段宏偉

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所，100081，北京//助理研究員)

現(xiàn)代有軌電車(chē)道岔控制系統(tǒng)是運(yùn)行控制系統(tǒng)的核心組成部分，是基于信號(hào)故障導(dǎo)向安全原則的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是保障行車(chē)安全、保證運(yùn)輸效率的關(guān)鍵[4]。

1 道岔控制系統(tǒng)功能分析

道岔控制系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的一種，但其部分功能又超出了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的范圍。道岔控制系統(tǒng)確保有軌電車(chē)的運(yùn)行安全，處理來(lái)自運(yùn)營(yíng)調(diào)度管理系統(tǒng)的自動(dòng)進(jìn)路控制指令或車(chē)載人工道岔控制指令，完成道岔的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖；可在滿足安全的前提下開(kāi)放進(jìn)路，并且最大程度地提高有軌電車(chē)的運(yùn)行效率。

道岔控制系統(tǒng)主要具有以下功能：

(1) 進(jìn)路管理。根據(jù)不同車(chē)次的計(jì)劃，通過(guò)操作進(jìn)路上的道岔，排列不同的進(jìn)路；在車(chē)地通信故障或者沒(méi)有安裝車(chē)載設(shè)備的情況下，具有地面人工辦理進(jìn)路功能。

(2) 路口信號(hào)管理。設(shè)置在路口的道岔控制系統(tǒng)，根據(jù)車(chē)次計(jì)劃辦理相應(yīng)的進(jìn)路，進(jìn)路鎖閉后，開(kāi)放相應(yīng)的允許信號(hào)。

(3) 解鎖管理。列車(chē)通過(guò)路口或者通過(guò)道岔后，自動(dòng)解鎖相應(yīng)的進(jìn)路；故障后不能解鎖時(shí)，可以在人工保證安全的情況下人工辦理解鎖。

(4) 車(chē)次號(hào)管理。由運(yùn)營(yíng)中心的進(jìn)路管理服務(wù)器對(duì)車(chē)次號(hào)進(jìn)行集中管理。進(jìn)路管理服務(wù)器接收運(yùn)行調(diào)度管理系統(tǒng)的車(chē)次計(jì)劃，形成對(duì)應(yīng)的進(jìn)路信息，下發(fā)到各個(gè)路口的道岔控制系統(tǒng)子系統(tǒng)，并進(jìn)行校核。

(5) 狀態(tài)監(jiān)督功能。各個(gè)路口的進(jìn)路情況由道岔控制子系統(tǒng)發(fā)到進(jìn)路管理單元，并上傳到運(yùn)營(yíng)中心的進(jìn)路管理服務(wù)器，再通過(guò)進(jìn)路管理服務(wù)器上傳到運(yùn)行調(diào)度管理系統(tǒng)進(jìn)行集中顯示。

(6) 診斷和記錄功能。道岔控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)、故障和錯(cuò)誤信息發(fā)送到進(jìn)路管理單元，進(jìn)路管理單元將信息上傳到進(jìn)路管理服務(wù)器，再通過(guò)進(jìn)路管理服務(wù)器發(fā)送到維護(hù)終端，由維護(hù)終端進(jìn)行信息的儲(chǔ)存和查詢顯示。

道岔控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地面道岔及信號(hào)機(jī)等設(shè)備的控制,保證其控制范圍內(nèi)的有軌電車(chē)運(yùn)行進(jìn)路安全,實(shí)現(xiàn)進(jìn)路上軌道區(qū)段、道岔和信號(hào)機(jī)之間的正確聯(lián)鎖關(guān)系。道岔控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和人工兩種模式下辦理有軌電車(chē)通過(guò)進(jìn)路。此外，道岔控制系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)自身、有軌電車(chē)占用檢測(cè)設(shè)備(如計(jì)軸)、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)報(bào)警。

2 道岔控制系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)

按照現(xiàn)代有軌電車(chē)道岔控制系統(tǒng)的功能需求，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將道岔控制系統(tǒng)的主要功能明確劃分為對(duì)應(yīng)的模塊。這種高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計(jì)方式，極大降低了各功能間的依賴(lài)性，有利于道岔控制系統(tǒng)的維護(hù)和后續(xù)開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)代有軌電車(chē)道岔控制系統(tǒng)可以劃分為聯(lián)鎖邏輯、進(jìn)路管理、輸入輸出及通信接口等4個(gè)子系統(tǒng)。

2.1 聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)

聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制范圍內(nèi)設(shè)備的控制，能實(shí)現(xiàn)道岔區(qū)段內(nèi)道岔、信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段之間正確的聯(lián)鎖關(guān)系，能保障進(jìn)路控制的安全。該子系統(tǒng)對(duì)于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和高效性都有很高要求，是道岔控制系統(tǒng)邏輯處理的核心部分。

聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)持續(xù)檢查進(jìn)路上的道岔、信號(hào)機(jī)、區(qū)段、敵對(duì)進(jìn)路及側(cè)面沖突等聯(lián)鎖條件。當(dāng)判斷聯(lián)鎖條件不滿足時(shí)，道岔控制系統(tǒng)禁止進(jìn)路開(kāi)通或及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的信號(hào)。當(dāng)列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，道岔控制系統(tǒng)按照“三點(diǎn)檢查”原則，自動(dòng)逐段解鎖進(jìn)路。在列車(chē)的折返作業(yè)中，聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)可設(shè)置折返線的折入和折出進(jìn)路。

聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)是道岔控制系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算單元，在完成聯(lián)鎖邏輯的同時(shí)，還需完成整個(gè)系統(tǒng)自檢功能、初始化功能、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)功能、對(duì)設(shè)備中斷或數(shù)據(jù)異常情況的預(yù)警功能等。其工作流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)工作流程圖

2.2 進(jìn)路管理子系統(tǒng)

進(jìn)路管理子系統(tǒng)主要完成將進(jìn)路信息轉(zhuǎn)換為道岔控制信息的功能，在解析進(jìn)路管理服務(wù)器發(fā)送的進(jìn)路信息后，實(shí)時(shí)計(jì)算出有軌電車(chē)對(duì)應(yīng)的進(jìn)路方向和道岔位置。道岔控制系統(tǒng)的進(jìn)路控制模式包括自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制模式、車(chē)載人工控制模式、現(xiàn)地人工控制模式等。進(jìn)路管理子系統(tǒng)完成對(duì)進(jìn)路控制模式的管理。

自動(dòng)控制模式下，道岔控制系統(tǒng)通過(guò)接收進(jìn)路服務(wù)器下發(fā)的進(jìn)路信息，結(jié)合進(jìn)入控制區(qū)域的有軌電車(chē)信息，可在有機(jī)電車(chē)接近信號(hào)機(jī)時(shí)自動(dòng)觸發(fā)設(shè)置電車(chē)進(jìn)路，自動(dòng)轉(zhuǎn)換道岔，并按聯(lián)鎖條件自動(dòng)點(diǎn)亮軌旁信號(hào)機(jī)；有機(jī)電車(chē)出清該進(jìn)路后，該進(jìn)路解鎖。

車(chē)載人工控制模式下，當(dāng)有軌電車(chē)接近控制區(qū)域時(shí)，由司機(jī)在有機(jī)電車(chē)上通過(guò)車(chē)載設(shè)備遙控道岔，辦理相應(yīng)的進(jìn)路；有機(jī)電車(chē)出清該進(jìn)路后，進(jìn)路解鎖。

現(xiàn)地人工控制模式下，由司機(jī)或軌旁工作人員在現(xiàn)地道岔控制柜中人工排列進(jìn)路；有軌電車(chē)出清該進(jìn)路后，進(jìn)路解鎖。

自動(dòng)控制模式下，進(jìn)路管理子系統(tǒng)按照“先入先出”的原則自動(dòng)為有軌電車(chē)排列相應(yīng)的進(jìn)路。當(dāng)多列有軌電車(chē)同時(shí)需要排列進(jìn)路時(shí)，進(jìn)路管理子系統(tǒng)按照隊(duì)列模式依次為有軌電車(chē)辦理進(jìn)路。與公共交通信號(hào)燈存在接口時(shí)，進(jìn)路管理子系統(tǒng)可智能地優(yōu)先辦理與交通信號(hào)相一致的有軌電車(chē)進(jìn)路，提高有軌電車(chē)通過(guò)的效率。此外，進(jìn)路管理子系統(tǒng)還支持進(jìn)路的優(yōu)先搶權(quán)，可為取得優(yōu)先通過(guò)權(quán)的有軌電車(chē)優(yōu)先辦理進(jìn)路。

2.3 輸入輸出子系統(tǒng)

輸入輸出子系統(tǒng)是道岔控制系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備(包括道岔、信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段等)的數(shù)據(jù)采集和控制。輸入輸出子系統(tǒng)通過(guò)CAN(現(xiàn)場(chǎng)總線)與聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)連接，具有故障-安全功能。為了適用于多種場(chǎng)合，增強(qiáng)實(shí)用性，有軌電車(chē)道岔控制系統(tǒng)采用了具有智能化的全電子執(zhí)行單元。全電子執(zhí)行單元采用全電子電路,由具有不同功能的各種模塊組成。電子模塊根據(jù)道岔、信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段等不同類(lèi)型的控制與采集對(duì)象，按照完全獨(dú)立的單元模塊結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)，使每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立[7-8]。電子模塊將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的元素相應(yīng)劃分為不同類(lèi)別，并包含獲取相應(yīng)元素信息的驅(qū)動(dòng)采集函數(shù)。采用智能輸入輸出子系統(tǒng)可減少繼電器的使用量，便于維護(hù)與維修。

2.4 通信接口子系統(tǒng)

現(xiàn)代有軌電車(chē)道岔控制系統(tǒng)需同車(chē)載控制系統(tǒng)及進(jìn)路管理服務(wù)器進(jìn)行信息交互，以滿足其業(yè)務(wù)需求。由于進(jìn)路信息相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)量龐大、信息復(fù)雜、對(duì)信息傳輸實(shí)時(shí)性的要求高，故道岔控制系統(tǒng)使用UDP(用戶數(shù)據(jù)包)協(xié)議的數(shù)據(jù)通信方式與進(jìn)路管理服務(wù)器建立通信通道。通信數(shù)據(jù)為雙向傳輸。道岔控制子系統(tǒng)向進(jìn)路管理服務(wù)器發(fā)送的信息包括道岔控制系統(tǒng)工作狀態(tài)、信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)、信號(hào)機(jī)報(bào)警信息、道岔狀態(tài)、道岔報(bào)警信息及其他報(bào)警信息。進(jìn)路管理服務(wù)器向道岔控制子系統(tǒng)發(fā)送的信息包括路徑ID、列車(chē)ID及進(jìn)路信息。

車(chē)地采用開(kāi)放式通信時(shí)，交互信息較少，但對(duì)傳輸可靠性要求高。道岔控制系統(tǒng)使用CAN(控制器局域網(wǎng))協(xié)議的數(shù)據(jù)通信方式建立與車(chē)載控制系統(tǒng)的通信通道，通信數(shù)據(jù)為雙向傳輸。道岔控制子系統(tǒng)向車(chē)載控制系統(tǒng)發(fā)送的信息包括列車(chē)運(yùn)行前方信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)(左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行)、進(jìn)路狀態(tài)。車(chē)載控制系統(tǒng)向道岔控制子系統(tǒng)發(fā)送的信息包括進(jìn)路控制模式、列車(chē)ID、路徑號(hào)、進(jìn)路方向及操作命令。

2.5 道岔控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

為充分驗(yàn)證道岔控制系統(tǒng)的功能完備性與功能安全性，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)環(huán)境功能齊全(包括設(shè)備齊全、故障模擬齊全)。測(cè)試的道岔控制系統(tǒng)包括運(yùn)行調(diào)度管理子系統(tǒng)、車(chē)載子系統(tǒng)、信號(hào)機(jī)及道岔等。試驗(yàn)線路分別為帶折返的中間線路和十字路口線路，如圖2～3所示。

圖2 帶折返的中間線路

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)有軌電車(chē)通過(guò)帶折返的中間線路時(shí),道岔控制系統(tǒng)可自動(dòng)完成折入進(jìn)路和折出進(jìn)路的建立和解鎖；當(dāng)多列有軌電車(chē)通過(guò)十字路口線路時(shí)，道岔控制系統(tǒng)可滿足“先入先出”的原則，并提高有軌電車(chē)通過(guò)效率。

圖3 典型十字路口線路

可見(jiàn)，道岔控制系統(tǒng)可與其他子系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)列車(chē)的安全防護(hù)，滿足通過(guò)效率要求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的基本功能。

3 結(jié)語(yǔ)

道岔控制系統(tǒng)是有軌電車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)中不可或缺的核心子系統(tǒng)，對(duì)有軌電車(chē)的行車(chē)安全起著重要作用。本文設(shè)計(jì)的有軌電車(chē)道岔控制系統(tǒng)，其功能較傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖更完備；采用了模塊化的結(jié)構(gòu)模式，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需功能。試驗(yàn)結(jié)果表明：道岔控制系統(tǒng)的安全性能，可滿足現(xiàn)代有軌電車(chē)的業(yè)務(wù)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。