卡斯柯信號有限公司 陳小猛 韋啟盟

傳統(tǒng)鐵路存在安裝調(diào)試周期長、風(fēng)險集中、工程造價高、維護(hù)困難等諸問題，隨著我國鐵路發(fā)展，對設(shè)備可靠性、安全性提出了更高的要求，網(wǎng)絡(luò)化、智能化已經(jīng)成為當(dāng)今鐵路信號系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為了契合國內(nèi)鐵路的發(fā)展趨勢，提出了一種新型的基于目標(biāo)控制器（Object controller，OC）的分布式列車控制系統(tǒng)。本文從國內(nèi)外目標(biāo)控制器應(yīng)用現(xiàn)狀、分布式列車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、OC組成及功能、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等多個維度進(jìn)行研究，論證基于OC的分布式控制系統(tǒng)可以作為既有系統(tǒng)補充，為鐵路控制系統(tǒng)提供一種新思路。

傳統(tǒng)列車控制系統(tǒng)通過繼電器組合實現(xiàn)軌旁設(shè)備的控制，具有：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電纜多、維護(hù)成本高、故障影響范圍大等特點。近年來，國內(nèi)軌道交通事業(yè)的發(fā)展日新月異，對列車控制系統(tǒng)也提出更高的要求，隨著計算機產(chǎn)品處理能力不斷提高、電子產(chǎn)品可靠性不斷提高、通信技術(shù)日趨成熟，也為下一代列車控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、電子化、智能化、集中化提供了強有力的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 目標(biāo)控制器應(yīng)用現(xiàn)狀

上個世紀(jì)70年代開始，國外西門子、龐巴迪、阿爾斯通、安薩爾多、泰雷茲、日立等廠商開始在干線鐵路使用目標(biāo)控制器。各國外廠商的目標(biāo)控制器具備以下共同特點：邏輯運算層與目標(biāo)控制器采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；目標(biāo)控制器滿足室外分布式布置要求；目標(biāo)控制器采用二取二架構(gòu)設(shè)計，多采用非冗余設(shè)計。

國內(nèi)從1996年開始研究目標(biāo)控制器（全電子執(zhí)行單元），并于2001年在信陽電廠、襄樊北機務(wù)段整備場投入使用。目前國內(nèi)目標(biāo)控制器仍主要應(yīng)用在地方鐵路或支線鐵路上，主要廠商有：卡斯柯、鐵科院、通號院、蘭州大成等。正在規(guī)劃研究的列控-聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)，已經(jīng)明確可通過目標(biāo)控制器對軌旁設(shè)備進(jìn)行控制，為目標(biāo)控制器的推廣帶來了新的契機。

2 基于OC的分布式列車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將分布式控制原理應(yīng)用于計算聯(lián)鎖系統(tǒng)中，如圖1，將車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)層次劃分為：人機會話層、邏輯運算層、網(wǎng)絡(luò)通信層、執(zhí)行層以及軌旁設(shè)備層。各層級間即相對獨立，又有一定聯(lián)系，各層均有相應(yīng)的計算機或微處理器來運算處理，從而使系統(tǒng)形成層級式分散結(jié)構(gòu)。

圖1 基于OC的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于既有OC的分布式列車控制系統(tǒng)，保留了原計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的人機會話層和邏輯運算層，人機會話層與邏輯運算層可根據(jù)工程需要布置于車站信號樓內(nèi)，或布置于控制中心便于實現(xiàn)集中控制和管理。室外采用OC控制軌旁設(shè)備，OC設(shè)備根據(jù)工程需要，靈活布置于軌旁，完成對所轄區(qū)域軌旁設(shè)備的驅(qū)動和狀態(tài)采集等功能，每個OC均可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，靈活控制若干軌旁設(shè)備。

本文提出的基于OC的分布式列車控制系統(tǒng)，由于OC設(shè)備直接布置于室外，大大減小了室內(nèi)設(shè)備的占地面積，減少了室內(nèi)配線以及電纜的用量，從而大大降低的工程造價和施工難度。OC設(shè)備具有獨立的診斷功能，能夠?qū)⒃\斷信息實時發(fā)送至維護(hù)診斷設(shè)備，大大提高了設(shè)備故障診斷的準(zhǔn)確性和維修效率。

各OC設(shè)備相互獨立，直接從邏輯運算層獲取控制命令，并將軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息發(fā)送給邏輯運算層。為了提高設(shè)備的可用性，降低對行車作業(yè)的影響，OC中每個模塊均采用冗余配置，OC中每個模塊均實時自檢，保證不會產(chǎn)生錯誤輸出。同一個車站，OC中同類的模塊軟件及硬件應(yīng)相同，工程應(yīng)用過程中可根據(jù)實際需求靈活搭建聯(lián)鎖系統(tǒng)。

3 OC設(shè)備組成及功能

每一個軌旁信號設(shè)備都應(yīng)在其相應(yīng)的OC的控制之下完成指定動作或給出相關(guān)狀態(tài)信息。如圖2所示，OC采用模塊化設(shè)計理念，每種控制模塊為一套完整的電路，完成一個獨立的功能。按功能OC控制模塊主要有：通信控制模塊、軌道電路模塊、信號機控制模塊、轉(zhuǎn)轍機控制模塊以及各種方向電路控制模塊。

圖2 OC結(jié)構(gòu)示意圖

二取二、雙斷、冗余、故障導(dǎo)向安全等原則貫穿于OC各控制模塊的設(shè)計當(dāng)中。各模塊采用雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制電路采用雙斷原則設(shè)計，控制命令經(jīng)過2oo2校核，確保雙CPU收到相同的控制命令后，模塊才能完成對軌旁設(shè)備的控制；同樣，模塊的2路模擬量采集電路也各自獨立，經(jīng)過雙CPU進(jìn)行“與”處理，確保雙路采集狀態(tài)一致后，才能發(fā)送給邏輯運算層，提高了系統(tǒng)的安全性。各模塊均采用冗余方式布置，任何一個模塊故障后整個OC的功能不受影響，提高了系統(tǒng)的可靠性；各模塊均具備完善的自檢機制-上電自檢、實時自檢、周期自檢，自檢不通過時模塊會采驅(qū)安全措施，實現(xiàn)了模塊級的故障導(dǎo)向安全。

3.1 通信控制模塊

通信控制器采用安全冗余結(jié)構(gòu)，主要完成與邏輯子系統(tǒng)及控制器間的通信功能。其功能和相關(guān)要求如下：

（1）通信控制器接收邏輯子通信控制模塊應(yīng)采用冗余的通信通道；

（2）通信控制器與邏輯子系統(tǒng)通信中斷時，應(yīng)導(dǎo)向安全側(cè)；

（3）采用標(biāo)準(zhǔn)化、開放式網(wǎng)絡(luò)接口完成與邏輯子系統(tǒng)間信息交互，實現(xiàn)通道的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化。

3.2 轉(zhuǎn)轍機控制模塊

轉(zhuǎn)轍機控制模塊采用二乘二取二結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用冗余布置方式設(shè)置。如圖3，轉(zhuǎn)轍機控制模塊直接與轉(zhuǎn)轍機接口，國內(nèi)常用轉(zhuǎn)轍機主要有46線制轉(zhuǎn)轍機、5線制轉(zhuǎn)轍機，轉(zhuǎn)轍機控制模塊主要功能如下：

圖3 轉(zhuǎn)轍機控制原理示意圖

● 接收輯運算層道岔動作控制命令，控制轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)動；

● 采集并上傳轉(zhuǎn)轍機動作狀態(tài)信息和道岔表示信息，且能夠保障道岔表示信息與道岔實際位置一致；

● 采集并上傳道岔電流值、報警等維護(hù)信息；

● 道岔啟動時先切斷道岔表示，道岔轉(zhuǎn)換完成后方可給出道岔表示；

● 當(dāng)?shù)啦韱与娐芬呀?jīng)動作后，可保證轉(zhuǎn)轍機繼續(xù)轉(zhuǎn)動到底；

● 當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換完畢時，自動斷開道岔啟動電路；

● 當(dāng)電機無法轉(zhuǎn)動或超時未轉(zhuǎn)到位時，自動切斷道岔啟動電路；

● 若采用三相交流電源控制的電動或電液轉(zhuǎn)轍機時，設(shè)置斷相保護(hù)裝置，一旦出現(xiàn)斷相能夠切斷道岔啟動電路；

● 當(dāng)外線發(fā)生混線時，能夠保證不能形成錯誤表示；

● 當(dāng)?shù)啦戆l(fā)生轉(zhuǎn)換、擠岔等情況時，道岔為無表示狀態(tài)。

3.3 信號控制模塊

如圖4，信號控制模塊直接信號機接口，由信號控制器直接控制站內(nèi)列車信號機、調(diào)車信號機和區(qū)間通過信號機。其功能如下：

圖4 信號機控制原理示意圖

● 信號控制器收到邏輯子系統(tǒng)點燈命令后，控制信號機相應(yīng)燈位點亮。

● 采集并上傳各燈位狀態(tài)信息。

● 采集并上傳各燈位的實時點燈電流、報警等維護(hù)信息。

● 具備列車信號機的點/滅燈控制功能。

● 當(dāng)信號控制器模塊故障、斷電或被拔出時，其對應(yīng)的信號機應(yīng)能點亮禁止燈光或滅燈。

3.4 軌道電路模塊

如圖5，軌道電路控制模塊用于JZXC-480型交流軌道電路、25Hz相敏軌道電路等典型軌道電路占用/空閑狀態(tài)判斷。軌道電路模塊直接與軌道電路受電端接口，將接收的軌道電路信號轉(zhuǎn)換為占用/空閑狀態(tài)。其功能和相關(guān)要求如下：

圖5 軌道電路模塊原理示意圖

● 軌道電路接口器實時采集軌道電路相位、電壓等信息采樣，并轉(zhuǎn)換為占用/空閑狀態(tài)。

● 采集并上傳各軌道區(qū)段的軌道參數(shù)，報警等維護(hù)信息。

● 軌道電路接口器應(yīng)符合相應(yīng)制式軌道電路的技術(shù)要求。

3.5 半自動閉塞控制模塊

半自動閉塞控制模塊實現(xiàn)與鄰站閉塞設(shè)備接口，用以代替半自動閉塞電路實現(xiàn)半自動閉塞邏輯功能。當(dāng)半自動閉塞控制模塊可獲取到區(qū)間的占用/空閑狀態(tài)時，該控制模塊也可實現(xiàn)自動申請閉塞以及列車到達(dá)自動復(fù)原的功能。其功能和相關(guān)要求如下：

● 半自動閉塞控制模塊收到閉塞控制命令（閉塞/復(fù)原/事故）后，由控制模塊實現(xiàn)半自動閉塞電路邏輯功能，并輸出半自動閉塞電路要求的控制信號至方向電路。

● 采集閉塞電路輸入條件，按照半自動閉塞電路邏輯要求轉(zhuǎn)換為規(guī)定碼位信息，并上傳至邏輯子系統(tǒng)或通信控制模塊。

● 半自動閉塞控制模塊實現(xiàn)的邏輯功能及相鄰半自動閉塞接口應(yīng)符合相關(guān)電路的要求。

3.6 場聯(lián)控制模塊

當(dāng)與相鄰場不具備直接通信功能時，由場聯(lián)接口器實現(xiàn)與鄰場場聯(lián)電路接口。其功能和相關(guān)要求如下：

● 場聯(lián)接口器接收來自邏輯子系統(tǒng)的場聯(lián)信息驅(qū)動命令，對外輸出適合電壓；

● 采集輸入條件，轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信息并上傳至邏輯子系統(tǒng)或通信控制模塊；

● 應(yīng)具備正電、負(fù)電輸出以及正電和負(fù)電的輸入采集，兼容既有的場聯(lián)連接方式。

4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通信網(wǎng)絡(luò)是OC與邏輯運算單元之間安全信息傳輸?shù)拿浇?，?gòu)建高可靠性、高安全性的通信網(wǎng)絡(luò)，是保障分布式控制系統(tǒng)的安全、可靠工作的關(guān)鍵。本文中列舉兩種組網(wǎng)方式：冗余雙環(huán)安全信息傳輸網(wǎng)、基于多模通信網(wǎng)關(guān)的安全信息傳輸網(wǎng)。

4.1 環(huán)形結(jié)構(gòu)安全信息傳輸網(wǎng)

圖6為采用冗余雙環(huán)安全信息傳輸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖，為了保證安全信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，安全信息傳輸網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，雙環(huán)網(wǎng)間物理隔離，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間采用專用光纖連接，各設(shè)備均采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，環(huán)網(wǎng)使用4芯光纖，并預(yù)留2芯備用。利用交換機的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，當(dāng)環(huán)網(wǎng)中發(fā)生一處中斷時，不影響網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通信。為了提高信道及通信設(shè)備的冗余性，兩個環(huán)網(wǎng)在布置時可采用不同的物理路徑，最大限度保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖6 冗余雙環(huán)安全信息傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

OC與邏輯運算單元均屬于安全設(shè)備，它們之間的通信采用鐵路信號安全通信協(xié)議，通過在應(yīng)用程與通信功能模塊之間增加安全功能模塊來實現(xiàn)信息的安全傳輸。

4.2 基于多模通信網(wǎng)關(guān)信息傳輸結(jié)構(gòu)

我國廣大西部和邊遠(yuǎn)地區(qū)幅員遼闊，但自然環(huán)境惡劣、交通不便，本著以最少化軌旁設(shè)備、集中運營、智能維護(hù)的原則，增加了基于多模通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行安全信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖7所示，邏輯運算單元布置于控制中心，通過多模通信網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場設(shè)備建立通信。

圖7 基于多模通信網(wǎng)關(guān)信息傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

采用多模網(wǎng)絡(luò)通信時，如圖8所示，OC設(shè)備通過冗余以太網(wǎng)口接入軌旁通信網(wǎng)關(guān)，軌旁通信網(wǎng)關(guān)通過GMS-R、LTE-R或公共移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至邏輯運算單元接入的多模通信網(wǎng)關(guān)。采用多模通信，當(dāng)主用鏈路故障時能夠快速切換至備用鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖8 多模通信網(wǎng)關(guān)

結(jié)束語：基于目標(biāo)控制器的分布式控制系統(tǒng)是一種新型的控制體系，本文結(jié)合國內(nèi)外目標(biāo)控制器應(yīng)用現(xiàn)狀，從系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、OC設(shè)備組成、OC功能、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等維度對基于目標(biāo)控制器的分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。該系統(tǒng)具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、電子化、靈活度高等優(yōu)點，能夠大幅度降低工程造價、縮短施工周期、降低運維成本，該系統(tǒng)可以作為既有系統(tǒng)補充，為鐵路控制系統(tǒng)提供一種新思路。