齊志華

(中國鐵道科學研究院通信信號研究所，100081，北京//副研究員)

1 研究背景

重慶軌道交通2號線北延伸段(以下簡稱“2號線)采用了高架跨坐單軌制式[1]。并選用了固定閉塞信號系統(tǒng)。該信號系統(tǒng)敷設在軌道梁肩部，由調度集中(CTC)子系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖(CBI)子系統(tǒng)、列車自動防護(ATP)子系統(tǒng)及列車位置檢測(TD)子系統(tǒng)組成[2]。

CBI子系統(tǒng)采用了具備SIL4級安全證書的國產化TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)[3-4]，從層次上分為操作顯示層、邏輯運算層和輸入輸出層。具體系統(tǒng)結構如圖1所示[5-7]。操作顯示層包括操作顯示子系統(tǒng)和記錄查詢子系統(tǒng)，主要負責為車務和電務人員提供系統(tǒng)操作監(jiān)控和分析維護，為CTC子系統(tǒng)及集中監(jiān)測等其他系統(tǒng)提供信息接口；邏輯運算層包括聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)，主要負責對整個系統(tǒng)進行調度管理并進行聯(lián)鎖邏輯運算；輸入輸出層包括輸入子系統(tǒng)和輸出子系統(tǒng)，主要負責接收聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)命令并驅動軌旁設備接口層相應繼電器，從而控制軌旁設備，同時向聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)反饋軌旁設備的實時狀態(tài)。

2 聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼功能設計

2.1 發(fā)碼設計原則

由文獻[9-11]，2號線的主要發(fā)碼設計原則為：

圖1 TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結構

信號機未開放信號前，防護進路的信號機內方軌道區(qū)段、信號外方第一區(qū)段均不發(fā)碼；進站信號機開放后，接近區(qū)段和接車進路上的區(qū)段按設計圖要求驅動速度碼；發(fā)車信號機開放后，股道和發(fā)車進路上的區(qū)段按設計圖的要求驅動速度碼；調車信號機開放后，接近區(qū)段和調車進路上的區(qū)段按設計圖的要求驅動速度碼；發(fā)碼按照從遠及近的順序驅動進路上的碼繼電器，除了進路終端區(qū)段外，前方未發(fā)允許碼，后方發(fā)禁止碼；進路正常時，當前方相鄰區(qū)段順序占用時，本軌道區(qū)段停止發(fā)碼，前方區(qū)段跳動時，不影響發(fā)碼；當進路非正常占用或聯(lián)鎖條件不滿足(包括進路始端解鎖后的道岔斷表示、超限、防護等)時，進路上的所有區(qū)段均停止發(fā)碼；當區(qū)段不能正常解鎖時，停止本區(qū)段和前方區(qū)段的發(fā)碼；當收到緊急關閉信息時，相應的緊急關閉軌道區(qū)段停止發(fā)碼；股道發(fā)允許碼時，收到屏蔽門未關閉信息時，股道區(qū)段停止發(fā)碼，當收到屏蔽門關閉正常信息后，能恢復發(fā)允許碼；引導信號開放時，引導信號進路區(qū)段及接近區(qū)段不發(fā)碼；當收到限速信息時，如果對應的區(qū)段發(fā)列車允許碼，并且高于25碼(即25 km/h)時，則降為25碼；接車進路或調車進路的車列全部進入股道后，開始停穩(wěn)延時，并繼續(xù)發(fā)允許碼，停穩(wěn)延時到后，停止發(fā)允許碼；當調車進路車列全部進入無岔區(qū)段時，開始停穩(wěn)延時，并繼續(xù)發(fā)允許碼，經過一段時間后(停穩(wěn)結束)，停止發(fā)允許碼；股道同時存在的接、發(fā)車進路性質不一致時，股道發(fā)接車進路碼值，當車全部進入股道，停穩(wěn)延時結束后，直接轉為發(fā)車進路碼值。

2.2 發(fā)碼設計的功能需求分析

既有聯(lián)鎖邏輯軟件將站場按照信號、道岔、區(qū)段等類別定義結構體模塊，并通過消息的傳遞來連接各模塊。消息包括選路消息、進路消息及引導消息。每個結構體模塊接收上一個結構體模塊的消息后進行邏輯運算，再將消息輸出給下一個結構體模塊。以進路為例，聯(lián)鎖邏輯軟件將消息從進路始端，依次經過進路各結構體模塊，傳遞至進路終端，再將消息從該進路終端依次經過進路各結構體模塊最終傳遞回進路始端，從而完成整個消息循環(huán)。

既有操作顯示軟件采用面向對象的思路，以模塊化結構設計方法，接收聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的站場信息并實時顯示站場狀態(tài)，接收車站車務值班員的操作命令并正確傳達給聯(lián)鎖邏輯軟件以進行邏輯處理，從而完成對站場設備的控制。

例如，2號線的魚洞站在軌道區(qū)段設置了發(fā)碼繼電器，以表示區(qū)段的發(fā)碼值。其站場布置示意圖見圖2。

圖2 魚洞站站場布置示意圖

從圖2可見，區(qū)段發(fā)碼功能同信號機的開放狀態(tài)及列車運行的位置信息相關聯(lián)，每一條進路的各區(qū)段發(fā)碼值不一定相同，不同性質進路(如列車進路和調車進路)的發(fā)碼值也不相同。魚洞站發(fā)碼繼電器的發(fā)碼信息包括：①列車碼，用于列車進路，用75J、65J、60J、50J、45J、35J及25J表示；②調車碼，用于調車進路，用S25J、S15J表示；③X碼，用于輕軌車輛段和折返線，用XMJ表示；④禁止碼，表示所有發(fā)碼繼電器落下時該繼電器吸起，用01MJ表示。其中，列車碼和調車碼的數(shù)值表示列車進入該區(qū)段的最高行駛速度(單位為km/h)。

同時，發(fā)碼繼電器是與方向繼電器配合使用和設置的。方向繼電器包括上行方向繼電器LR和下行方向繼電器RR。配合發(fā)碼功能的方向繼電器設置條件為：①單向運行區(qū)段不設置方向繼電器。②雙向運行時，常態(tài)方向區(qū)段不設置方向繼電器，反向進路區(qū)段設置方向繼電器。當上行向下行方向排列進路時，驅動RR方向繼電器；當下行向上行方向排列進路時，驅動LR方向繼電器。③當發(fā)碼方向發(fā)生改變時，先驅動方向繼電器，待其吸起后再驅動相應的發(fā)碼繼電器。④當發(fā)碼狀態(tài)由允許碼變?yōu)榻勾a后，先停止驅動發(fā)碼繼電器，再停止驅動方向繼電器。

2.3 發(fā)碼設計方案

根據既有軟件和2號線發(fā)碼要求，CBI子系統(tǒng)采用不影響既有聯(lián)鎖邏輯軟件和操作顯示軟件程序結構的設計思路，控制發(fā)碼繼電器和方向繼電器的輸出，并將其實時顯示在操作顯示軟件界面中，從而實現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯軟件的發(fā)碼功能和操作顯示軟件的發(fā)碼顯示功能。這樣既能保障既有軟件的通用性及安全性，又能滿足特定需求。

為了驗證提出的交互雙模自適應降階無跡卡爾曼濾波算法的有效性，采用MATLAB軟件進行仿真驗證。將式(6)表述為：

(1) 在聯(lián)鎖邏輯軟件中新增發(fā)碼模塊。在既有聯(lián)鎖邏輯軟件與發(fā)碼相關聯(lián)的模塊中，定義并設置新的發(fā)碼結構模塊。聯(lián)鎖邏輯軟件通過該發(fā)碼結構模塊進行發(fā)碼邏輯運算，檢查聯(lián)鎖外部條件，最終完成對發(fā)碼繼電器和方向繼電器的信息采集和驅動。此設計適用于各種類型和規(guī)模的站場，便于系統(tǒng)維護和站場升級改造，提高了系統(tǒng)的通用性和可維護性；不影響既有成熟的軟件結構，便于車站現(xiàn)場聯(lián)鎖軟件因設計變更而增加或去除相應的數(shù)據信息；新定義的發(fā)碼模塊將全部檢查條件設置在模塊內部，有效地避免了數(shù)據重復檢查問題的產生。相對于傳統(tǒng)編寫發(fā)碼數(shù)據的方法，該方法可簡單制作站場聯(lián)鎖數(shù)據，并使每個模塊功能統(tǒng)一，有效避免了發(fā)碼數(shù)據遺漏情況的發(fā)生。

(2) 在操作顯示軟件中新增發(fā)碼顯示模塊。在既有操作顯示軟件結構中，定義新的發(fā)碼顯示模塊結構體。該結構體接收由聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的發(fā)碼狀態(tài)信息和發(fā)碼方向信息，并實時正確顯示在操作顯示界面。

2.4 發(fā)碼設計功能的實現(xiàn)

在不影響既有聯(lián)鎖邏輯軟件和操作顯示軟件的程序結構基礎上，分別對聯(lián)鎖邏輯軟件的發(fā)碼功能和操作顯示軟件的發(fā)碼顯示功能進行設計開發(fā)。

2.4.1 發(fā)碼功能的實現(xiàn)

根據既有聯(lián)鎖邏輯軟件的結構和消息傳遞方式，新定義的發(fā)碼結構模塊設置在既有相應的無岔、道岔及股道等模塊中。發(fā)碼結構模塊之間同樣采取消息傳遞的方式。這樣既可得到相關區(qū)段、道岔及股道模塊的信息，又能通過消息傳遞的方式取得相鄰發(fā)碼結構模塊的消息，實現(xiàn)發(fā)碼消息的傳遞過程。

圖3為新定義的發(fā)碼結構模塊在既有軟件相應模塊中的設置方式和消息傳遞過程。由圖3可見：①虛線表示的引導消息和選路消息與發(fā)碼模塊沒有直接聯(lián)系；②新定義的發(fā)碼結構模塊只獲取既有模塊的進路消息作為發(fā)碼運算依據，且不影響或也不修改此消息值；③發(fā)碼消息由股道、道岔及無岔等模塊接收后，傳遞給發(fā)碼結構模塊運算處理；④在進路已建立的條件下，發(fā)碼結構模塊綜合傳遞進路消息、進路中包含信號機的開放狀態(tài)及列車運行位置等信息，經邏輯運算輸出相應的發(fā)碼值和發(fā)碼消息，從而完成全部發(fā)碼功能。

圖3 發(fā)碼模塊設置及消息傳遞過程

圖4為軟件發(fā)碼結構模塊實現(xiàn)正確發(fā)碼功能的基本流程。由圖4可見，根據設計發(fā)碼原則，聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)碼模塊實現(xiàn)了從相應的區(qū)段獲取傳遞的進路消息值并用于判斷進路狀態(tài)，依據進路性質、進路方向、列車運行位置等因素決定該區(qū)段的發(fā)碼條件和發(fā)碼值，并經邏輯運算確定用于該區(qū)段發(fā)碼的發(fā)碼繼電器和方向繼電器的驅動條件，最終完成發(fā)碼的控制輸出。

2.4.2 發(fā)碼顯示功能的實現(xiàn)

結合碼序表、聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)碼設計，操作顯示軟件應具備接收聯(lián)鎖邏輯軟件傳送的發(fā)碼值即速度碼，并在操作顯示軟件人機交互界面中相應的區(qū)段顯示該速度碼的功能。依據聯(lián)鎖邏輯軟件處理的發(fā)碼繼電器和方向繼電器種類信息，操作顯示軟件顯示速度碼參數(shù)、含義如表1所示。

圖4 發(fā)碼結構模塊實現(xiàn)發(fā)碼功能的流程

表1 速度碼顯示參數(shù)及含義

根據速度碼顯示參數(shù)及含義，發(fā)碼顯示模塊設置在既有操作顯示軟件中的軌道模塊及道岔模塊中，接收處理聯(lián)鎖邏輯軟件發(fā)送的發(fā)碼狀態(tài)信息，并實時顯示。圖5為新增加的發(fā)碼顯示模塊邏輯運算流程。

圖5 軟件發(fā)碼顯示模塊邏輯運算流程

3 聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼設計測試驗證

新增發(fā)碼模塊既不引入新的錯誤，也不影響既有計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件結構，并使CBI子系統(tǒng)仍符合SIL4級安全等級要求，對新增發(fā)碼模塊及CBI子系統(tǒng)按相關安全等級的要求進行了風險源識別、風險分析、模塊級代碼測試、系統(tǒng)集成測試、系統(tǒng)安全驗證和確認等。

文獻[14-17]的分析、測試及驗證結論表明：設計開發(fā)的發(fā)碼模塊通過了模塊級代碼測試；設計開發(fā)中沒有引入新的錯誤，不影響既有系統(tǒng)軟件結構，滿足測試要求和設計需求；采用此發(fā)碼設計的TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)足夠安全，并符合SIL4級安全等級要求，滿足2號線的要求。

4 聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼設計應用

采用這種發(fā)碼設計的TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)經過嚴格規(guī)范的工程設計、軟件編制、軟件測試與驗證、系統(tǒng)聯(lián)鎖試驗和現(xiàn)場安裝調試等環(huán)節(jié)[18]，已在2號線投入使用。

使用情況表明，采用這種發(fā)碼設計的TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)滿足了2號線的特殊發(fā)碼需求。圖6為TYJL-III型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)碼設計實現(xiàn)的站場界面實景圖。

圖6 車站CBI子系統(tǒng)發(fā)碼設計站場界面實景圖

5 結語

區(qū)段的發(fā)碼是信號的顯示，給列車提供正確運行的授權條件。2號線計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，經一年多運營表明，系統(tǒng)應用良好，達到了預期目的和效果。此發(fā)碼設計既可保障既有計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性和安全性，又能有效提高計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可用性和可維護性，能顯著提高軌道交通運營效率。

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