高速铁路车站计算机联锁技术.doc
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1、第三章 高速铁路车站计算机联锁技术第一节 车站计算机联锁概论 控制车站内的道岔、进路和信号机并实现它们之间联锁的系统称为车站信号联锁系统。车站信号联锁系统是保证站内行车安全,提高铁路运送效率,改善行车人员劳动条件的重要技术装备。像其他技术同样,车站联锁系统也是随着科学技术的进步以及铁路运送发展的需要,在不断的更新和发展,其发展过程已经经历了机械化联锁、机电联锁和电气集中联锁几个阶段,目前正逐步向采用计算机联锁阶段过渡。 一、计算机联锁的功能及特点 (一)国内外计算机联锁发展概况 基于布线逻辑的继电集中联锁装置,自1927年问世以来已经统治了70数年,社会在发展,技术在进步,作为以技术手段实现联
2、锁的车站信号自动控制系统也在不断地发展和完善。在进入电子时代以来,世界上一些技术发达国家相继开展了电子联锁装置的研究,但是真正采用通用计算机构成联锁控制系统并在铁路运营车站上使用,还得从1978年计起。1978年,由瑞典ABB公司研制的世界公认的第一套计算机联锁系统在哥德堡站开通使用,极大地推动了各国计算机联锁的研制和使用,计算机联锁系统的技术性能日趋成熟和完善。进入20世纪90年代,不少国家已开始大面积推广应用计算机联锁系统,如日本、英国等许多国家已制订技术政策,此后不再发展继电联锁。 现将世界上重要技术发达国家的计算机联锁系统在技术和应用方而的情况概括如下: (1)瑞典 瑞典计算机联锁的发
3、展分为三个阶段:第一个阶段采用的典型产品为EBILOCK750系统,其特点是信号机和道岔的控制器件仍由继电器来完毕,保存了轨道继电2S:第二个阶段是采用无接点方式的电子器件控制信号机和道岔,仍保存了轨道电路;第三个阶段则实现了全电子化控制,典型产品有EBILOCK 850系统和20世纪90年代初期开发的EBILOCK950系统,控制电路、轨道继电器均采用无接点方式的功能块。瑞典的计算机联锁系统在结构上均采用分散控制方式,采用双机热备、单机运营双套软件来提高整个系统的可靠性和安全性。 (2)英国 计算机联锁在萸国又称为固体联锁(SolidStateInterlocking,简称SSl)。1985
4、年,SSI系统初次在明斯顿车站正式使用该系统采用分散三级控制方式,为了保证系统运营的安全性和可靠性,采用三取二表决的模式。系统中参与表决的模块运营单套软件,每一模块与其他两个模块的运算结果相比较以校验自身的运算结果。目前,SSI系统已在国内外数十个车站安装使用。(3) 德国 德国于1979年决定研制计算机联锁。西门子公司以SIMIS系统为核心构成车站联锁控制系统,第一套系统于1985年在慕尼黑一米腾瓦尔特区段的姆尔瑙(Mulmau)站交付使用。SIMIS系统从初期的SIMIS-B型(8080CPU)、SIMIS-C型(8085CPU)、SIMIS3116、SIMIS3216、SIMISE型(8
5、0386CPU)、SICAS型(Siemens Computer Aided Signaling)已发展到目前正在开发的SIMIS-W型。前几种SIMIS型号为双机比较后输出,采用硬件比较器;后两种型号同样采用SIMIS故障一安全原理,但为三中取二表决,至少两个机器输出一致,才干驱动输出。 (4)日本 日本的计算机联锁最早开通于1985年,至今已安装使用了200多个车站。日本研制的计算机联锁产品重要有SMILE工、型和K、N型五种类型,重要生产厂家是日本信号公司、京山制作所和大同信号公司。 (5)美国 美国开发的计算机联锁产品重要有通用信号公司(GRS)的VPI安全型系统和联合道岔与信号公司(
6、US&S)的Microlock系统两种。这两种制式目前大部分用在单机运营状态,系统的安全性则是由主机系统中的“安全逻辑”得到保证的。目前VIP系统安装使用了数十个车站,Microloek系统也正式投入使用。 我国计算机联锁的研制始于1983年,一方面用于路外。第一套系统安装在南京梅山铁矿井下200m深处有24组道岔的运送线车站上,1984年投入运营。这类性质的车站联锁关系比较简朴。此后,根据地面铁路车站复杂运送作业的规定,研制开发了合用于地面厂矿铁路的计算机联锁设备,并于1986年7月在太原钢铁厂配料站一方面得到使用。随着计算机联锁设备在工矿公司的推广使用,其性能不断完善提高。在正线甚至干线铁
7、路上,最早是由卡斯柯信号有限公司(CASCO)从美国通用铁路信号公司(GRS)引进,并结合我国铁路实际运营技术条件开发出VPI安全型计算机联锁系统。第一套系统安装在广深线的红海站上,于1991年11月投入运营。它的开通开创了计算机联锁技术在干线车站上运用的先例。此后,国内其他一些单位也相继开发出合用于运营车站的计算机联锁设备。铁道科学研究院的车站计算机联锁系统是在峰尾微机集中基础上研制开发的,第一套联锁系统安装在哈尔滨的平房站,于1993年10月正式开通使用。通号总公司研制的车站计算机联锁控制系统,于1994年1月初次在南京分局浦口到发场开通使用。 十几年来,国内计算机联锁从路外到路内,从小站
8、到大站,从支线到干线,从中间站到编组站发展十分迅速。据不完全记录,至今全路(不涉及路外)已有百余个车站使用各种计算机联锁设备。其中,铁科院研制的TYJL-型双机热备系统、TYJL-TR9型三取二容错计算机联锁系统已于1997年12月通过铁道部的鉴定;北京全路通信信号研究设计院研制开发的DS6-11型双机热备系统和DS6-20型三取二系统也于1999年1月通过铁道部鉴定由此可见,计算机联锁已成为我国铁路车站信号设备的发展方向。可以认为,随着技术的进步和铁路运送现代化规定的不断提高,计算机联锁设备必将成为继电联锁的换代产品。 (二)计算机联锁的功能及其优越性 计算机联锁系统是一种以计算机为重要技术
9、手段实现车站联锁的系统。因此,它不仅具有继电联锁设备的联锁控制功能,并且运用计算机的快速信息解决能力和储存能力,可方便地实现继电联锁设备难以实现的一些功能。 1联锁控制功能 计算机联锁系统的联锁功能是与继电式电气集中相通的,能根据车站行车安全的需要,在规定的联锁条件和规定的时序下自动对进路、信号和道岔实行控制。具体涉及:(1) 进路的控制。涉及列车进路和调车进路的选排、锁闭和解锁;引导进路的控制等。行车进路的办理方法和继电联锁设备办理方法基本相同,仍沿用按压双按钮才形成操作命令的规定,这样可避免因误动一个按钮而产生错误操作命令的也许。一些系统为办理慎重起见,对原铅封按钮的相应办理作了一些改动。
10、如采用数字化仪操作,相对于原铅封按钮点压后,屏幕将提醒输入口令,点压口令后,操作才被执行。 (2)信号的正常开放、关闭、人丁反复开放以及防止自动反复开放。 (3)道岔的单独操纵、锁闭和解锁。 此外,通过在联锁软件中增长相应的功能模块,再加上少量的硬件电路,系统可进一步实现6502电气集中一些特殊电路的联锁功能。例如:非进路调车控制、平面调车溜放控制、站内道口控制以及场间联系等。 2显示功能 计算机联锁系统采用大屏幕显示器取代6502电气集中表达盘,可以向操作人员提供更加丰富、直观的显示信息。具体涉及: (1)站场基本图形显示。 (2)现场信号设备状态显示。重要有道岔的定、反位和四开位置;道岔单
11、独锁闭和封闭状态;信号机的开放和关闭状态,灯丝断丝也能表达出来:轨道电路区段的空闲、占用、锁闭状态,一般用不同的颜色代表不同的含义。 (3)值班员按压按钮动作的确认显示。 (4)联锁系统的工作状态、故障报警显示 (5)时钟显示,必要的汉字提醒等等。 3记录存储和故障检测与诊断功能 运用计算机的信息解决能力和存储容量大的优点,计算机联锁系统为实现系统维护、行车管理自动化奠定了基础。这重要体现在, (1)系统可准时间顺序自动记录和储存值班员按钮操作情况、现场设备动作情况和行车作业情况。电务维修人员只需根据功能菜单提醒,按压相应的功能键,将前一段时间内的系统运营状况或作业情况按规定格式显示出来,作为
12、查找故障、分析事故的参考。这些信息也可以由打印机打印出来。 (2)提供图像再现功能,即系统可将前一阶段储存的数据以站场图形方式显示在屏幕上,按照实际操作和车列运营情况再现出来,以便更直观的查找故障及分析问题。 (3)实现进路储存和自动办理,可进一步提高车站行车作业效率。 (4)具有集中监测和报警功能。这重要体现在两个方面:是联锁系统的自检测功能,当系统自身出现故障时,维护人员可通过屏幕提醒的错误号判断、查找故障;二是对信号机、道岔转辙机、轨道电路等现场设备的工作状态进行集中监测,一旦发现故障,及时记录并报警。监测和报警的具体内容,可根据维修需要,全天候或定期对主体信号设备的参数进行测试、分析、
13、判断,超限时及时报警。 4结合功能 这里所说的结合功能是指计算机联锁系统运用标准化的通信接口板,网络接口板以及标准化的通信规程,可直接与现代化信息解决系统相联结进行数据互换。 与传统的继电联锁相比,计算机联锁在技术和经济上的优越性: 1在技术上 (1)进一步完善了联锁控制功能。由于计算机联锁系统完全摆脱了继电联锁系统的网络结构,因此,在技术上可以用较少的硬件投资和发挥软件的作用,较容易地克服网状电路难以解决的一些问题。例如,可以防止由于轨道电路分路不良导致的漏解锁:对接近区段小车的跳动,可以防止错误取消进路:对信号继电器、锁闭继电器前接点的粘连,系统可以及时检出并报警等等。此外,在进路控制方式
14、上,计算机联锁系统为实现进路储存和自动办理发明了条件。 (2)可靠性、安全性高。计算机联锁系统可以最大限度地运用软、硬件资源,对直接危及行车安全的联锁逻辑解决和执行表达环节采用冗余及其他容错技术,从而保证整个系统的可靠性和安全性指标比继电联锁系统高。 (3)灵活性大。计算机联锁系统无论是硬件还是软件均采用标准化、模块化结构,不同规模和作业性质的车站或站场,只需要编制一些站场数据,选用功能不同和数量不等的模块组装即可。当站场改扩建时,计算机联锁系统用修改数据的方法,几乎刁;需要变更既有电路和联锁程序就能满足需要。 (4)便于系统维护。计算机联锁系统大部分是电子设备,这些电子设备没有机械磨损,所以
15、平常维修量小。此外,计算机联锁系统往往具有完善的监测和故障诊断功能,便于维修人员分析查找和及时排除故障。 (5)便于与其他计算机化系统接口。 2在经济上 (1)可以减少设备投资成本。继电联锁系统的联锁机构是以铁路专用的安全型继电器为重要部件,而采用计算机联锁系统,联锁机构完全由计算机系统取代,这样可以大大减少继电器的使用数,从而减少设备费。此外,室内外设备之间的联系若采用公共传输通道,则可进一步减少:厂线电缆的费用。(2) 重量轻、体积小,可节省基建费用。 此外,计算机联锁系统的标准化限度远高于继电联锁系统,不仅可以缩短设计,制造、施工周期,有助于减少设计、施工、维护费用,并且可以从减少对行车
16、的干扰方面取得明显的经济效益。 (三)技术实现特点 计算机联锁系统在技术实现上重要有以下一些特点, 1人机对话设备已由传统的控制台、控制盘、改为数字化仪、键盘或鼠标加大屏幕显示器等,使得系统操作简便,显示清楚、直观,显示内容更为丰富。 2系统软、硬件设计所有采用模块化结构,可根据车站作业规定和车站规模的大小增减模块,灵活适应不同站场的需要。硬件模块连接采用接插件结构,力争提高系统的可维护性。 3采用高可靠、故障一安全硬件结构。通常与联锁有关的计算机模块采用冗余比较或多数表决的方式实现系统的故障一安全保证,并采用双重或三重系统不断顿故障重组技术,提高系统的可靠性和可用性。 4联锁软件设计为双程序
17、比较,两套程序采用分层结构,程序和数据运用冗余编码技术,使得故障在每一层都得到检查,将危险侧故障最终降到最低限度。 5在信息传输方面,采用同步或异步通信方式,对传输的信息采用特殊的编码和反复发送等冗余技术,保证信道的安全可靠。 6为了提高系统运营稳定性,采用了一系列的抗干扰措施,如电源进线采用隔离变压器和高抗干扰稳压电源,外部设备和计算机之间采用光电耦合,保证系统不受干扰影响。 7系统功能齐全,除联锁控制功能以外,普遍尚有显示、检错、诊断、储存记录等功能。 8预留有与其他自动化设备相连的接口。 此后,随着计算机通信技术(涉及光缆通信和网络通信等技术)的进一步发展,计算机联锁系统自身将不再是一个
18、孤立的车站信号联锁设备,而是综合行车指挥控制系统的一个重要组成部分,是具有多种功能和安全保证的行车指挥系统的一个基础设备。通过各种制式的联锁总线、局域网、广域网实行多层次控制,使控制范围扩大,减少投资,并可与运营图管理系统联网,根据调度计划实现进路程序控制,还可与旅客向导服务系统、车次号跟踪系统联网,构成全方位的计算机综合自动化控制、管理系统。 二、计算机联锁系统的基本结构以微型计算机为核心构成的车站联锁控制系统,由于其控制规模的大小不同,功能的完善限度不同,技术实现方法经济因素以及研制的技术背景和历史背景的不同,尽管在具体结构上存在着一定的差异,但大体上可从层次结构和冗余结构两个侧面来描述。
19、 (一)系统的层次结构我们知道,车站信号联锁系统实质上就是以技术手段实现进路控制的系统联锁系统从操作到监控对象的进路控制往往可以分为人机对话层、联锁层和控制层,如图631所示。 人机对话层:是指操作人员向联锁系统输入操作信息和接受来自联锁系统表达信息的一层。 联锁层:是指系统中实现联锁功能的一层。 控制层(也称做执行层):是指对室外的道岔、信号机以及轨道电路等信号设备进行控制和采集其状态信息的一层。所谓层次结构,就是按进路的控制层次来描述系统的结构的。在计算机联锁系统中,假如由一套微型计算机统一地完毕上述各层的功能,则可把这类系统划为单模块集中式控制结构;若在系统中相应不同层次分别设立计算机,
20、各层的功能分别由各自的计算机来解决,则将该系统划为多模块分散式控制结构。 1集中式控制结构 集中式控制结构的特点是联锁系统的各层功能,涉及联锁控制功能、显示功能、监测与报警功能以及与其他系统联系的功能等均由同一台计算机完毕,其结构框图如图12所示。 从图632中可以看出,这种结构相称于用计算机取代了我国电气集中系统中的网络部分。系统由室内设备和室外设备两大部分组成。室内设备涉及值班员控制台、联锁解决机、输入输出接口以及电源设备等;室外设备重要是指被监控的现场信号设备。 (1)控制台 控制台是计算机联锁系统进行人机对话的设备,重要伙值班人员办理行车作业,实现对现场信号设备进行控制和监督。该设备一
21、般设在车站值班室内。 计算机联锁控制台既可采用控制与表达合一的单元式控制台,如电气集中控制台:也可采用分离式控制台,如操作设备采用站场形按钮盘、数字化仪、键盘或者鼠标器,而表达设备采用屏幕显示器。后者较前者往往具有体积小、操作简便、显示直观、价格便宜等优点,减轻了值班员的劳动强度,改善了工作环境。 计算机联锁应用多媒体技术,其视听效果进一步改善了人机交互界面,使值班人员在操作过程中感到生动、形象、直观、逼真乃至如身临其境。 (2)联锁解决机 联锁解决机简称联锁机,它是计算机联锁系统的核心部分,一般要完毕所有的数据解决以及与控制台和现场信号设备的信息互换。具体涉及: 接受并解决值班员的按钮或按键
22、操作信息; 通过输入口接受现场信号设备的状态表达信息; 进行联锁逻辑运算,形成用以控制道岔或信号机的控制命令; 通过输出口驱动动态继电器,进而控制道岔控制电路和信号机点灯电路; 向控制台表达盘或屏幕显示器输出各种表达信息。 此外,联锁机还要完毕系统自身的故障诊断功能,以便为电务维修提供服务。当系统需要与其他自动化系统联系时,也是由联锁机实现系统之间的信息互换的。 在这里,联锁机及其软件所承担的联锁逻辑解决任务相称于电气集中的逻辑电路,但是后者是由故障一安全逻辑元件继电器接点组成的。联锁机则不然,它在运营中不能保证故障安全性能。因此,在系统的设计中必须考虑可靠性和安全性。 (3)输入输出接口 它
23、是联锁机和现场信号设备之间实现信息传递和变换的通道一般分为状态信息输入口和控制命令输出口两种。联锁机通过输入口采集现场信号设备的状态信息,通过输出口输出控制命令,控制现场信号设备动作。 由于现场设备的状态信息为参与联锁逻辑运算的基础数据,该信息的对的与否,将直接影响到联锁运算的结果,从而关系到行车安全。例如,某一股道有车,由输入口输入股道占用信息时,由于接口电路自身出现故障而错成无车信息,那么往这一股道接车的控制命令就有也许通过联锁程序的执行而被输出,从而导致重大行车事故。故规定输入接口是故障一安全的。同样,为了不使信号机错误开放、道岔错误动作,规定输出接口也是故障一安全的。 (4)电源设备
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