全电子计算机联锁的发展与规模化应用

陈亮

摘 要

本文结合全电子联锁的发展历程，总结了全电子联锁的特点，对当前全电子联锁规模化推广应用进展比较缓慢的原因进行了分析，阐述了全电子化后对传统计算机联锁的工程范围、施工调试、维护管理等各方面的影响。

关键词

全电子计算机联锁;联锁系统

中图分类号： U284.362                       文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.004

Abstract

Combined with the development of full-electronic interlocking， this paper summarizes the characteristics of full-electronic interlocking， analyzes the reasons for the slow progress of the popularization and application of full-electronic interlocking on a large scale， and expounds the influence of full-electronic interlocking on the project scope， construction commissioning， maintenance management and other aspects of traditional computer interlocking.

Key Words

Full-electronic Computer Interlocking System

1 全電子计算机联锁发展历程

铁路信号技术最早可以追溯到1841年英国采用的臂板信号机，在1856年出现了机械联锁装置，随后经历了一个漫长的发展过程，于1978年在瑞典哥德堡开通了第一个计算机联锁车站[1]。同期，中国在20世纪70年代实现了从机械联锁到继电联锁（6502）的转变[2]，并于1984年开通了第一个计算机联锁加继电器接口轨旁设备的联锁系统，至今主流的计算机联锁系统仍然保持着该模式。

在国外，几家电子技术实力比较强的信号厂商，如西门子、ABB和京三，先后采用了全电子化接口的计算机联锁系统，体积小、安全可靠性高，深得用户认可。我国从1996年开始研制全电子联锁技术，1999年被纳入铁道部《铁路科技发展计划项目》，并于2000年1月通过铁道部技术审查。该系统从2001年开始，先后在信阳电厂、襄樊北机务段整备场投产使用。然而在接下来的十几年期间，发展一直比较缓慢，基本上都是在地方铁路或支线铁路上应用。随着我国高铁应用的日趋广泛，对设备可靠性和安全性要求越来越高，网络化、智能化已经成了当今铁路信号发展的主要趋势。全电子联锁低故障、易维护、高集成的优点，正好契合了这个要求。在《铁路车站计算机联锁技术条件》[3]中，已经将电子执行单元纳入管理。目前正在规划研究的列控-联锁一体化系统，已经明确要求可通过全电子执行单元对轨旁设备进行控制。

2 全电子计算机联锁系统结构和特点

全电子计算机联锁系统，联锁运算部分与既有计算机联锁是完全相同的，其主要区别在于执行表示部分。全电子联锁系统结构如图1所示。

目前国外的全电子执行单元基本上是单系结构，一个模块控制一个轨旁信号设备。这样的配置如果单个模块发生故障了，将会影响运营。我国早期的全电子执行单元也基本上是单系结构，近来，随着信号系统对可靠性的要求不断提高，大多数信号企业均已开发出了冗余的电子执行模块。电子执行模块的冗余技术要求比较高，并且根据其特点不同，有采用主备切换技术设计，也有采用并驱并采技术进行设计的不同方案[4]。

各电子执行模块通过冗余的通信模块与联锁机进行通信，通信模块具备冗余的通信通道，根据电子执行模块与联锁机所处位置和距离，可采用光纤方式进行通信。由于采用了网络化的结构，电子执行单元也可根据需要直接就近放置于轨旁，只要铺设好通信通道即可。

电子执行模块一般是采用2取2的组合故障安全技术进行设计。由于采用了微电子技术，可以对模块各元器件进行智能检测，在设备故障时给出精确的故障诊断信息。电子执行模块既可对轨旁设备进行控制，比如控制转辙机的动作、信号机的开放和关闭，又可以对轨旁的设备状态进行监视，通过采集轨旁设备的模拟量信息，判断这些设备的表示以及健康状态。

相较于传统的继电器接口方式，全电子化的接口具有很多优点：

高安全性：

全电子系统对联锁输出命令和执行返回状态进行校核，使整个系统具有更高的安全性。全电子系统在一定程度上缓解了使用封连线带来的安全问题。全电子系统减少了中间的施工环节，利于在工厂进行集成，减少了原来施工中容易出现的错配线等安全隐患。

高可靠性：

全电子系统支持热插拔，允许用户不关闭系统，进行执行单元更换，确保了系统不间断工作。配线简单，降低了继电电路施工配线容易发生错误及接点虚焊的问题，大幅缩短了施工周期，提高了施工质量。可规避继电接口混线、断线的故障。可规避继电接口时接口电路非冗余的低可靠性问题。

维护便利：

完善的自检设计，故障定位更加精确。热插拔设计，方便维护。接口简单，维护容易。

小空间，低投资：

插卡式设计，体积小巧，节约机房面积，减少施工调试成本。

易扩展：

模块化设计、网络化的结构，适用于不同规模不同配置的车站应用，并能满足远程集中控制、模块自由分散设置的用户需求[5]。

3 全电子联锁规模化应用现状

如前文所述，全电子联锁有着许多优点，小空间、低投资、少维护、易扩展、高冗余，任何一条都是十分有吸引力的，而为什么至今为止，全电子联锁仅仅是在支线铁路，甚至多数是地方或矿山铁路应用呢？

首先，缺少明确的规范。在TB/T 3027-2015《铁路车站计算机联锁技术条件》修订之前，没有任何地方提及全电子联锁的技术要求。而TB/T 3027-2015《铁路车站计算机联锁技术条件》虽然将全电子执行单元纳入，并无详细的规定。无规矩不成方圆，铁路信号是个非常严谨的行业，是关系到亿万人民群众出行安全的行业，因此，在规范不明确的情况下，不可能进行大规模的推广。

其次，一项新的技术从出现到成熟运用需要经验积累。全电子联锁起源于国外，然而全电子执行单元直接控制着轨旁的设备，国内外的轨旁设备有很大差异，在轨旁控制要求上也不同，比如国外的道岔电路基本上是驱动和表示分离的，而国内为了节省电缆，多数是共用接口的。因此没有办法直接借鉴国外的经验，一切要從头开始。

再次，信号行业没有准备好全面接纳全电子联锁。从意识层面，很多信号专业人员感觉没有了继电器的隔离，心里不踏实。在设计方面，不同厂家的全电子模块都不同，尚缺乏统一的标准，因此不能像设计传统的继电器接口那么得心应手。在维护使用方面，面对微电子智能电路，信息看不见、摸不着，以前积累的维护经验毫无用武之地，尤其是室内外结合电路，以往根据室内各继电器状态或监测的不同点电压就能判断出故障点，换了全电子后感觉无从下手。

4 全电子联锁进一步规模化推广应用的工作

目前，政策层面已经有了利好消息。正在讨论的列控-联锁一体化的技术规范中，已经明确了将可以采用全电子执行单元作为轨旁设备的接口，并且对全电子执行单元的功能和接口设计都做了较详细的规定。随着一体化的试点，意味着高铁的大门已经为全电子打开了。城市轨道交通协会也已经着手修订相关的技术规范，拟在地铁中纳入全电子联锁设备。广州、深圳、杭州等城市，已经规划了若干试点项目，距离全电子在地铁正线上运用已经不远了。

各个信号厂商纷纷拿出了自己的全电子产品，积极在支线铁路和厂矿企业进行试验，收集现场数据，积累应用经验，为规模化推广做准备。

全电子模块特点是跟所连接的轨旁设备功能密切相关，因此，几乎没有办法像以前继电器接口那样，只要一块驱动板，一块采集板几乎就可以包打天下。比如一个转辙机控制模块，要包含电机驱动功能、电流采集功能、电压采集功能、相序判断功能，波形判断功能等等，要实现以往道岔电路中各种技术要求，比如一旦启动要转动到底，到位之后自动停转，控制和表示的互锁，随时可以向相反方向转动等等，麻雀虽小五脏俱全，一个模块就是一个系统。尤其是不同模块功能不同，能够重用的部分几乎很少。这就导致全电子模块的成熟稳定会比较慢，需要大量的应用经验，需要不断的修正和改进，才能满足铁路信号产品高安全、高可靠的要求。

全电子模块另外一特点是直接连接至轨旁设备，容易引入室外高压浪涌冲击，因此安全隔离防护要做到位。传统的计算机联锁有继电器接口作为隔离，电子设备与室外的高压、强干扰有着较强的隔离空间，能够保持工作稳定。有鉴于此，全电子设备在防护雷电冲击、浪涌保护、混线混电（尤其是高压电）、电磁干扰和辐射等各方面，形成一个多级防护系统，在最不利的情况下，保证将故障的影响缩小到一个足够小的范围内，在最坏的情况下，仍保证故障导向安全。

在设计层面，不同信号生产厂家的电子模块功能分配和接口有所差异，因此在工程设计中无法完全统一。由于现状是先有产品，再有标准，各个信号厂家的产品是依据自己的经验和适合自身产品的架构需求，进行的功能分配，这就导致标准没有办法将所有细节都统一。比如有的厂家一个道岔模块控制一个设备，有的是控制两个设备，有的信号机是按照灯位灵活组合控制，有的是按照功能不同，固定灯位控制等等。不过考虑到在国内，各个厂家产品首先要满足对既有设备的接口兼容，因此，从电源供电、轨旁设备接口、雷电防护、基础的维护要求方面进行统一，其他设计细节保持各自的自由。

全电子规模化应用，需要在各种配套方面进行大量工作。全电子化之后，对施工招标的范围有较大影响。机房面积和空间布局的改变，电源供电和走线的改变，增加了电子机柜，减少了组合柜和配线，施工标准改变，设备调试内容和方式改变。对计算机联锁设备提供商的改变主要体现在设计、生产和现场调试等方面。电子模块是和轨旁设备特性相关的，以往不太关注的转辙机类型、信号机特性、轨道电路特性、电码化编发码逻辑等等，在设计初期都要进行详细了解，根据实际情况对模块参数进行设置。全电子模块和相关机柜的出厂调试与以往也有很大差别，要配置相应的电源和仿真负载，做好配线和功能的校验工作。现场调试不仅仅是核对码位，还要进行参数的调试与检验，报警的校核等。由于条件所限，很可能现场的实体设备不具备接入条件，无法完成联锁系统的功能调试，这就需要准备相应的仿真负载。在维护方面，充分结合电子模块自身的智能诊断与其他系统如微机监测的相关信息，进行综合的分析，从而实现对包括全电子设备和轨旁设备的快速故障定位和维护管理。

5 结语

总之，全电子联锁从蹒跚起步，到逐渐规模性推广应用，目前已经到了十分关键的阶段，大到政策引导、规范跟进，小到模块配置、工厂和现场的参数调整，从设计、生产制造、数据准备、安装调试、维护管理，全生命周期内均将对联锁系统带来深远的影响。

参考文献

[1]K Akita，H Nakamarn.Safety and fault-tolerance in computer-controlled railway signalling system[J].Dependable Computing for Critical Applications，Dependable Computing and Fault-Tolerant Systems.1991（4）：107-131.

[2]魏文军，范多旺.铁路车站全电子计算机联锁系统的研究与设计[J].自动化与仪器仪表，2007（03）：19-22.

[3]中国铁路总公司. TB/T3027-2015，计算机联锁技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2015.

[4]李卫娟. 全电子执行单元冗余设计方案探讨[J].北京，铁道通信信号，2016，52（7）：11～13.

[5]田贾明，刘红燕.全电子模块化计算机联锁系统探讨[J].科学之友（B版），2009（10）：112-113.