制的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)目前都已使用快速以太網(wǎng)進(jìn)行通信。例如：北京卡斯卡公司研制的CIS-1型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的上位機(jī)以及聯(lián)鎖機(jī)、電務(wù)維修機(jī)之間使用100 M的雙絞線快速以太網(wǎng)進(jìn)行通信。北京交大微聯(lián)公司研制的EI32-JD型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的聯(lián)鎖機(jī)與驅(qū)動采集機(jī)間采用雙環(huán)的光纜進(jìn)行通信。目前光纖以太網(wǎng)正在開始大規(guī)模應(yīng)用。

3）現(xiàn)場總線通信

由于現(xiàn)場總線傳輸速度快，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，Can總線、Profibus總線也開始在鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中應(yīng)用。例如HOLLiAS VSI2002型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的聯(lián)鎖主機(jī)與I/O系統(tǒng)的通信就采用了Profibus-DP通信協(xié)議?，F(xiàn)場總線支持遠(yuǎn)程操作，為區(qū)域聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[3]。

4 可靠性技術(shù)

為了提高系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，在長期的研究中發(fā)展了兩類可靠性技術(shù)。一類是防止和減少故障發(fā)生的技術(shù)，叫做避錯技術(shù)；另一類是當(dāng)系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能保持正常工作的技術(shù)，稱之為容錯技術(shù)。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)采用避錯和容錯技術(shù)來保證系統(tǒng)的可靠性。其中避錯技術(shù)分為硬件避錯和軟件避錯，硬件避錯主要是選擇并使用高可靠性的元部件來組成計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，并充分考慮到其中環(huán)境因素，從而提高系統(tǒng)整體的可靠性，軟件避錯最基本原則是減少軟件中的缺陷，確保軟件不出錯。常用的軟件避錯技術(shù)有：開展軟件工程、加強(qiáng)軟件可靠性管理、優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，強(qiáng)化程序驗(yàn)證等。對于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的容錯技術(shù)，是通過系統(tǒng)各部分之間冗余來實(shí)現(xiàn)的。主要通過以下3個層次來實(shí)現(xiàn)。

1）系統(tǒng)級保障技術(shù)

為完成系統(tǒng)的可靠性保證，在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用冗余可靠性結(jié)構(gòu)配置。目前主要研究和使用有兩種：三取二靜態(tài)冗余結(jié)構(gòu)和雙機(jī)熱備動態(tài)冗余結(jié)構(gòu)。

2）設(shè)備級保障技術(shù)

包括硬件、軟件和數(shù)據(jù)可靠性保障。硬件可靠性保障技術(shù)主要包括故障檢測和故障屏蔽技術(shù)。軟件可靠性保障則包括容錯設(shè)計(jì)基本技術(shù)、容錯算法以及減少程序失控的編程技術(shù)等。此外，為了提高軟件設(shè)計(jì)可靠性，還可在程序設(shè)計(jì)過程中采取程序失控的捕捉技術(shù)，將容錯設(shè)計(jì)體現(xiàn)在接口軟件的設(shè)計(jì)過程中，包括I/O接口設(shè)計(jì)和模擬量接口設(shè)計(jì)等。數(shù)據(jù)可靠性保障，實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的容錯，即對檢驗(yàn)碼和糾錯碼的應(yīng)用。利用編碼技術(shù)進(jìn)行檢錯和糾錯，是一種基于信息冗余的容錯技術(shù)。使用冗余校驗(yàn)位可以有效實(shí)現(xiàn)。

3）網(wǎng)絡(luò)通信保障技術(shù)

通過鏈路的冗余、節(jié)點(diǎn)的冗余、通信協(xié)議的冗余來提高整個局域網(wǎng)的可靠性。

5 主要聯(lián)鎖系統(tǒng)介紹

我國計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為鐵路信號領(lǐng)域的重要設(shè)備，也關(guān)系到列車安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前國內(nèi)市場上各種類型的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)有很多種，從事計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖領(lǐng)域研究工作的廠家也很多。為此，鐵道部自1998年起加強(qiáng)了項(xiàng)目管理，開始對各種產(chǎn)品設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)質(zhì)量評估，并制定了諸多規(guī)章制度來規(guī)范計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)領(lǐng)域的研究。從系統(tǒng)配置的角度來講，目前市場上應(yīng)用最為廣泛的有3種，分別是雙機(jī)熱備配置、三取二冗余配置、二乘二取二冗余配置，屬于這3種配置的產(chǎn)品也有很多種。

雙機(jī)熱備配置是目前技術(shù)比較成熟的硬件冗余配置方式，我國鐵路使用的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)較多采用硬件配置方式。本文將重點(diǎn)介紹具有雙機(jī)熱備配置特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，主要包括TYJLII型、DS6-11型、JD-IA型、CIS-1型等。其中TYJL-II型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是由鐵道部科學(xué)研究院研制的是第一個在我國鐵路投入使用、實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備并通過鐵道部科技成果鑒定的國產(chǎn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。DS6-11型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是由北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院研制開發(fā)的雙機(jī)熱備計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用具有高可靠性的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)構(gòu)成多機(jī)分布式控制系統(tǒng)。DS6-11型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在國鐵和城軌系統(tǒng)有比較廣泛的應(yīng)用。JD-IA型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是北京交大微聯(lián)科技股份有限公司研制的雙機(jī)熱備系統(tǒng)，它采用最新的計(jì)算機(jī)、總線、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一套性能可靠、具有“故障-安全”性能、功能完善、操作簡單、維護(hù)方便的車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。CIS-1型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是從原美國GRS公司（現(xiàn)阿爾斯通集團(tuán)交通運(yùn)輸部所屬美國公司）引進(jìn)的VPI型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，結(jié)合中國鐵路運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)條件和當(dāng)今世界快速發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)研制的能夠滿足大、中型鐵路站場需要，并能與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的新一代計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，廣泛適用于400組聯(lián)鎖道岔以下的鐵路車站。

三取二計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用三重系的容錯計(jì)算機(jī)，具有更高的可靠性、安全性和可用性。包括TYJL-TR9、TYJL-ECC和DS6-20型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。TYJL-TR9型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)也是鐵道部科學(xué)院產(chǎn)品。與TYJL-II型系統(tǒng)相比，最大區(qū)別在于從輸入模塊、主處理模塊到輸出模塊全面實(shí)現(xiàn)三重系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)中任何部分的單永久性故障或瞬間故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)仍能無差錯、不間斷的工作。TYJL-ECC型三取二容錯計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)同樣由鐵道部科學(xué)院研制，采用了西門子公司鐵路信號控制專用的故障-安全計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)全面遵從歐洲電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會的標(biāo)準(zhǔn)，并通過了SIL4級的安全認(rèn)證，具有強(qiáng)大的信息處理能力和接口能力，在功能和規(guī)模上均可靈活配置，能適應(yīng)各種規(guī)模的站場，易于實(shí)現(xiàn)綜合信號一體化控制。DS6-20型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院研制的具有三重冗余（三取二）結(jié)構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)的聯(lián)鎖子系統(tǒng)和輸入輸出部分，采用具有容錯和故障-安全性能的GMR系統(tǒng)。

6 總結(jié)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是目前最先進(jìn)的車站聯(lián)鎖設(shè)備，具有運(yùn)作速度快，信息量大，操作方便，安全性高，設(shè)備體積小、重量輕，便于調(diào)試和維修的特點(diǎn)，提高了自動化程度和作業(yè)效率。全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖今后的發(fā)展方向，對現(xiàn)場信號設(shè)備的控制采用模塊化設(shè)計(jì)，去掉了原有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖執(zhí)行部分的繼電器電路，代之以智能全電子執(zhí)行單元，通過現(xiàn)場總線，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)對現(xiàn)場道岔、信號機(jī)等設(shè)備進(jìn)行操作，形成分布式控制，可以實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)督、檢測一體化。邏輯可編程控制器（PLC）技術(shù)也已經(jīng)開始應(yīng)用在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中。

未來計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用還將逐步走向智能化，使用先進(jìn)的智能控制技術(shù)，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)控制算法的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測，問題分析等智能控制。

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