基于目标控制器的铁路应急响应系统方案研究

卡斯柯信号有限公司 陈小猛 邹国顺 韦启盟

中国幅员辽阔、内陆深广、人口众多，资源分布及工业布局不平衡，铁路作为人员和物资流通的重要渠道，非航空、公路能比拟。近年来，地震、水灾等自然灾害频发，当遇到自然灾害时，快速恢复铁路生产秩序对于国家和人民有着重大意义。针对紧急情况下快速恢复铁路运输秩序的需求，提出一种基于目标控制器（Object controller，OC）的应急响应系统设计方案，并对系统功能及结构进行设计。

计算机联锁系统作为车站的大脑，对提高铁路运输效率、保障铁路运输安全起着举足轻重的作用。当因自然灾害或战争导致车站陷入瘫痪，完成一套传统计算机联锁系统，需要经过设备安装、室内外线缆敷设、设备配线、室内调试、室外调试等一系列繁复的过程，传统计算机无法满足快速恢复生产的需求。为了确保铁路运输作业在突发事件后的限定时间内能够得到恢复，保证现场作业安全、提高作业效率，降低突发事件对人民生命财产造成的损失。亟需一套应急响应系统来快速恢复铁路运输作业，本文提出的基于目标控制器的应急响应系统，具备结构简单、组态灵活、快速接入、施工简单等特点，能够以最快的速度打通铁路运输通道、提高作业效率，为人员和物资运输提供安全保障。

1 传统计算机联锁介绍

传统计算机联锁系统仍沿用了6502电气集中的执行组电路，主要包括信号点灯电路、道岔启动电路、轨道电路以及各种站间联系电路，各种继电电路经过几十年的发展与应用，其可靠性和稳定性早已得到业内认可，其制原理如图1所示。

图1 传统计算机联锁控制原理图

受限于自身结构特点，传统计算机联锁在应对突发紧急事件时仍有以下不足：

（1）使用大量定型组合。为了恢复对轨旁信号设备的控制，组合柜内部需放置信号组合、道岔组合、轨道组合等定型组合，每个定型组合均需要使用大量继电器。以道岔组合组合为例，每个直流道岔组合需要10台继电器，交流道岔组合需要17台继电器。组合内部存需要完成大量放线、配线工作，施工周期长，时效性差，不能满足紧急情况对时效的要求。

（2）安装、调试工作量大。现场需要历经设备定位、设备安装、室内外线缆敷设、线缆配线、设备单体调试、室内设备联调、室内外设备一致性核对等阶段，最终完成调试投入使用。整个过程需要敷设大量的柜间线缆和室外干线电缆，线缆数量庞大，配线难度大、出错风险高；计算机联锁内部、组合柜内部设备种类多安装过耗时长；室外干线电缆数量多、距离长，敷设、安装、防护难度大。

（3）备数量多，灵活相差。计算机联锁通过接口柜、组合柜、分线柜等设备等设备控制轨旁信号设备。以应急恢复一个车站的5组道岔、2条正线线路、1条侧线线路、10架信号机为例，需要2套联锁机柜、3～4架组合柜、1架接口柜，不仅占用较大的信号机房面积，现场安装也极为不便。

2 应急响应系统方案

应急响应系统按照各组成部分完成的功能划分，如图2所示，可划分为：逻辑运算单元、操作显示设备、OC、应急电源以及多模通信网关。

图2 应急系统结构示意图

2.1 操作显示设备

操作显示设备布置于应急指挥中心，主要由：工控机、显示器、鼠标、键盘等设备组成。具有站场信息显示、操作道岔、办理进路等操作显示功能，并显示系统状态信息、操作提示信息、报警信息等。应急指挥人员可通过鼠标进行有关操作，系统能够给予简洁明了的操作和语音提示。与逻辑运算单元直接通信，操作显示设备向逻辑运算单元发送控制命令，逻辑运算单元向操作显示设备发送轨旁设备状态信息。

2.2 逻辑运算单元

逻辑运算单元是运算核心，布置于应急指挥中心，通过局域网与操作显示设备进行通信，其主要功能如下：

（1）接收并执行由操作显示设备发送的操作命令，并将控制区域内轨旁设备状态信息发送给操作显示子系统。

（2）能够执行逻辑运算，根据逻辑运算结果向OC发送控制命令，并接收目标控制器采集到的轨旁设备状态信息。

（3）可通过多模网关与多站目标控制器通信，实现多站集中控制。

2.3 多模通信网关

多模通信网关如图3所示，是融合了Wi-Fi通信、5G通信以及卫星通信的无线通信技术，同时使用上述3种无线通信方式，可以自动在Wi-Fi、5G以及卫星传输之间进行切换。在任一种通道出现性能不足时可启用多路传输。

图3 多模通信网关原理图

多模通信网关采用冗余方式布置，提供以太网络接口，现场OC设备和中心逻辑运算单元直接通过以太网络接口与多模通信网关连接，亦可通过交换机设备对网口进行集连后接入多模通信网关。

2.4 目标控制器

目标控制器由多个控制板组成，直接布置于轨旁，目标控制器可根据需要布置多种控制板，每个目标控制器均设置独立的通信控制板，通过多模通信网关与逻辑运算单元进行通信。目标控制器结构示意图如图4所示，接收逻辑运算单元控制命令完成道岔、信号机等信号设备的控制，并将采集的道岔、信号机和轨道电路状态信息发送给逻辑运算单元。

图4 目标控制器组成示意图

2.5 应急电源

应急电源为目标控制器提供220V交流电源，用以完成信号机和转辙机的控制，若轨旁使用交流转辙机则需要同时提供380V交流电源。结合轨旁轨道电路类型，提供所需的轨道电源。

3 应急响应系统应用场景

3.1 道岔设备应急恢复

（1）道岔控制原理

转辙机设备能够转换道岔位置，锁闭道岔岔尖，反映道岔位置，是重要的轨旁信号设备。在紧急情况下如何能够快速恢复转辙机的使用对保证行车安全、提高运输效率、改善行车人员劳动强度具有重要意义。应急响应系统中轨旁道岔控制设备主要由交流道岔控制板、直流道岔控制板、多模网关组成，如图5。交流道岔控制板和直流道岔控制板通过多模网关获取逻辑运算单元的控制命令，并通过多模通信网关向逻辑运算单元发送道岔表示信息。

图5 道岔控制原理图

（2）道岔控制过程

逻辑运算单元通过多模网关，向道岔控制板发送控制命令，道岔控制板通过多模网关接收到道岔控制命令后，通过对应接口向转辙机输出动作电源；转辙机转换到位后，沟通表示电路，将表示信息发送给道岔控制板；通过多模网关将道岔状态信息发送给逻辑运算单元，逻辑运算单元通过多模通信网关获取轨旁道岔位置信息。5线制道岔控制板与交流转辙机间接口如图6所示，共有5根电缆分别为：X1、X2、X3、X4、X5。

图6 5线制道岔控制板与转辙机接口

5线制道岔控制板收到定操控制命令后，向转辙机设备输出五线制转辙机驱动电源，输出电源满足如下相序：

X1输出三相380V三相交流50Hz电源的A相；

X2输出三相380V三相交流50Hz电源的B相；

X5输出三相380V三相交流50Hz电源的C相。

5线制道岔控制板收到定操控制命令后，向转辙机设备输出五线制转辙机驱动电源，输出电源满足如下相序：

X1输出三相380V三相交流50Hz电源的A相；

X4输出三相380V三相交流50Hz电源的B相；

X3输出三相380V三相交流50Hz电源的C相。

道岔控制板与直流转辙机间接口（以四线制道岔为例）如图7所示，共有4根电缆分别为：X1、X2、X3、X4。

图7 4/6线制道岔控制板与转辙机接口

直流道岔控制板收到定位操纵命令后，通过X1、X4向转辙机设备输出直流转辙机驱动电源，转辙机动作到位后通过X1、X3沟通道岔定位表示回路；直流道岔控制板收到反位操操纵命令后，通过X2、X4向转辙机设备输出直流转辙机驱动电源，转辙机动作到位后通过X2、X3沟通道岔反位表示回路。

3.2 信号机设备应急恢复

（1）信号机控制原理

信号机能够提供黄、绿、红、黄、白等多种信号显示，是指示列车运行的重要轨旁信号设备。在紧急情况下快速恢复信号机设备，能够有力的保证行车安全、提高运输效率。应急响应系统中轨旁信号机设备主要由信号机控制板、多模网关组成，如图8所示。信号机控制板通过多模网关获取逻辑运算单元的控制命令，完成轨旁信号机的控制，并通过多模通信网关向逻辑运算单元发送信号机的状态信息。

图8 信号机控制板信息流

（2）信号机机控制过程

逻辑运算单元通过多模网关，向信号机控制板发送控制命令，信号机控制板通过多模网关接收到信号机控制命令后，通过对应接口向信号机输出动作电源；轨旁信号机点亮后，信号机控制板通过多模网关将信号机状态信息发送给逻辑运算单元，逻辑运算单元通过多模通信网关获取轨旁信号机信息。

信号机控制板与信号机间接口如图9所示，应急电源直接为信号机控制板提供点灯电源，信号机控制板可控制多架信号机。

图9 信号机控制板与信号机接口

3.3 轨道电路应急恢复

（1）轨道电路采集原理

轨道电路能够反映列车的占用出清状态，正确的获取轨道电路的状态对保证行车安全起着至关重要的作用。在紧急情况下快速恢复轨道状态的采集，能够有效提高运输效率、保障行车安全、降低运输人员劳动强度。应急响应系统中轨道状态采集主要由轨道控制板、多模网关组成，如图10所示。轨道控制板采集到轨道电路状态后，通过多模通信网关向逻辑运算单元发送轨道区段的状态信息。

图10 信号机控制板信息流

（2）轨道状态采集过程

轨道机控制板通过多模网关将轨道状态信息发送给逻辑运算单元，逻辑运算单元通过多模通信网关获取轨旁信号机信息。

轨道控制板与轨道接口如图11所示，应急电源直接为信号机控制板提局部电源，轨道控制板可控制个轨道区段。

图11 轨道控制板与轨道接口

结束语：本文从传统计算机联锁在应急响应场景下的弊端、应急响应总体技术方案、应急响应系统的应用场景等维度，对基于目标控制器的应急响应系统的进行研究分析。该系统具有智能化、网络化、电子化、灵活度高等优点，面对突发情况能够已最快的速度恢复铁路运营秩序，保证人民生命财产安全，该系统可以作为既有系统补充，为铁路控制系统提供一种应对铁路系统突发事件的新思路。