馮浩楠 ，董成文 ，李小帥 ，馬曉姣 ，潘長(zhǎng)清

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081；2. 國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081；3. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081；4. 中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100081）

1 研究背景

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)鐵路信號(hào)技術(shù)不斷升級(jí)，列車運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了高速化和高密度化。地面的聯(lián)鎖系統(tǒng)通過(guò)用電子控制器件代替繼電器裝置的方式，完成了信號(hào)系統(tǒng)的數(shù)字化升級(jí)，降低了維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性[1-2]。

近年來(lái)，中國(guó)的蘭州交通大學(xué)[3-5]、眾合科技、北京全路通信信號(hào)設(shè)計(jì)研究院、西南交通大學(xué)[6]、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院[7-8]等對(duì)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在國(guó)內(nèi)部分鐵路支線和車輛段等場(chǎng)合應(yīng)用，但仍未在國(guó)內(nèi)鐵路領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。

韓國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)研究起始于1990 年。針對(duì)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)中存在的問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)，2001 年起對(duì)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并在韓國(guó)大多數(shù)車站正式推廣使用。例如，京釜高速鐵路的全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)已進(jìn)入全面升級(jí)的階段[1]?；陧n國(guó)無(wú)線列車控制系統(tǒng)(Korean radio based train control system，KRTCS)，采用了以全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為中心的信號(hào)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)韓國(guó)信號(hào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理[2]。

下面以中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研發(fā)的TYJL-IIIE 型自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為例，將其與韓國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在架構(gòu)、通信協(xié)議、實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行對(duì)比，為中國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

2 聯(lián)鎖系統(tǒng)

中韓自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)均采用聯(lián)鎖邏輯與對(duì)象控制分離的架構(gòu)，前者重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的邏輯功能，后者主要完成對(duì)外部對(duì)象的安全通信和管理。聯(lián)鎖邏輯與對(duì)象控制的數(shù)字化交互，特別是對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行IP(Internet Protocol，網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議)的控制方式，與傳統(tǒng)的繼電聯(lián)鎖相比，拓展了聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制范圍，增強(qiáng)了靈活性，同時(shí)為聯(lián)鎖系統(tǒng)功能拓展和升級(jí)改造等提供了便利。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

韓國(guó)設(shè)計(jì)的自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為中心的信號(hào)控制架構(gòu)，借鑒歐洲聯(lián)鎖子系統(tǒng)連接倡議(European initiative linking interlocking subsystems，EULYNX)的架構(gòu)，對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口對(duì)象進(jìn)行分類統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化管理，如圖1 所示[9]。

圖1 基于EULYNX 的全電子聯(lián)鎖架構(gòu) Figure 1 Structure of the all-electric interlocking system based on EULYNX

與韓國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的架構(gòu)類似，中國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)也根據(jù)通信對(duì)象特性進(jìn)行分類管理。在針對(duì)軌旁設(shè)備的對(duì)象控制器設(shè)計(jì)上略有不同：韓國(guó)的對(duì)象控制器形式上分為通信模塊、主控制單元(main control unit，MCU)模塊和輸入/輸出模塊三部分，一個(gè)輸入/輸出模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)IP；中國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為對(duì)象控制單元(object control unit，OCU)和控制模塊兩部分，前者完成與聯(lián)鎖邏輯部分的信息交互和傳輸處理，后者實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁設(shè)備數(shù)據(jù)的安全采集和驅(qū)動(dòng)功能，一個(gè)OCU 有冗余雙網(wǎng)IP，對(duì)應(yīng)多個(gè)類型的控制模塊。二者的對(duì)比如表1 所示。

表1 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu) Table 1 System architecture of the all-electricinterlocking system

以常用的軌旁設(shè)備——信號(hào)機(jī)和道岔為例，說(shuō)明中韓控制模塊控制差異。

2.2 控制模塊

中國(guó)與韓國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號(hào)和道岔控制模塊，安全等級(jí)均為SIL4，采用如下措施確保安全。

1) 二取二安全結(jié)構(gòu)。都是比較一致后對(duì)外輸出，韓國(guó)的控制模塊采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(field program mable gate array，F(xiàn)PGA)進(jìn)行硬件比較，中國(guó)的控制模塊在驅(qū)動(dòng)電路采用了電子開關(guān)和機(jī)械開關(guān)異構(gòu)組合方式，避免共模錯(cuò)誤。

2) 輸出反饋。輸出傳感器回“讀”輸出給軌旁設(shè)備信息的反饋，與從CPU 接收的控制信息進(jìn)行比較，檢測(cè)錯(cuò)誤。

3) 看門狗功能。設(shè)計(jì)讀/寫看門狗進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，每隔一段時(shí)間檢測(cè)一次，如果未收到檢查信號(hào)，表明是導(dǎo)向安全狀態(tài)。當(dāng)所有條件都恢復(fù)正常，才能處于運(yùn)行狀態(tài)。

4) 過(guò)流檢測(cè)和防護(hù)功能。設(shè)置斷路器，過(guò)流時(shí)切斷信號(hào)電源。韓國(guó)的控制模塊保護(hù)電路是在每個(gè)輸出端口的負(fù)載電流為1.1A～1.12 A 時(shí)工作，工作輸出電壓應(yīng)降至額定值的10%以內(nèi)，在過(guò)流原因排除后自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。

2.3 設(shè)備性能

對(duì)全電子聯(lián)鎖設(shè)備的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 全電子聯(lián)鎖設(shè)備性能指標(biāo) Table 2 Performance index of the all-electricalinterlocking equipment

3 通信協(xié)議

標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議是關(guān)系到全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和與控制對(duì)象的互聯(lián)互通，也影響系統(tǒng)的安全和可靠性。韓國(guó)和中國(guó)各自設(shè)計(jì)了一套符合安全標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)信息的可靠傳輸。

3.1 通信模型

基于互聯(lián)互通開放系統(tǒng)(open system interconnection，OSI)7 層通信模型，中韓自主化全電子聯(lián)鎖通信模型的對(duì)比如表3 所示。由此可知，通信的底層(包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層)模型相同，由服務(wù)要點(diǎn)(point of service，PoS)定義；通信的上層(包括傳輸層、安全層、冗余層和應(yīng)用層)共同形成標(biāo)準(zhǔn)通信接口(standard communication interface，SCI)。在應(yīng)用層方面，二者根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用需求，分別制定了相應(yīng)的應(yīng)用協(xié)議；在安全通信層方面，韓國(guó)沿用歐洲的鐵路安全運(yùn)輸應(yīng)用協(xié)議 (rail safe transport application，RaSTA)[10]，中國(guó)采用鐵道部制定的I 型鐵路信號(hào)安全協(xié)議(railway signal safety protocol-I，RSSP-I)。

表3 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)通信模型 Table 3 Communication model of the all-electric interlocking system

3.2 安全層協(xié)議

RaSTA 協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換機(jī)、路由器)的安全要求包括信息流控制、安全管理、自我測(cè)試、安全會(huì)話管理、訪問(wèn)控制、傳輸數(shù)據(jù)保護(hù)、監(jiān)控記錄等7 個(gè)領(lǐng)域共21 種，如識(shí)別、身份驗(yàn)證、根據(jù)設(shè)置規(guī)則控制流量等進(jìn)行控制。中國(guó)采用的RSSP-I 協(xié)議對(duì)通信過(guò)程中的重復(fù)、刪除、插入、重排序、損壞、延遲和偽裝7 種類型的威脅進(jìn)行防護(hù)[11]。從標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用場(chǎng)景、安全碼、傳輸層等指標(biāo)，對(duì)兩種安全通信協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，如表4 所示。

表4 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)安全層協(xié)議 Table 4 Protocol in the safety layer of the all-electricinterlocking system

3.3 應(yīng)用層協(xié)議

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用層包括兩類標(biāo)準(zhǔn)接口：SCI和標(biāo)準(zhǔn)診斷接口(standard diagnosis interface，SDI)。

3.3.1 通信標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議

SCI 用于全電子聯(lián)鎖與其他控制系統(tǒng)或者軌旁系統(tǒng)的信息交互使用，是基于電報(bào)的接口，由傳輸層和應(yīng)用層組成，未聲明的電報(bào)定義不可用。根據(jù)通信對(duì)象，可分為兩類：一類屬于控制系統(tǒng)級(jí)別；另一類屬于軌旁設(shè)備級(jí)別。韓國(guó)的SCI 遵循EULYNX 標(biāo)準(zhǔn)，公開的通用標(biāo)準(zhǔn)接口以SCI-XX 命名，如表5 所示。在系統(tǒng)級(jí)的通信對(duì)象方面，韓國(guó)SCI 標(biāo)準(zhǔn)僅涉及高鐵、鐵路等控制系統(tǒng)，而中國(guó)的SCI 標(biāo)準(zhǔn)將國(guó)鐵、城軌領(lǐng)域的控制對(duì)象全覆蓋；在軌旁設(shè)備級(jí)通信對(duì)象方面，二者根據(jù)各自的功能需求和系統(tǒng)架構(gòu)，完成了對(duì)軌旁設(shè)備的數(shù)字化協(xié)議。

表5 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通信接口協(xié)議 Table 5 Standard communication interface of the all-electric interlocking system

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)接口協(xié)議

韓國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖維護(hù)和數(shù)據(jù)管理(maintenance data management，MDM)與每個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)之間的接口由SDI-xx 定義，SDI 包括SDI-LS、SDI-P、SDI-TDS 和 SDI-IO。

SDI 通信協(xié)議采用簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(simple network management protocol，SNMP)或用于過(guò)程控制統(tǒng)一架構(gòu)的對(duì)象鏈接和嵌入(OLE for process control- unified architecture，OPC-UA)協(xié)議。當(dāng)使用SNMP 時(shí)，以事件驅(qū)動(dòng)的方式收集診斷消息，發(fā)送到診斷收集器；當(dāng)使用OPC-UA 時(shí)，診斷消息以事件驅(qū)動(dòng)的方式收集和存儲(chǔ)在相關(guān)系統(tǒng)中。診斷收集器定時(shí)向連接系統(tǒng)請(qǐng)求診斷消息。特定的設(shè)備或子系統(tǒng)使用其中一個(gè)協(xié)議，MDM 兼容兩者協(xié)議，使用SNMP 或OPC-UA的診斷消息，以事件方式發(fā)送和接收信息。

中國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的維護(hù)信息的通信協(xié)議為UDP 單向發(fā)送。應(yīng)用內(nèi)容分為兩個(gè)級(jí)別：第一級(jí)為系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控信息，包括OCU 與CI 邏輯部通信狀態(tài)、安全通信報(bào)警等錯(cuò)誤信息，這些信息由OCU 通過(guò)以太網(wǎng)傳送給CI 邏輯部，再由CI 邏輯部發(fā)送給維修機(jī)；第二級(jí)為控制模塊級(jí)監(jiān)控信息，信號(hào)模塊提供燈絲電流模擬量信息，道岔模塊提供道岔動(dòng)作時(shí)間、定位反位狀態(tài)、動(dòng)作電流數(shù)據(jù)等信息。上述這些信息由各個(gè)全電子執(zhí)行模塊通過(guò)CAN 總線通信發(fā)送給維修分機(jī)，再由維修分機(jī)發(fā)送給維修機(jī)記錄。為了對(duì)全電子執(zhí)行系統(tǒng)的故障進(jìn)行快速診斷和維修，還研發(fā)了遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)?；趦商兹哂嘟Y(jié)構(gòu)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things，NB-IoT)通信方式，將上述關(guān)于控制模塊的維修信息發(fā)送到云服務(wù)器，根據(jù)用戶權(quán)限，給相關(guān)維修人員及時(shí)推送監(jiān)控信息和報(bào)警，還可以對(duì)全電子執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行在線維修和統(tǒng)計(jì)[12]。中韓標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)接口協(xié)議的對(duì)比如表6 所示。

表6 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)接口協(xié)議 Table 6 Standard diagnosis interface of the all-electric interlocking system

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

韓國(guó)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，選取3 家制造商的信號(hào)機(jī)和道岔產(chǎn)品與控制模塊連接，進(jìn)行互聯(lián)互通測(cè)試。測(cè)試環(huán)境包括電源負(fù)載、直流電子負(fù)載、數(shù)字多儀表等裝置，測(cè)試項(xiàng)目包括阻抗測(cè)試、ID 讀寫測(cè)試、輸出電流測(cè)試和輸出電壓測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試連接如圖2所示。

圖2 韓國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)控制模塊的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試 Figure 2 Laboratory test on a control module of indigenous all-electric interlocking system in South Korea

為了驗(yàn)證控制單元硬件是否滿足功能需求和性能需求，TYJL-IIIE 型全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制模塊搭建測(cè)試環(huán)境如圖3 所示。24 V 電源接入電源后接板供電，PC 機(jī)通過(guò)CAN 盒向控制模塊發(fā)送控制命令，觀察軌旁設(shè)備響應(yīng)。測(cè)試項(xiàng)目包括控制模塊工作電源、時(shí)鐘電路、CAN 通信、復(fù)位電路、串口電路、軌旁設(shè)備控制電路、軌旁設(shè)備狀態(tài)采集電路、事故電路和切換電路信號(hào)的功能和性能測(cè)試等9 項(xiàng)內(nèi)容。

圖3 中國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)控制模塊實(shí)驗(yàn)室測(cè)試 Figure 3 Laboratory test on a control module of indigenous all-electric interlocking system in China

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

韓國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在O-song 綜合鐵路試驗(yàn)軌道上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)兼容性測(cè)試，測(cè)試軌道如圖4 所示[13]。按照全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)功能的劃分，選取聯(lián)鎖集中站TS02 和非集中站TS03，按功能安裝測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容如表7 所示。

在投入城市軌道交通的現(xiàn)場(chǎng)使用前，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研發(fā)的TYJL-IIIE 自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)需經(jīng)過(guò)多項(xiàng)集成測(cè)試，包括驗(yàn)證冗余通功能的結(jié)構(gòu)測(cè)試，驗(yàn)證內(nèi)部接口、外部接口、電源接口的接口測(cè)試，驗(yàn)證安全通信、模塊管理、軌旁設(shè)備控制的功能測(cè)試，驗(yàn)證通信周期、模塊容量的性能測(cè)試，驗(yàn)證各種協(xié)議、配置參數(shù)的需求測(cè)試[14]。自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖5 所示。

圖4 韓國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)測(cè)試線路 Figure 4 Test line on the all-electric interlocking system in South Korea

表7 韓國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 Table 7 On-site test of the all-electric interlockingsystem in South Korea

圖5 TYJL-IIIE 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)機(jī)柜 Figure 5 TYJL-IIIE all-electric interlocking system cabinet

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)和韓國(guó)根據(jù)本國(guó)鐵路特性，開發(fā)了自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)。韓國(guó)鐵路信號(hào)設(shè)備大多來(lái)自歐洲信號(hào)廠商，因此全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的開發(fā)沿用了歐洲的EULYNX標(biāo)準(zhǔn)框架，以便于對(duì)韓國(guó)信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造；目前，中國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)處于自主化研制應(yīng)用評(píng)估階段。

1) 在全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的架構(gòu)方面，二者都采用聯(lián)鎖邏輯和控制功能分離的架構(gòu)。韓國(guó)的全電子聯(lián)鎖控制模塊可安放在軌旁或室內(nèi)，而中國(guó)的控制模塊則安放在室內(nèi)。

2) 二者的應(yīng)用場(chǎng)合不同，目前韓國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)主要應(yīng)用于高鐵線路，而中國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合主要集中在場(chǎng)段和城市軌道交通領(lǐng)域，基于其應(yīng)用效果，將在鐵路領(lǐng)域逐步推廣使用。

3) 在全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)通信協(xié)議方面，韓國(guó)完全借鑒歐洲EULYNX 標(biāo)準(zhǔn)框架，而中國(guó)自主化全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)處于由廠商根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)自行定制的階段，中國(guó)全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)正在制定。

4) 在全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)性能測(cè)試方面，二者都設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的測(cè)試過(guò)程，完成了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)工程化測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能，保障了系統(tǒng)的安全可靠性。