韓安平,劉 鵬,李紅俠

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所,北京 100081； 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

鐵路車站計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是以計算機(jī)為主要技術(shù)手段實現(xiàn)車站聯(lián)鎖的信號系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，以電氣傳輸方式集中操縱動力式道岔及色燈信號機(jī)，以軟件實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系[2]，實現(xiàn)站內(nèi)信號、道岔、進(jìn)路之間的聯(lián)鎖邏輯運算，并通過繼電接口電路實現(xiàn)對室外信號、道岔、軌道區(qū)段的狀態(tài)采集以及對信號、道岔的驅(qū)動控制。

計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)計算機(jī)部分和繼電接口電路部分的結(jié)合，是通過特定的接口碼位信息來采集和驅(qū)動相應(yīng)的接口繼電器，通過繼電器接點獲取現(xiàn)場信號設(shè)備的狀態(tài)，并通過控制繼電器的動作接通控制電路來操縱相應(yīng)設(shè)備的動作。這些接口信息一部分是為了實現(xiàn)對信號設(shè)備的控制和狀態(tài)采集功能而設(shè)，另一部分是為了提高接口的安全性而設(shè)，很有必要對這些接口信息的設(shè)置及其排列關(guān)系進(jìn)行相關(guān)研究，以實現(xiàn)接口碼位信息的安全設(shè)計[3]。

1 計算機(jī)聯(lián)鎖接口繼電器設(shè)置及接口實現(xiàn)電路設(shè)計分析

道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)、軌道電路為信號系統(tǒng)三大主要基礎(chǔ)設(shè)備[4]，和這些設(shè)備相關(guān)電路的結(jié)合，是傳統(tǒng)計算機(jī)聯(lián)鎖的主要接口內(nèi)容。

1.1 道岔控制電路的接口繼電器設(shè)置及接口實現(xiàn)電路設(shè)計分析

圖1為道岔控制電路。電路中和計算機(jī)接口的繼電器有YCJ/SFJ/SJ(不同計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)命名不同，以下統(tǒng)一為YCJ)、DCJ、FCJ、DBJ、FBJ。通過YCJ、DCJ、FCJ的接點接通控制電路給道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)供電以控制道岔的轉(zhuǎn)換。圖2為道岔接口繼電器驅(qū)采電路，YCJ、DCJ、FCJ由計算機(jī)聯(lián)鎖驅(qū)動。計算機(jī)聯(lián)鎖采集表示道岔所處位置的DBJ、FBJ的接點，以完成對道岔位置的采集，另還增設(shè)了DBJ和FBJ落下接點的串聯(lián)采集信息DFBJH[5]，和DBJ、FBJ一起用于對道岔位置的判斷。

圖1 道岔控制電路

圖2 道岔接口繼電器驅(qū)采電路

1.2 信號點燈控制電路的接口繼電器設(shè)置及接口實現(xiàn)電路設(shè)計分析

雖然進(jìn)站信號機(jī)、出站信號機(jī)、調(diào)車信號機(jī)點燈電路不同，但他們在和計算機(jī)聯(lián)鎖的接口設(shè)計原理及安全處理原則上是一致的。下面以進(jìn)站信號機(jī)點燈電路為例進(jìn)行分析。

圖3為進(jìn)站信號機(jī)點燈電路，電路中和計算機(jī)接口的繼電器有DJ、2DJ、LXJ、ZXJ、LUXJ、TXJ、YXJ。除DJ和2DJ外，其余繼電器均由計算機(jī)驅(qū)動以點亮信號機(jī)不同的燈光。計算機(jī)采集上述所有接口繼電器的吸起接點以獲取信號機(jī)的狀態(tài)。圖4為進(jìn)站信號機(jī)接口繼電器的驅(qū)采電路，對于部分計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不采集2DJ，則需在YXJ的采集電路中串入2DJ的吸起接點。

圖3 進(jìn)站信號機(jī)點燈電路

圖4 進(jìn)站信號機(jī)接口繼電器驅(qū)采電路

1.3 軌道電路的接口繼電器設(shè)置及接口實現(xiàn)電路設(shè)計分析

軌道電路與計算機(jī)聯(lián)鎖的接口繼電器為GJ，計算機(jī)通過采集GJ的前后接點來判斷軌道區(qū)段的空閑狀態(tài)。圖5為軌道電路接口繼電器采集電路。

圖5 軌道電路接口繼電器采集電路

計算機(jī)聯(lián)鎖除了和上述三大主要信號基礎(chǔ)設(shè)備的接口外，還有一些用于報警、指示、相鄰站或場間信息復(fù)示等其他功能的零散接口，這些接口也是計算機(jī)聯(lián)鎖接口的重要組成部分，相關(guān)的電路原理及接口繼電器設(shè)置在此不做具體分析，僅對其接口信息碼位的安全設(shè)計做相應(yīng)研究。

2 接口繼電器及接口信息碼位安全設(shè)計分析

計算機(jī)聯(lián)鎖與信號設(shè)備的接口電路故障模式主要有斷路、短路(包括混線)模式。斷路只會導(dǎo)致完成功能的喪失，不會帶來安全風(fēng)險，但短路或混線有可能會帶來安全風(fēng)險，造成不該動的道岔會出現(xiàn)錯誤轉(zhuǎn)換、不該開放的信號錯誤開放等?；炀€是硬件電路中最常發(fā)生的隨機(jī)故障之一，也是最容易出現(xiàn)單一故障造成危險輸出的故障之一[6]。在硬件電路中，物理位置相距越近的電路間發(fā)生相互混線的可能性越大。例如，計算機(jī)聯(lián)鎖中同一個板卡或同一個接插件中相鄰采集位、相鄰驅(qū)動位相互混線的概率，要遠(yuǎn)大于不同板卡或不同接插件中線纜間混線的概率。在接口設(shè)計時，很有必要對混線后帶來的風(fēng)險進(jìn)行研究。

2.1 道岔接口繼電器及接口碼位安全設(shè)計

(1)驅(qū)動繼電器及碼位的安全分析

由計算機(jī)驅(qū)動控制道岔動作的繼電器有YCJ、DCJ、FCJ[7]。YCJ和DCJ同時吸起或YCJ和FCJ同時吸起接通道岔的啟動電路，DCJ和FCJ分別控制道岔定位啟動電路和反位啟動電路接通[8]，如圖6(a)、圖6(b)電路虛線所示。YCJ在電路中的位置對應(yīng)于繼電聯(lián)鎖中為SJ位置。繼電聯(lián)鎖中鎖閉繼電器SJ常態(tài)吸起，表示道岔處于解鎖狀態(tài)，允許扳動道岔[9]。與繼電聯(lián)鎖的SJ不同，YCJ平時處于落下，只有在需要操縱道岔轉(zhuǎn)動時，才隨同DCJ或FCJ一并或略微錯時吸起，道岔轉(zhuǎn)換到位或需要停止轉(zhuǎn)動時立即落下[10]。計算機(jī)聯(lián)鎖對道岔的鎖閉并不依賴于YCJ的動作，因為計算機(jī)聯(lián)鎖對道岔的鎖閉是聯(lián)鎖計算機(jī)內(nèi)部變量的一個狀態(tài)取值，當(dāng)這個取值表示“鎖閉”的含義時，其便通過程序?qū)崿F(xiàn)了對道岔的邏輯鎖閉，并不需要刻意控制一個真實的繼電器以切斷啟動電路。因此YCJ由計算機(jī)聯(lián)鎖驅(qū)動，其核心作用是對道岔啟動電路進(jìn)行雙斷防護(hù)，以提高道岔控制電路的安全性。假如不設(shè)YCJ，道岔控制電路從實現(xiàn)對道岔的定反位操縱功能上沒有問題，但KZ電源會一直供給電路[11]，一旦KF端發(fā)生混線，在DCJ或FCJ沒有被驅(qū)動時會造成道岔錯誤轉(zhuǎn)動。

假如YCJ和DCJ間發(fā)生混線或YCJ和FCJ間發(fā)生混線，某個繼電器的勵磁吸起會造成另一個繼電器的吸起而錯誤接通道岔啟動電路，這樣電路所設(shè)計的雙斷功能就會失去其作用。因此，為了降低相互間的混線風(fēng)險，YCJ和DCJ、FCJ的碼位排列盡量拉開一定距離，以不設(shè)置在同一個板卡或同一個接插件中為宜，這樣也可避免由于某一個板卡的故障造成會危及后果的兩個繼電器同時錯誤勵磁吸起。

假如混線故障發(fā)生在DCJ和FCJ間，那么如圖6(c)虛線所示的電路將可能被接通，但由于2DQJ為極性保持型繼電器，1-2線圈和3-4線圈同時有電流流過，其將不能正常轉(zhuǎn)極，道岔也不會動作，并且該故障還能在使用過程中被發(fā)現(xiàn)。所以，DCJ和FCJ間發(fā)生混線，造成道岔錯誤動作的風(fēng)險可控，DCJ和FCJ驅(qū)動碼位可以相鄰排列，且相鄰排列比分開排列更方便維護(hù)。計算機(jī)聯(lián)鎖的道岔控制電路YCJ端若發(fā)生混線，很難被發(fā)現(xiàn)，混線故障很可能會長期隱藏下來而讓電路的雙斷功能設(shè)計失效，現(xiàn)實中確實也發(fā)生過類似情況，一旦DCJ/FCJ端混線的第二個故障疊加發(fā)生，道岔將會發(fā)生錯誤轉(zhuǎn)動。因此，這種可能會長期隱藏下來的故障最好要有軟件檢查的配合以及時發(fā)現(xiàn)故障的存在。

圖6 道岔啟動電路接通圖

(2)采集繼電器及碼位的安全分析

道岔接口被采集的信息有DBJ、FBJ、DFBJH。DBJ、FBJ繼電器吸起表示道岔處于定位或反位，當(dāng)?shù)啦硎ケ硎咎幱谒拈_位置時，DBJ、FBJ全部落下。如果只對DBJ和FBJ吸起接點做采集即可實現(xiàn)對道岔狀態(tài)的判斷，當(dāng)?shù)啦硖幱谒拈_位置時，DBJ、FBJ全部落下使其吸起接點均不能被采集到，倘若此時DBJ和FBJ采集電路之一出現(xiàn)混線而錯誤采集到吸起狀態(tài)信息，計算機(jī)則有可能誤認(rèn)為道岔處于該位置，并能辦理出經(jīng)過該道岔位置的進(jìn)路，帶來行車安全風(fēng)險。DFBJH的采集就是為解決該風(fēng)險而設(shè)。在道岔處于四開位置時由于DBJ和FBJ均落下而使DFBJH被計算機(jī)所采集到。這樣，道岔可能處于的3個狀態(tài)(定位、反位、四開)均有對應(yīng)的唯一采集信息指示，萬一出現(xiàn)有混線現(xiàn)象，會出現(xiàn)同時有兩個信息均被采集到，當(dāng)計算機(jī)發(fā)現(xiàn)同時有兩個信息被采集到時，則做出導(dǎo)向安全側(cè)的處理，DFBJH的采集提高了對道岔位置狀態(tài)判斷的安全性。表1為DBJ、FBJ、DFBJH各種采集場景下的道岔狀態(tài)邏輯判斷表。

在設(shè)計接口碼位時，DBJ、FBJ、DFBJH排列一起，即使發(fā)生相互混線也能被及時檢測到，不會帶來安全隱患，而且碼位排列在一起也更有利于現(xiàn)場維護(hù)。

表1 道岔狀態(tài)邏輯判斷

2.2 信號接口繼電器及接口碼位安全設(shè)計

(1)信號繼電器驅(qū)采安全分析

對于信號機(jī)接口繼電器，計算機(jī)只采集了吸起接點，通過吸起接點的采集，判斷信號機(jī)點亮什么燈光。例如采集到LXJ吸起判斷信號開放，采不到LXJ吸起判斷信號處于關(guān)閉狀態(tài)。實際上LXJ的吸起接點未能采集到并不一定意味著信號關(guān)閉，相對于繼電聯(lián)鎖通過接點接通電路以形成電流的檢查方式，計算機(jī)聯(lián)鎖采取的這種非此即彼的判斷方式其實理論上并不嚴(yán)謹(jǐn)，但是，計算機(jī)具有智能邏輯判斷能力，可以通過驅(qū)采一致性校驗達(dá)到準(zhǔn)確判斷的效果。例如，對LXJ有驅(qū)動命令時采集到LXJ吸起判斷為信號開放，當(dāng)沒有驅(qū)動命令且也沒有采集到LXJ吸起，判斷為信號關(guān)閉。即便有驅(qū)動命令但未采集到LXJ吸起接點時，一定時間內(nèi)軟件也會停止其驅(qū)動命令以從控制動作上實現(xiàn)對信號的關(guān)閉。因此，LXJ的采集狀態(tài)和驅(qū)動狀態(tài)的協(xié)調(diào)校驗與判斷，可以準(zhǔn)確判斷信號的開放與關(guān)閉，因而不一定必須通過采集LXJ的后接點來判斷信號關(guān)閉。除DJ和2DJ外的其他信號接口繼電器的判斷邏輯類似。

綜上所述，計算機(jī)可以對控制信號機(jī)點亮允許燈光的相關(guān)接口繼電器做驅(qū)動和采集的一致性校驗，以實現(xiàn)對信號機(jī)控制的安全性檢查[12]。接口電路對接口繼電器的驅(qū)動和對吸起接點的采集，除了實現(xiàn)點燈功能，也實現(xiàn)了安全檢查的目的。

驅(qū)動的信號機(jī)接口繼電器都有對應(yīng)的采集碼位，軟件具有的采集和驅(qū)動碼位信息一致性校驗功能，使驅(qū)動碼位之間或采集碼位之間發(fā)生混線的故障均能被檢測到，所以對于同一信號機(jī)相關(guān)的接口碼位，不需要特殊處理，但同一信號機(jī)相關(guān)的接口碼位排列在一起更方便維護(hù)。

(2)DJ碼位的安全分析

燈絲繼電器DJ常態(tài)處于吸起狀態(tài)，相應(yīng)DJ采集信息常態(tài)可以采集到，這些常態(tài)一直能被采集到的信息在設(shè)計碼位排序時若排在一起，他們相互之間出現(xiàn)混線很難被發(fā)現(xiàn)，即若把全站或一個咽喉(或某個區(qū)域)的DJ排列一起，倘若出現(xiàn)混線，就會存在很難被及時發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險。把常態(tài)保持吸起的DJ和其對應(yīng)常態(tài)處于落下狀態(tài)的信號繼電器(LXJ或DXJ等)排列一起，若他們之間發(fā)生混線，由于DJ信息常態(tài)能采集到，這樣勢必會在信號繼電器沒有正常驅(qū)動的情況下，計算機(jī)采集到信號繼電器的錯誤吸起狀態(tài)而被計算機(jī)所識別到，所以DJ和信號繼電器碼位排列一起更有利于對混線故障的及時發(fā)現(xiàn)。

2.3 軌道電路接口繼電器及接口碼位安全設(shè)計

計算機(jī)在聯(lián)鎖運算時主要檢查的是GJ的吸起狀態(tài)(軌道區(qū)段空閑狀態(tài))，從完成功能的角度講，只采集GJ的吸起接點即可，實際上早期的計算機(jī)聯(lián)鎖有些系統(tǒng)也是這樣做的，但萬一在軌道區(qū)段占用的情況下，GJ吸起接點的采集電路發(fā)生混線出現(xiàn)誤采集，可能會把處于占用狀態(tài)的軌道區(qū)段錯誤判斷為空閑狀態(tài)。為避免這種情況發(fā)生，計算機(jī)對GJ同時采集其前后接點，只有僅采集到GJ吸起才判斷軌道區(qū)段為空閑狀態(tài)，其他的采集組合都處理為占用狀態(tài)。這種同時采集同一個繼電器前后接點的目的就是做邏輯合理性校驗，一旦發(fā)生相互間的混線，勢必會破壞其狀態(tài)的邏輯合理性，軟件會做出相應(yīng)的安全側(cè)處理。增加對GJ落下接點的采集就是為了提高對軌道區(qū)段狀態(tài)判斷的安全性。從維護(hù)方便的角度，同一軌道區(qū)段的GJ前后接點采集碼位排列于一起同樣會更合理，一旦此相鄰的采集線間發(fā)生混線也能及時被發(fā)現(xiàn)。表2為GJ吸起接點和落下接點各種采集場景下的軌道區(qū)段狀態(tài)邏輯判斷表。

表2 軌道區(qū)段狀態(tài)邏輯判斷

2.4 其他零散信息碼位排列安全設(shè)計

零散接口信息主要有相鄰站/場(以下簡稱站)間相互傳遞的信息和本站必要的一些提示信息或報警信息等。

對于鄰站復(fù)示到本站供本站使用的信息，首先要確認(rèn)其是否參與聯(lián)鎖邏輯運算，若參與本站的聯(lián)鎖邏輯運算，其接口信息碼位的設(shè)計和處理方式和本站的軌道電路接口信息碼位處理方式一致。例如，鄰站復(fù)示過來的會影響本站聯(lián)鎖邏輯處理的信號復(fù)示繼電器、軌道區(qū)段狀態(tài)復(fù)示繼電器、照查繼電器等。若鄰站復(fù)示過來的繼電器不參與本站的聯(lián)鎖邏輯處理，只是為了起提示或報警作用，即使其采集錯誤也不會帶來安全風(fēng)險。對于這些信息的處理不需要有特別要求，也不需要考慮混線后的安全處理措施，建議類似信息的碼位按類別分組排序，以便于維護(hù)查找即可。例如，用來區(qū)分對方站排列的是列車進(jìn)路還是調(diào)車進(jìn)路的調(diào)車終端繼電器(ZJ)信息就屬于此類。

對于本站控制的繼電器需要復(fù)示到鄰站供鄰站使用的信息，首先也需要確認(rèn)其送給鄰站是否參與鄰站的聯(lián)鎖邏輯運算，若需要參與鄰站的聯(lián)鎖邏輯運算，其接口信息碼位的設(shè)計和處理方式和本站的信號信息碼位處理方式一致。例如，復(fù)示給鄰站的照查繼電器等。若復(fù)示給鄰站只是為了在鄰站起提示或報警作用，即使其出現(xiàn)錯誤也不會帶來安全風(fēng)險，對于這些信息的處理也不需要有特別要求，同樣建議類似信息的碼位按類別分組排序，考慮維護(hù)方便即可。

同理，本站必要的一些提示信息或報警信息等，即使其出現(xiàn)錯誤也不會帶來安全風(fēng)險，同樣建議類似信息的碼位不需要做安全防護(hù)措施，按類別分組排序。

3 計算機(jī)聯(lián)鎖接口碼位排列設(shè)計示例

計算機(jī)聯(lián)鎖接口碼位的排列設(shè)計思路，主要考慮的因素是提高接口碼位信息的安全性，同時兼顧維護(hù)的便捷性?；诖嗽瓌t及上述安全分析，給出計算機(jī)聯(lián)鎖采集和驅(qū)動接口碼位的分組排列設(shè)計如表3和表4所示。

表3 采集碼位排列設(shè)計

3.1 采集信息接口碼位示例

零散報警主要排列的是相對固定的通用報警信息，這些信息基本所有站都會有，設(shè)計上置于相對固定的位置，后續(xù)應(yīng)用軟件處理也相對固定。

道岔表示采集信息、信號表示采集信息、軌道區(qū)段表示采集信息為本站信號基礎(chǔ)設(shè)備的采集信息，碼位按類分組排列，每組內(nèi)的信息碼位排序按設(shè)備編號順序排列。鄰站復(fù)示過來參與本站聯(lián)鎖邏輯處理的信息在聯(lián)鎖處理上和本站的軌道區(qū)段處理方式類似，因此其碼位緊靠軌道區(qū)段表示采集信息碼位排列。

表4 驅(qū)動碼位排列設(shè)計

提供鄰站參與聯(lián)鎖運算的信息假如和本站信號有關(guān)聯(lián)，可以和這些信號的相關(guān)信息碼位排列一起，也可以單獨分組排列。表3為采用了單獨分組排列方式。采集鄰站不參與聯(lián)鎖運算的信息以及站聯(lián)口僅用于報警、提示的表示信息單獨分組排列。

3.2 驅(qū)動信息接口碼位示例

零散驅(qū)動主要排列的是相對固定的通用驅(qū)動信息，類似控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的事故繼電器(SGJ)、故障繼電器(GZJ)等(不同計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)可能配置不同的信息)，這些信息基本同一型號系統(tǒng)所有站都會有，設(shè)計上置于相對固定的位置，后續(xù)應(yīng)用軟件處理也相對固定。

道岔驅(qū)動信息分兩組，一組為DCJ和FCJ控制組，一組為YCJ控制組，兩組信息碼位分別按上下咽喉和道岔編號順序排列，兩組間要拉開一定距離，以不設(shè)置在同一個驅(qū)動板和同一個接插件中為宜。

信號驅(qū)動信息組盡可能按上下咽喉的調(diào)車和列車驅(qū)動信息分組順序排列，排列時也盡量考慮信號編號的順序。信號驅(qū)動信息碼位與采集碼位排列的順序一致為宜。

提供鄰站參與聯(lián)鎖運算的驅(qū)動信息，由于在聯(lián)鎖處理上和本站的信號處理方式類似，因此在信息碼位排列時，如和本站信號有相關(guān)聯(lián)系，可以和這些信號的相關(guān)信息排列一起，也可以單獨分組排列。表4采用了單獨分組排列方式。提供鄰站不參與聯(lián)鎖運算的信息和本站使用但不參與聯(lián)鎖運算的零散驅(qū)動信息單獨分組排列。

4 結(jié)語

鑒于目前計算機(jī)聯(lián)鎖接口信息碼位的排列安全設(shè)計上沒有相關(guān)規(guī)范，僅從完成功能方面，計算機(jī)聯(lián)鎖接口碼位的排列順序不需要強(qiáng)制按規(guī)律排列，軟件會適應(yīng)各種排列順序，目前設(shè)計時主要考慮了設(shè)計、配線、維護(hù)的方便性，這也帶來接口信息碼位排列的多樣性。不同方式的碼位排列，對一些混線的抵御能力會有較大差別，為了盡可能減小混線后帶來的風(fēng)險，在信息碼位設(shè)計時遵循下列原則。

(1)相互混線后不能被及時發(fā)現(xiàn)的信息分開排列。

(2)相互混線后有可能帶來危險輸出的信息分開排列。

(3)相互混線后設(shè)備會自動導(dǎo)向安全側(cè)或能被及時校驗出的信息相鄰排列；

(4)相互混線后會導(dǎo)致邏輯狀態(tài)相互抵觸的信息相鄰排列。

(5)為了維護(hù)方便，分咽喉按設(shè)備編號順序依次按類別分組排列。

在遵循上述原則的同時，結(jié)合考慮各類信息的設(shè)置目的，科學(xué)優(yōu)化接口信息碼位的排列，這樣在不增加任何投入的基礎(chǔ)上能夠提高系統(tǒng)的整體安全性。鐵路信號設(shè)備僅要求對室外混線、短路造成危及行車安全的后果采取防護(hù)措施，對防室內(nèi)的混線、短路沒有強(qiáng)制要求，但通過根據(jù)不同碼位信息特點采取相應(yīng)有效的碼位排列措施，對減少影響設(shè)備安全的故障發(fā)生會起到事半功倍的效果。計算機(jī)聯(lián)鎖接口碼位的處理和軟件的設(shè)計思路是息息相關(guān)的，軟件的不同處理思路對計算機(jī)聯(lián)鎖接口碼位的安全設(shè)計可能會有差異，但一些基本的安全處理原則是相通的。本文所論述的措施和方法，在一些計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用中證明了其對系統(tǒng)總體安全起到了促進(jìn)作用，對其他鐵路信號控制系統(tǒng)的接口安全設(shè)計也具有重要的借鑒意義。