劉寶東

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的水平得到空前的提高，微機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)在鐵路方面的應(yīng)用得到了更為廣泛的應(yīng)用。基于高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)高速度和高安全性有了更高地要求，所以就需要微機(jī)聯(lián)鎖的自動(dòng)進(jìn)路控制，對(duì)微機(jī)聯(lián)鎖的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的安全性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)是可靠的，能夠滿足高鐵安全運(yùn)行的需要。

關(guān)鍵詞：高鐵 微機(jī)聯(lián)鎖 現(xiàn)場(chǎng)總線

中圖分類號(hào)：U284.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）009-020-03

1 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，鐵道信號(hào)技術(shù)也是隨著發(fā)展，微機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)會(huì)逐漸得到應(yīng)用和推廣，會(huì)慢慢的向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。特別是在高速鐵路方面的應(yīng)用，由于車速、效率、高安全性的強(qiáng)烈要求下，更加體現(xiàn)了微機(jī)聯(lián)鎖的價(jià)值。當(dāng)前聯(lián)鎖逐步向微機(jī)聯(lián)鎖方向發(fā)展，已經(jīng)逐步取代了機(jī)械、機(jī)電和繼電集中聯(lián)鎖。

為了確保微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠滿足高速鐵路運(yùn)輸?shù)乃幸螅海?）在安全可靠性方面必須過(guò)關(guān)；（2）實(shí)現(xiàn)各個(gè)列車的進(jìn)出不受影響，排列有序；（3）操作方便，便于工作人員操作，并能對(duì)突發(fā)的事情及時(shí)的做出預(yù)警。筆者結(jié)合了鄭西高鐵和京石武高鐵建設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)施中遇到的實(shí)際問(wèn)題和總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)國(guó)內(nèi)外微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)，對(duì)高鐵微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并對(duì)初定的設(shè)計(jì)進(jìn)行安全性分析。

2 高鐵及微機(jī)聯(lián)鎖概述

2.1 高鐵的概述

高速鐵路是指使原來(lái)的運(yùn)輸線路更加直線化，軌道的規(guī)矩更加標(biāo)準(zhǔn)化，使火車的運(yùn)輸速度速率達(dá)到200KM/h以上的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)。高速鐵路的正常運(yùn)行需要所有環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合，如運(yùn)行速度需要達(dá)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，鐵路軌道材質(zhì)、軌矩和技術(shù)人員的操作水平等。眾所周知，高鐵具有輸送能力大、運(yùn)輸速度快、安全性能好、受氣候條件影響小，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)點(diǎn)率高、座位舒適、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。鑒于高鐵的這些高要求，需要采用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)，即需要微機(jī)聯(lián)鎖來(lái)控制其運(yùn)行，保證鐵路運(yùn)輸?shù)母咚侔踩?/p>

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高鐵的建設(shè)工程步伐正在不斷的逐步加快，武漢、鄭州、成都、沈陽(yáng)及其周邊城際圈，從長(zhǎng)沙到株州后在到湘潭地區(qū)，從長(zhǎng)春市到吉林市區(qū)域，另在贛江、皖江經(jīng)濟(jì)區(qū)等經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)，均要按照規(guī)劃修建城際鐵路。除了上述的城際鐵路外，在一些重要的省會(huì)或是發(fā)達(dá)城市之間也要構(gòu)筑高鐵，如從廣州市到南寧市，從成都到達(dá)蘭州市、西安市、貴陽(yáng)市，從太原市到達(dá)西安市等。計(jì)劃到2020年，中國(guó)高速鐵路時(shí)速達(dá)到200Km/h及以上鐵路建設(shè)里程將達(dá)到世界一半以上的總里程，即中國(guó)的高鐵鐵路總里程將超過(guò)1.8萬(wàn)Km。

2.2 微機(jī)聯(lián)鎖概述

鐵路信號(hào)方面的微機(jī)聯(lián)鎖是指，車站工作人員根據(jù)列車的運(yùn)行需要對(duì)計(jì)算機(jī)施加命令，計(jì)算機(jī)在對(duì)接收到的信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，進(jìn)而信號(hào)的傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)機(jī)及道岔等設(shè)備的集中控制，從而來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)相互制約的聯(lián)鎖控制設(shè)備，即就是所謂的微機(jī)集中聯(lián)鎖。微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不單要有快速的處理大量數(shù)據(jù)的能力，更重要的是要擁有更高的安全性、可靠性。所以，微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)及其相關(guān)的系統(tǒng)中需要各種通信方式的配合使用。其中通訊方式主要有以太網(wǎng)通信、現(xiàn)場(chǎng)總線通信等。

微機(jī)聯(lián)鎖與繼電聯(lián)鎖的操作方法相似，但是它實(shí)現(xiàn)的技術(shù)變革為從有接點(diǎn)變?yōu)闊o(wú)接點(diǎn)，操作工作人員只需要處理進(jìn)路始端鈕、終端鈕即可完成進(jìn)路。隨后計(jì)算機(jī)將按照工作人員的操作命令執(zhí)行輸入程序、聯(lián)鎖處理程序。按照輸入的按鈕代碼，在進(jìn)路矩陣中檢查是否符合選路條件，找出相應(yīng)的進(jìn)路。隨后按照代碼命令檢查對(duì)應(yīng)道岔是否在所需要的規(guī)定位置，滿足條件后再將道岔轉(zhuǎn)換成所需要變換的位置，最后進(jìn)行鎖閉進(jìn)路，并構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行表。

3 微機(jī)聯(lián)鎖方案的設(shè)計(jì)

微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)由硬件、軟件設(shè)備兩部分構(gòu)成。硬件設(shè)備包括聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)、安全檢索計(jì)算機(jī)、、安全檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器、微型集中操縱臺(tái)、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(chǎng)信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路等室外設(shè)備。軟件設(shè)備友車站數(shù)據(jù)庫(kù)和進(jìn)行邏輯運(yùn)算的應(yīng)用程序兩部分構(gòu)成，它是制約進(jìn)路、信號(hào)機(jī)和道岔的核心部分。其中微機(jī)聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3.1 硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用了所需要的硬件，由五個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，其中包括由上位機(jī)和控制臺(tái)構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)；由聯(lián)鎖機(jī)等構(gòu)成的主控系統(tǒng)；由采集結(jié)合、繼電控制電路及動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)設(shè)備構(gòu)成的接口系統(tǒng)；由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、維修機(jī)構(gòu)成的輔助系統(tǒng)；電源系統(tǒng)。對(duì)于硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)，由于篇幅的問(wèn)題，這里緊介紹監(jiān)控系統(tǒng)和主控系統(tǒng)，其余的三大系統(tǒng)不再贅述。

3.1.1 監(jiān)控系統(tǒng)

高鐵信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。它將現(xiàn)代最新技術(shù)設(shè)備，如傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)融合在一起，實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證列車高速安全運(yùn)行。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用監(jiān)控機(jī)配置如下：

（1）主機(jī)板：主頻為66MHZ，內(nèi)存的最大容量為128M，1個(gè)軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，硬盤(pán)的容量為20G，能夠滿足操作記錄、報(bào)警記錄等信息的所有存儲(chǔ)。

（2）串行通信接口：型號(hào)為RS232，數(shù)量為2個(gè)，1個(gè)CRT，尺寸為15英寸。

（3）網(wǎng)絡(luò)板的型號(hào)為CP一01，能夠與聯(lián)鎖機(jī)進(jìn)行通信。

（4）1塊以太網(wǎng)卡，并擁有多屏VGA顯示圖卡、語(yǔ)音聲卡和局域網(wǎng)通訊卡。

根據(jù)高鐵的需要，選用2臺(tái)彩色監(jiān)視器，能夠進(jìn)行站場(chǎng)圖形顯示，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并能對(duì)出現(xiàn)的事故作出相關(guān)的報(bào)警等。監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.1.2 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)機(jī)柜由電源層、計(jì)算機(jī)層、采集層、驅(qū)動(dòng)層和零層五部分組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇的配置如下：電源層的采集電源、驅(qū)動(dòng)電源、計(jì)算機(jī)電源工作電壓分別為12？V、12？V、5？.2V；計(jì)算機(jī)層根據(jù)高鐵的需要選用的設(shè)備為STD5093微處理器板、AS-1指示報(bào)警板、NSTD一01通訊板、STD1604 I/O接口板；采集層中的采集母板里側(cè)、背側(cè)用的是96芯插座、32芯插座，采集板運(yùn)用的是光電隔離技術(shù)，通過(guò)電源層的STDSV供給5V電，12V采集電源由采集母板提供12V電壓供電；驅(qū)動(dòng)層的配置與采集層一樣；零層由聯(lián)鎖總線切換合、接地端子和零端子組成，其中聯(lián)鎖總線切換合共裝有6個(gè)接插端口，接地端子是用來(lái)進(jìn)行接地保護(hù)的，零端子共兩個(gè)，分別為電源配線和切換校核的配線。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

高鐵微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用軟件由四部分構(gòu)成：

（1）信息處理：其中包括有操作信息處理、信息處理表示、維護(hù)信息的處理和管理信息的處理。

（2）進(jìn)路控制功能：輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路的選出，進(jìn)路的鎖閉，進(jìn)路的解鎖等功能，并對(duì)那些沒(méi)有選出的進(jìn)路進(jìn)行錯(cuò)誤提示。

（3）執(zhí)行控制：其中包括輸出控制和輸入功能。

（4）自動(dòng)檢測(cè)與診斷：能夠自動(dòng)的檢測(cè)出硬件、軟件的故障及其位置，同時(shí)并能檢測(cè)出聯(lián)鎖程序在運(yùn)行中的外在現(xiàn)象。

信息處理、執(zhí)行控制和自動(dòng)檢測(cè)與診斷是系統(tǒng)本身具有的功能，不需要詳細(xì)的在此陳述，這里詳細(xì)的把進(jìn)路控制功能做一下設(shè)計(jì)說(shuō)明。

為了保障指揮的準(zhǔn)確性，提高高鐵運(yùn)輸效率，排除工作人員對(duì)車站作業(yè)的影響，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，按照高鐵運(yùn)輸?shù)男枰到y(tǒng)軟件采用的是列車進(jìn)路程序控制技術(shù)，即列車進(jìn)路為自動(dòng)辦理，根據(jù)要求采用的是PRC進(jìn)路系統(tǒng)。

PRC系統(tǒng)由四種功能組成，如下：

（1）輸入功能：高鐵列車進(jìn)路的計(jì)劃表的輸入，提出了列車進(jìn)路的始端信息、終端信息。計(jì)算機(jī)能在進(jìn)行自動(dòng)排列進(jìn)路之前，工作人員首先將高鐵列車日班計(jì)劃表輸入到計(jì)算機(jī)中。

對(duì)于信息采集來(lái)說(shuō)：1）列車的位置，計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行排列前必須知其所在的位置，過(guò)早過(guò)晚都會(huì)道岔的閉鎖和解鎖造成造成很大的影響，會(huì)造成排列進(jìn)路的失效；2）股道狀態(tài)，計(jì)算機(jī)必須及時(shí)作出預(yù)警，提示工作人員，以防在安排的股道上讓其它列車使用。

（2）邏輯運(yùn)算功能：計(jì)算機(jī)能夠按照工作人員的命令指示，進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

（3）進(jìn)路控制功能：這是列車進(jìn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃表及其車次等信息來(lái)自動(dòng)安排列車進(jìn)路排列。

（4）人工干預(yù)功能：工作人員能對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，如在進(jìn)路控制命令輸出之前，計(jì)算機(jī)會(huì)就是否需要人工排列向工作人員作出提問(wèn)，工作人員必須作出干預(yù)，否則，系統(tǒng)會(huì)直接進(jìn)入自動(dòng)排列模式，可能會(huì)造成事故的發(fā)生。

4 現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線通信是在20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的，被稱為自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)，能夠使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自控系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)字式、多分支結(jié)構(gòu)通信。它在高鐵的微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)方面得到了很廣的應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)總線由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層四層構(gòu)成，其功能如下：

（1）物理層：該層需明確現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸介質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸速率、現(xiàn)場(chǎng)總線的最大傳輸距離和現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。根據(jù)高鐵的需要，選擇現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸介質(zhì)為光纖，現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型。選用了高速的H2總線高速率的現(xiàn)場(chǎng)總線，H2為高速總線，其傳輸速率能夠達(dá)到1Mbps/750m或2.5Mbps/500m，H2每段最多的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到124個(gè)。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層：在現(xiàn)場(chǎng)總線中，為了避免通信的延遲，采用管理方式是集中式的。根據(jù)高速鐵路的需要，數(shù)據(jù)鏈路層選用的是LIN MASTER DEVICE令牌環(huán)網(wǎng)方式。

（3）應(yīng)用層：該層由FMs（Fieldbus Messaging Specification）子層和AFS（Fiedl Access Sublayer）子層組成，上層提供了發(fā)布或索取方式，下層與數(shù)據(jù)鏈路層相銜接。

（4）用戶層：該層按照規(guī)定制定了一些標(biāo)準(zhǔn)的（Function Block）功能模塊，其中包含有基本功能、先進(jìn)、計(jì)算、輔助功能塊，其數(shù)量分別為10個(gè)、7個(gè)、7個(gè)、5個(gè)。這些標(biāo)準(zhǔn)的功能塊均有輸入、輸出、算法、參數(shù)功能要素，會(huì)分別滿足各自不同的要求。

5 安全性分析

根據(jù)高鐵的現(xiàn)實(shí)情況，選用的是TMR系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的安全性進(jìn)行分析，假如3個(gè)冗余模塊都在正常工作，分別命名為A、B、C。三取二表決方法的意思是只要兩個(gè)以上的模塊正常工作，認(rèn)為系統(tǒng)才是安全的。TMR系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是能夠順利的檢測(cè)出出現(xiàn)故障的那個(gè)單一模塊，這樣就可以很高的提升了系統(tǒng)的安全性能。另外，將3個(gè)冗余模塊以外的所有模塊看成一個(gè)整體，就是所謂的外圍設(shè)備。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)所有模塊的修復(fù)率、故障率均為相同，則TMR系統(tǒng)簡(jiǎn)化狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示，其中：W-正常工作狀態(tài)，P-安全狀態(tài)，F(xiàn)-非危險(xiǎn)故障狀態(tài)，D-故障狀態(tài)。

針對(duì)于上面的TMR系統(tǒng)的安全度分析可知，高鐵微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的TMR系統(tǒng)是可靠的，該系統(tǒng)是安全的。

6 結(jié)論

（1）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，微機(jī)聯(lián)鎖在鐵路方面的應(yīng)用得到了更為廣泛的推廣，尤其在高速度運(yùn)行下的高鐵列車，微機(jī)聯(lián)鎖在高鐵方面的應(yīng)用不僅減少了勞動(dòng)工作人員的工作強(qiáng)度，最重要的是提高了其運(yùn)行的安全性，保證了乘客的生命安全。

（2）根據(jù)高鐵高速運(yùn)行的本身特點(diǎn)，微機(jī)聯(lián)鎖從硬件和軟件方面進(jìn)行設(shè)備配置，滿足其運(yùn)行需要。另外，配置了與微機(jī)聯(lián)鎖各系統(tǒng)正常運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)，最后對(duì)該系統(tǒng)的安全性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該系統(tǒng)是安全的，能夠滿足其運(yùn)行安全的需要。

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