基于CAN的全电子计算机联锁系统设计

海小娟

（西安文理学院信息工程学院，陕西西安710065）

对于铁路车站信号设备及其相关控制系统的布置设计而言，安全性永远是排在首位的，也是最需要关注的重点内容。近些年，随着经济社会的繁荣发展、铁路交通与信息技术的持续进步，在这种新局面下，铁路信号系统对于功能要求越来越高，相应的也就加大了整个铁路信号系统的复杂程度。因而，对于整个铁路信号设备与运行控制系统的安全性和可靠性提出了更高层次的标准。通过近些年国内外的相关研究并结合着我国在该领域的发展建设应用实际来看，全电子计算机联锁系统就属于一种安全系统，尤其是其信号模块，与当前铁路车站信号设备对于技术嵌入的标准要求基本吻合。而CAN总线则是一种当前该领域应用相对完善的一种高可靠性场合的串行现场总线，它的最大特点就是抗干扰能力强、实时性高、数据传输有保障。除了上述提到的列车车站外，还被广泛应用于微机监测、机车车辆等系统[1]。

1 全电子计算机联锁系统结构

1.1 系统结构

信息技术的发展，迫于新技术研发与技术体系的创新变革需要，软件规模也在不断增大。在这种新局面下，软件的复杂性在提高，相应的整个控制程序与运行系统的复杂性也在不同程度的提升。一旦某一个控制环节出现问题，即软件在运行的过程中出现一些技术上的缺陷，所造成的危害往往是非常突出的。正因如此，计算机联锁系统已经被广泛应用于铁路运输软件控制系统之中。

具体来看，计算机联锁系统的安全性与可靠性是对计算机联锁性能进行验证的主要依据[2]。所以，对于计算机联锁系统设计所选择的设备，必须是能够进行和满足连续工作的一套系统。只有如此，才能进一步满足铁路运输和轨道交通高效与安全运营等要求。总之，在全电子计算机联锁系统架构的设计中，最为关键的一环仍是安全性能的设置。关于联锁系统安全性能，即联锁设备无论是在什么情况下运行，或者运行的过程中无论发生了什么样的问题故障，都要最大限度的确保不能有任何的危险因素危及到整个列车的运行安全。总之，该系统的存在目的就是规避风险故障的发生，在规定的时间、条件下来完成规定功能的能力如图1所示。

图1 全电子计算机联锁系统结构

从上述图1中可以清楚的观察到，联锁逻辑运算部分采用的是冗余二取二结构安全平台。此外，还可以看到，在安全平台之间可进一步通过冗余光纤通道实现同步。再者就是系统中的执行部分，如结构图所示，此次采用的是全电子执行单元，主要包括五大功能模块。第一，通信网关；第二，道岔单元；第三，信号单元；第四，轨道单元；第五，零散单元。所有的模块均按照站场来设计[3]，如此一来，便可更加灵活的安装在独立插箱中，进而将每一个模块做电子化处理。每一个电子模块均可以通过专属的电务维护CAN总线。

1.2 运行分析

就目前我国国内基本发展态势来看，大部分车站采用的6 502电气集中联锁系统和传统计算机联锁系统，以上这两种属于现阶段应用比较多的两类。从嵌入式技术及其执行层面上来看，无论是6 502电气集中联锁系统还是传统计算机联锁系统，均采用了大量的重力式继电器。在这种情况下，所存在的问题也是非常的突出。例如，继电器信息单一、故障定位困难、后期维修工作量大、使用寿命短等技术缺陷。当然，随着电力电子与通信技术的快速发展，全电子计算联锁系统必将成为今后该领域技术研发的主流方向。正如上述图2-1结构框图所示，通过实现全电子化，改进原有的技术缺陷，创新新的运行路径。

2 全电子计算机联锁系统

2.1 技术优势

关于全电子计算机联锁系统的结构，上部分内容中也较为详细的阐述过了。总之，全电子计算机联锁主要是以计算机控制技术作为核心，以电子开关技术、计算机通信技术以及自动监测技术作为系统搭建和实现的基础保障。当然，尽管其为全电子控制系统，但是在内部各节点的设置上，仍需要根据不同的情况来进行。比如以系统内部各区块功能的不同来划分，即可划分为3个层次面。第一，系统的上位机部分，也就是人机交互层；第二，系统的中间控制部分，即联锁控制层；第三，系统的执行部分，即全电子执行单元，所采用的是I/O接口层设备。以上3个核心性部分，相互之间实现连接，包括上位机与联锁机之间的连接、联锁机与执行单元之间的连接、执行单元与室外设备之间的连接，最终搭建组成了一个具有三目标层次的实时控制系统。

几大不同功能与执行控制的电子模块，包括对参数任务的执行、对数据信息的采集、对业务流程的监测、对系统安全性的保护等[5]，通过实现各电子执行单元控制、监督、监测一体化，以此来起到强化联锁机指令的下发强度和执行力度。比如对于故障的维护检修这一块，它可以通过监测痛通道向维修机提供轨道电压、道岔电流、道岔动作时间等宝贵的数据信息，且准确、及时。

2.2 工作原理

关于全电子计算机联锁系统的工作原理，继续结合着上述图2来看。笔者以为，最核心的部分集中体现在两个层面，第一层面是命令执行的过程，第二层面是信息反馈的过程，如图2所示。

图2 计算机联锁系统工作原理

从图2中可以清楚的观察到，包括命令执行过程和信息反馈过程，所起到的最大功能作用就是对故障的报警。比如，当整个系统出现不良故障的时候，在第一时间报警提示该岗位的工作管理人员。此外，还可以对系统的操作、运行、故障等情况更加详致的查询，并通过打印将图形再现。如此一来，便可在很短的时间内迅速为维护故障现场和分析故障的原因提供可靠的依据[6]。如图2所示，该系统的整个工作流程，首先是命令执行。以某列车车站为例，车站操作人员根据站场的显示，以及调度命令的要求，通过利用该控制系统上位机来操作上级下发的相对应的指令。比如，先排进路、单操道岔等。当该步骤完成之后，上位机便会接收到操作人员的操作命令，然后就可以以固定的命令格式进一步传送给联锁机。当然，并不是操作人员操作的所有命令都会发送出去，因为上位机不仅承担着传送命令指标的任务，也会对命令进行简单的判断，对于判定不成立的操作命令，实际上是不予发送的。其次是信息反馈。在全电子计算机联锁系统中，每一个执行单元模块均时刻处在工作运行的状态，这样可以及时、高效的采集到室外设备的状态。完成之后，便可进一步通过通信的方式将这些信息数据传给联锁机。联锁机接收到这些信息之后，会在很短的时间内对其进行存储。存储信息的目的也非常明确。其一，作为后期联锁处理的依据；其二，将该信息发送给上位机，这样可以让上位机对站场进行实时显示，最大限度的保障系统的“故障-安全”。

2.3 功能实现

关于系统功能的实现，笔者以为，需要切实做好两个方面的保障。第一项，多通信节点的问题处理。关于此次计算机联锁系统的设计，前文中已经明确的提及过了。正是因为在全电子计算机联锁应用环境下，更需要多加考虑CAN总线的节点通信问题。因为该项问题如若被忽略掉，极有可能引起另一层问题，即第二项问题，系统通信实时性与数据传输可靠性的问题。

图3 安全平台与执行单位通信结构

如图3所示，此次全电子计算机联锁系统的设计容量初步设定为150组道岔规模的站场。其中，关于道岔、信号、轨道等各模块的数量，在这里全部按照1：2：2这一比例来估算，共32个插箱，大约可以接入其中五百个电子模块。该系统功能网络为二级网络，这一点上述已经阐明过了，网格结构为32×16，这样可以最大限度的满足设计容量需求。

3 结束语

全电子计算机联锁系统是计算机联锁的一种，它是指始终以计算机控制技术作为系统运行与优化布局的核心，并最大程度的嵌入电子开关自动监测技术。以此为基础，基于CAN总线通信建立在软、硬件双重防护下的新一代铁路信号控制设备。关于本次专题研究，从中再一次发现，CAN总线通信非常适合高可靠性的应用场景。如上述图1，2，3结构图所示，它的最大优势就体现在对数据传输的可达性，以及故障后自动脱离总线的特性。

参考文献：

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[2]唐田田.计算机联锁系统软件可靠性设计方法应用研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[3]袁湘鄂，段武，等.计算机联锁系统[M].北京：中国铁道出版社，2015.

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