中小运量轨道交通全电子联锁系统应用研究

左飞

（中国铁路设计集团有限公司，天津300000）

1 引言

城市轨道交通在城市发展中起到举足轻重的作用，是国家“十三五”时期基础建设投资的重点方向之一。在国内，城市轨道交通项目在建和正在规划的城市已达50多个，逐渐形成以地下线路为主，地面线、高架线、轻轨、跨座式单轨、中低速磁浮及现代有轨电车等多种类型并举的快速轨道交通新格局[1]。中小运量轨道交通包括现代有轨电车、单轨、中低速磁浮等，具有运行可靠、舒适、节能、环保等特点，其作为城市新兴的一种先进公交方式，已完成了从传统到现代化的转变，在世界范围被普遍推广，充满了光明的前景。

2 中小运量轨道交通介绍

中小运量轨道交通是针对城市公共交通中、小运量而推出的一种全新轨道交通方式，其运能可达到30 000人次/h。同时，中小运量轨道交通占地面积小，建设周期和造价均比地铁低，项目建设可与地铁、公交巴士等公共交通错位发展、互为补充，有利于缓解交通压力，同时也能有效改善沿线居民的出行条件，提高公共交通系统的服务水平，在现有交通体系中，优化居民的交通出行方式[2]。

3 中小运量轨道交通联锁系统选型

中小运量轨道交通的运营需求和运营模式较地铁、轻轨等交通制式有很大区别，即需要保证安全，也需要资源整合降低造价，减少设备占地面积的需求，中小运量轨道交通联锁系统结构应尽可能简化，尽可能做到免维护，无人值守。

联锁系统从机械联锁控制、继电联锁（以6502为代表）到计算机联锁直至全电子联锁[3]，集成度越来越高，智能化水平越来越高，同时网络化、数字化的趋势越来越明显。全电子联锁执行的联锁逻辑与既有计算机联锁相同，在既有的计算机联锁基础上，取消了继电器接口部分，采用全电子模块来直接驱动轨旁设备的计算机联锁系统，简化了系统施工和配线的工作量，具有占用空间小、总投资低、维护工作量小、易扩展、高冗余性等特点。目前，已在宝成线、敦格线、咸铜线等国有铁路线的200余座车站中，应用效果良好。全电子计算机联锁和传统计算机联锁技术优势对比表如表1所示。

表1 全电子计算机联锁与传统计算机联锁技术优势对比表

4 全电子联锁方案

全电子计算机联锁系统一般由人机界面层、逻辑运算层、执行表示层及设备层、数据通信子系统，全电子联锁系统一般架构图如图1所示。联锁运算层一般继承了原有计算机联锁的功能，以及通过安全网络与ATP、ATO、ATS等外部子系统的通信接口；执行表示层接收联锁计算机产生的设备动作命令直接驱动室外信号设备，并采集室外信号设备状态转化为表示信息传送给联锁计算机的电子模块[4]。

图1 全电子联锁系统架构图

4.1 人机界面层

人机界面层为全电子联锁系统的人机操作界面，值班员与系统的交互对话通过鼠标以及键盘实现，完成值班员的操作命令，同时，把执行的结果显示在控制台上。中小运量轨道交通联锁系统不设置单独的控显设备，与ATS子系统工作站一体化设置。

人机界面层可配置ATS监控机、ATS监视机、维护监测终端等，实现整个系统的操作、显示、维护及与车站其他系统间的通信。值班员操作站采用主备配置时主备操作站具有相同的功能，但同一时刻只能一台工作站发出指令[5]。根据操作人员不同的权限将对应不同的功能界面，无权访问或无必要访问的功能和数据通过预先定义予以过滤。

4.2 逻辑运算层

逻辑运算层依然是整个全电子联锁系统的核心部分。它根据执行表示层采集送来的现场设备信息和人机界面层送来的操作命令进行联锁运算，然后，将联锁程序产生的输出控制信息经过执行表示层去控制现场设备。根据系统可靠性理论以及冗余容错技术中有关可靠性和安全性的定义，在设计中采取时钟校核电路来校核CPU时钟的方法来实现时钟同步[6]，并将结果实时比较，构成二取二结构，二者一致则CPU控制CAN总线输出控制命令，二者不一致则CAN总线停止输出，并产生相应的诊断信息。以此方式分别构成联锁A系和联锁B系，同时2个联锁系互为热备，共同构成二乘二取二结构。两重系在结构和扩展功能上完全一致，同时单系内2个CPU所装载的系统软件和应用软件也完全相同。常用的2种同步方式：时钟同步和任务级同步。

4.3 执行表示层

执行表示层是整个系统的执行控制核心，接收联锁计算机产生的设备动作命令直接驱动室外信号设备，并采集室外信号设备状态转化为表示信息传送给联锁计算机的电子模块[7]。

执行表示层主要由各种全电子执行单元构成，全电子执行单元取代传统计算机联锁系统中的输入输出I/O板和继电器执行组合电路，与联锁计算机相结合，完成了计算机联锁系统的末级控制和采集功能[8]。全电子执行单元通过安全通信方式接收安全联锁逻辑层中联锁计算机的控制输出命令，采用双CPU“二取二”工作模式，驱动和采集室外信号设备状态，实现对室外信号设备的控制、监督和监测。为提高可靠性，驱动和采集模块也采用了并驱并采的冗余设计方式。

全电子执行单元发生的任何故障不应导致轨旁设备产生危险动作，不应向联锁计算机传送可能导致危险的错误信息。全电子执行单元具备室外信号设备运行参数的采集功能，采集到的参数可通过通信通道传送到信号集中监测等其他设备。

4.4 关键技术

在设计上主要采用了以下关键技术：

1）系统采用了“二取二”安全结构，符合组合式故障-安全原理；将动态信号定义为有效信号，符合固有故障-安全设计原则；

2）采用多重可靠性冗余技术、安全硬件异构技术等安全技术设计，确保系统的高可靠性和高安全性；

3）对于一个单元模块控制多于一个现场设备时，这些控制功能互相独立；

4）系统采用独立的单元模块设计，模块之间没有相互联系，所有的逻辑运算功能均由联锁计算机完成；

5）与联锁计算机采用了双路网络总线接口，协议采用安全通信协议设计；

6）系统保持既有室外设备的电气特性（如道岔、信号机、轨道占用检查设备、紧停按钮等）；

7）系统融合了计算机通信，自动检测和网络连通等技术，实现了控制、执行、监测一体化智能控制[9]。

5 结语

中小运量轨道交通作为城市轨道交通建设过程中一个重要的组成分支，需要探索和实践的工程技术环节还很多。信号系统的构成应尽量减少室内设备的占地面积，采用轻量化、集成化的设备，采用全电子联锁系统是必然的选择。全电子联锁作为新一代信号控制的基础核心技术，具有既有联锁系统不具备的优点，为实现信号控制的数字化、智能化打下基础，必将取代现有的信号设备，在轨道交通的快速发展中有着巨大的潜力[10]。中小运量轨道交通采用全电子联锁方案是工程实施中比较可行的方案。