毛 芳

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100045）

1 聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展

第一代聯(lián)鎖系統(tǒng)是機(jī)械聯(lián)鎖。于1856 年誕生第一套簡(jiǎn)單的機(jī)械式車(chē)站聯(lián)鎖控制設(shè)備，初步實(shí)現(xiàn)了聯(lián)鎖關(guān)系，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展水平的限制，其可用性較差；由此，時(shí)代的進(jìn)步促進(jìn)了第二代繼電器聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展，以國(guó)內(nèi)6502 電氣集中式繼電器聯(lián)鎖系統(tǒng)為代表，通過(guò)純繼電器電路的搭建實(shí)現(xiàn)了聯(lián)鎖關(guān)系，但存在設(shè)備笨重、可擴(kuò)展性能較差、維護(hù)不便等問(wèn)題；在第二代聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件邏輯代替原有6502 的15 條網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)設(shè)計(jì)、并與室外設(shè)備采用接口繼電器的方式進(jìn)行優(yōu)化，相比于6502 有了很大的進(jìn)步和改善，逐漸形成了第三代計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

目前，被廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性、可靠性、可用性等均能滿(mǎn)足當(dāng)前城市軌道交通中運(yùn)營(yíng)的需要，也是近年來(lái)各大城市頻繁使用的產(chǎn)品。但是，經(jīng)過(guò)時(shí)間的沉淀和檢驗(yàn)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)與室外設(shè)備的接口繼電器組合占用空間大、配線(xiàn)復(fù)雜、施工周期較長(zhǎng)、日常維護(hù)工作量較大、復(fù)雜電路的故障排查較為困難、能耗較高等問(wèn)題也逐漸顯露出來(lái)。與此同時(shí)，隨著電力電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、冗余、容錯(cuò)等技術(shù)的發(fā)展，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電子聯(lián)鎖系統(tǒng)替換室內(nèi)組合電路直接與軌旁設(shè)備接口的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，逐漸向第四代全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展。

近年來(lái)，各國(guó)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)正在向全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展，使計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、更加小型化和智能化。用電子執(zhí)行單元取代由繼電器驅(qū)動(dòng)的信號(hào)和轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備的全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)，目前在歐洲軌道交通項(xiàng)目中已經(jīng)被普遍采用，雖然在國(guó)內(nèi)還未大面積使用，但在很多城市也有了工程應(yīng)用案例。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，保留了6502 電氣集中的執(zhí)行電路，仍采用繼電器組合方式，包括信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路、軌道電路、道岔啟動(dòng)電路、各種聯(lián)系電路等成熟的繼電電路。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的改進(jìn)和優(yōu)化，這些繼電電路的可靠性和抗外界沖擊等性能逐漸得到改善，對(duì)行車(chē)安全起到了很好的保護(hù)作用，也在工程應(yīng)用中積累了大量成熟的經(jīng)驗(yàn)，日益完善、穩(wěn)定性也在不斷的提高。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖1 所示，主要包括人機(jī)交互層、聯(lián)鎖邏輯層、執(zhí)行層和軌旁設(shè)備層。

圖1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of computer interlocking system architecture

1）人機(jī)交互層：人機(jī)交互界面，主要顯示正線(xiàn)或站場(chǎng)線(xiàn)路配線(xiàn)，實(shí)時(shí)反映所轄范圍內(nèi)信號(hào)機(jī)、道岔、軌道區(qū)段等設(shè)備的狀態(tài)和聯(lián)鎖邏輯關(guān)系，具有聲光報(bào)警和提示功能，可進(jìn)行相應(yīng)的人工操作。

2）聯(lián)鎖邏輯層：包含聯(lián)鎖主機(jī)，內(nèi)設(shè)核心聯(lián)鎖處理邏輯以及各種模式的聯(lián)鎖運(yùn)算功能。

3）執(zhí)行層：由輸入/輸出繼電器組成，接收聯(lián)鎖主機(jī)發(fā)出的執(zhí)行命令，通過(guò)相應(yīng)繼電器完成室內(nèi)主機(jī)對(duì)室外軌旁設(shè)備的控制，并向聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)傳輸室外軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息。

4）軌旁設(shè)備層：軌旁的各種信號(hào)設(shè)備（如信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道區(qū)段等）。

2.2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖2 所示。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)大體類(lèi)似，聯(lián)鎖電路也是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，只是在執(zhí)行層有所差異。執(zhí)行電路采用電子執(zhí)行單元替代傳統(tǒng)的繼電器組合，通過(guò)電子執(zhí)行單元實(shí)時(shí)接收計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的控制命令并直接控制軌旁各類(lèi)設(shè)備。

圖2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of full-electronic interlocking system architecture

電子執(zhí)行單元由具有不同功能的各種電子模塊組成，按照完全獨(dú)立的單元模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，執(zhí)行單元內(nèi)交叉冗余，整個(gè)系統(tǒng)在控制中更加靈活、簡(jiǎn)潔，提高了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)備的安全性。電子模塊可分為信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道占用檢測(cè)、輸入/輸出以及零散組合等多種類(lèi)型，并且電子模塊本身具有信息采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、命令執(zhí)行、過(guò)流保護(hù)、故障檢測(cè)和診斷等功能，可支持熱插拔。

3 對(duì)比分析

3.1 空間占用

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是采用繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)室外軌旁設(shè)備的相關(guān)控制，而全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的執(zhí)行單元只需依靠電子模塊就能直接對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行控制，操作更為簡(jiǎn)單、直接。

以15 架信號(hào)機(jī)、10 組道岔的設(shè)備集中站為例，若采用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，需要1 個(gè)聯(lián)鎖主機(jī)柜、1個(gè)聯(lián)鎖I/O 柜和6 個(gè)組合柜；若采用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)，只需要1 個(gè)聯(lián)鎖主機(jī)柜、2 個(gè)目標(biāo)控制柜和1個(gè)空開(kāi)柜。相比而言，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)大大減少了組合柜的數(shù)量，節(jié)省了4 個(gè)機(jī)柜和300 多個(gè)繼電器，大概能減少10 m2的占用空間。

根據(jù)項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)，一般傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)集中站的信號(hào)設(shè)備室面積大約為80 ～90 m2，同一條件下全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備室的使用面積大概是55 ～60 m2，將近減小了30%的用房面積。由此可知，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的使用對(duì)減少建設(shè)投資、節(jié)省用房規(guī)模有顯著的優(yōu)勢(shì)。

3.2 施工周期

由于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)保留了部分繼電器執(zhí)行電路，聯(lián)鎖電路與繼電電路之間以及繼電電路內(nèi)部之間還存在大量的配線(xiàn)，需人工進(jìn)行焊接連線(xiàn)，且接口配線(xiàn)較為復(fù)雜和繁瑣，需耗費(fèi)大量的人力和物力，現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜，容易出現(xiàn)誤接線(xiàn)的情況，不利于系統(tǒng)的調(diào)試。

全電子聯(lián)鎖采用電子執(zhí)行單元，設(shè)備接口模塊化，只有少量的對(duì)外接口配線(xiàn)，且配線(xiàn)采用壓接式端子，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需焊接、接線(xiàn)簡(jiǎn)單。因此，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的施工周期相對(duì)較短，能節(jié)省施工成本。

3.3 監(jiān)測(cè)功能

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的電子執(zhí)行單元有獨(dú)立的通信信道，能與獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信，具有監(jiān)測(cè)功能，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電子執(zhí)行單元的運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)作曲線(xiàn)、電氣參數(shù)等進(jìn)行記錄和保存，也可以查看和回放。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不具備監(jiān)測(cè)功能，無(wú)法直接對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.4 日常維護(hù)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中繼電器之間配線(xiàn)復(fù)雜，繼電器使用頻率高，通過(guò)驅(qū)動(dòng)繼電器接點(diǎn)執(zhí)行命令動(dòng)作，出現(xiàn)故障的概率較大，并且不同類(lèi)型的繼電器或同一類(lèi)型不同車(chē)站、不同位置的繼電器都需要根據(jù)不同的使用情況制定相對(duì)應(yīng)的維護(hù)和檢修標(biāo)準(zhǔn)，因此，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的日常維護(hù)工作量較大，還需定期對(duì)接口繼電器進(jìn)行更換維護(hù)，同時(shí)對(duì)維修人員的維修水平和能力也有較高的要求。

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，電子執(zhí)行單元施工簡(jiǎn)單、維修方便、且支持板卡熱插拔，由于具有信號(hào)集中監(jiān)測(cè)功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)工作量小，基本不需要維修，如有必要可根據(jù)設(shè)備的監(jiān)測(cè)狀態(tài)進(jìn)行故障修或狀態(tài)修。

從現(xiàn)有城市軌道交通中計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用情況來(lái)看，繼電器的故障率并不低，暫時(shí)還在運(yùn)營(yíng)部門(mén)的容忍范圍內(nèi)，但是近年來(lái)繼電器設(shè)備價(jià)格一直在上漲，每年的維修成本也是一筆不小的費(fèi)用。而全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)免維護(hù)的特點(diǎn)無(wú)疑給運(yùn)營(yíng)部門(mén)帶來(lái)了福音，是一種可行的解決方案。

3.5 故障排查

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的繼電器電路配線(xiàn)較復(fù)雜、故障定位困難，大多數(shù)情況下只能依靠之前積累的經(jīng)驗(yàn)和熟練的維修人員對(duì)故障情況一一進(jìn)行排查，進(jìn)而解決故障問(wèn)題，往往需要消耗大量時(shí)間成本，而故障出現(xiàn)的概率又是隨機(jī)的，無(wú)法預(yù)估具體的維修時(shí)間，當(dāng)遇到重大且難以處理的故障時(shí)，這對(duì)運(yùn)營(yíng)部門(mén)來(lái)說(shuō)面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)。

而全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的信號(hào)集中監(jiān)測(cè)功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，能及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)信息對(duì)設(shè)備故障情況進(jìn)行排查，故障定位簡(jiǎn)單、能精準(zhǔn)定位到板卡級(jí)，有效縮短了故障排查時(shí)間，節(jié)省了維修時(shí)間和成本。

3.6 系統(tǒng)擴(kuò)展

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的擴(kuò)展比較困難，需對(duì)繼電組合的聯(lián)鎖電路、電源環(huán)線(xiàn)等配線(xiàn)進(jìn)行修改，增加繼電器組合和組合架，對(duì)既有系統(tǒng)影響較大、系統(tǒng)擴(kuò)展難度大且系統(tǒng)調(diào)試周期長(zhǎng)。

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)、可擴(kuò)展能力強(qiáng)，只需要在聯(lián)鎖系統(tǒng)的軟件和接口上修改相應(yīng)的配置數(shù)據(jù)，并在機(jī)柜中增加相應(yīng)的電子執(zhí)行模塊即可，系統(tǒng)擴(kuò)展簡(jiǎn)單，對(duì)既有系統(tǒng)改動(dòng)少、影響小。

3.7 能耗情況

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)由于使用了大量的繼電器設(shè)備，在同一集中站的設(shè)備配置下，采用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)能有效減少繼電器的數(shù)量，因此，全電子聯(lián)鎖相較于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的電源供電容量需求降低，相應(yīng)的能耗也會(huì)減少，在一定程度上來(lái)說(shuō)采用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)可以節(jié)能。

3.8 技術(shù)趨勢(shì)

從聯(lián)鎖系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展角度來(lái)看，第四代全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)是繼計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)之后的又一次重大飛躍，未來(lái)將會(huì)成為主流發(fā)展方向。截至目前，已有多個(gè)廠(chǎng)家取得了全電子聯(lián)鎖的SIL4 級(jí)認(rèn)證，并成功在工程項(xiàng)目中應(yīng)用。

4 結(jié)論

綜合上述對(duì)全電子聯(lián)鎖和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展情況、系統(tǒng)架構(gòu)及特點(diǎn)的對(duì)比分析可知：相比于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在故障處理、日常維護(hù)、占用空間、系統(tǒng)擴(kuò)展等多方面有很大的優(yōu)勢(shì)，可以克服計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)存在的占用空間大、維修工作量大、維護(hù)難度高等問(wèn)題。近年來(lái)繼電器價(jià)格一直在上漲，也造成了投資成本的提高，而使用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在一定程度上節(jié)省了大量的人力和物力，有利于節(jié)約資源。

同時(shí)，全電子聯(lián)鎖雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)明確全電子聯(lián)鎖在城市軌道交通項(xiàng)目中的應(yīng)用尚處在起步階段，還未進(jìn)行全面推廣和使用。而且，全電子聯(lián)鎖雙套冗余的系統(tǒng)架構(gòu)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和投資成本，其防雷和防電磁干擾的能力有待提升，且各地方業(yè)主對(duì)該系統(tǒng)的認(rèn)可和接受程度也有待考量。但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，全電子聯(lián)鎖是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是未來(lái)主流的發(fā)展方向，相信在未來(lái)的城市軌道交通項(xiàng)目中一定能得到廣泛的應(yīng)用。