基于C++的联锁接口工具CIAdapter的研究与实现

李迎春 欧阳敏 夏芸

（卡斯柯信号有限公司 上海市 200071）

传统的联锁系统需要通过继电器控制轨旁信号设备，而全电子联锁系统不再需要继电器，直接控制轨旁信号设置。以其空间小、成本低、可维护性强、集成度高、可靠性强和组网灵活等优点，在新一代联锁产品中崭露头角。广州、深圳、杭州等城市轨道交通信号系统项目已经规划了若干个试点[1]，例如深圳地铁十六号线和二十号线的信号系统都将采用全电子联锁系统。随着全电子联锁系统的推广，地铁信号系统的现场调试工作量将会越来越大。为减少现场调试工作量，搭建配置全电子联锁系统的室内集成测试平台环境和制定可行的室内测试策略势在必行。由于室内集成测试平台和传统的联锁系统之间有接口继电器[2-4]，且其接口协议和接口方式与全电子联锁的不同，导致现有的接口工具不能匹配全电子联锁系统，为此本文研究并设计了联锁接口工具CIAdapter，此工具能够在室内集成测试平台和全电子联锁系统之间准确高效地进行信息交互，并且此工具具有友好的人机界面，方便注入异常输入，能更好地设计信号系统的测试运营场景。

1 联锁接口工具CIAdapter提出的必要性

1.1 室内集成测试平台

在室内测试地铁信号系统时，由于无法使用真实的轨旁信号设备和车辆，所以需要搭建模拟轨旁信号设备和车辆的地铁信号系统室内集成测试平台。室内集成测试平台结构如图1所示[5]，该测试平台所使用的真实信号子系统设备包括ATS 设备、联锁设备、维护监测设备、区域控制器（ZC）设备、线路控制器（LC）以及车载（CC）等。室内集成测试平台主要仿真模拟信号机、道岔、计轴、屏蔽门等轨旁信号设备以及车辆、天线、信标编码里程计等，并与车载、列车自动控制系统和联锁子系统进行信息交互，该平台可将所有信号子系统有机联动起来进行真实的地铁运营场景测试。

图1：地铁信号系统室内集成测试平台结构图

集成测试平台以模拟设备的形式处理与联锁及车载接口的输入输出。其中，模拟设备分配部分定义了测试平台中所有的模拟设备，如信号机、轨旁信标、道岔转辙机、计轴、站台屏蔽门以及车辆等；接口定义部分则针对每一类设备定义其所包含的输入和输出变量码位以及码位类型。脚本编写部分包含码位逻辑的编写，如信号机点灯逻辑、站台门的开关逻辑，车辆电路逻辑等。

1.2 全电子联锁系统结构

全电子联锁系统，联锁运算部分（IPS）与既有计算机联锁是完全相同的，其区别主要在于执行表示部分，即全电子联锁执行单元OC，它是IPS 与现场信号机、道岔、轨道电路等信号设备连接的通道。OC 机笼主要包括输入输出通信模块、信号机驱动模块、四六线制道岔模块、25HZ 轨道电路模块、五线制道岔模块、零散采集模块6 种类型模块，实现对信号设备的驱动，其中包括信号机点灯、道岔转换等，以及对信号机灯丝状态、道岔表示、道岔启动电流等信号设备状态的采集。

如图2所示[6]，OC 和IPS 通过双网冗余连接的方式完成信息交换，OC 从IPS 接收联锁控制命令，例如信号机点灯控制命令、道岔转换控制命令等。并向IPS 发送信号设备状态信息，例如道岔表示状态、信号机灯丝状态等。

图2：全电子联锁执行单元OC 系统结构框图

1.3 联锁接口工具CIAdapter的提出

通过上文室内集成测试平台和全电子联锁系统的介绍和调研，本文整理并分析了它们接口之间的特点和协议的具体内容，在Visual Studio 2019 开发环境下使用C++语言开发了联锁接口工具CIAdapter。

2 联锁接口工具CIAdapter的设计需求

根据地铁信号系统的特点，联锁接口工具CIAdapter 应满足以下需求：

（1）准确性：全电子联锁系统和室内集成测试平台的仿真轨旁设备的码位是一一对应的，所以要求联锁接口工具CIAdapter 应具有传递码位的高准确性。

（2）性能和时效性：CIAdapter 应能容纳大容量的联锁码位，同时不影响转发消息的实时性。

（3）可配置：IP、端口、需要保持隔离状态的码位、信号转换规则等可配置。

（4）人机接口：可提供界面显示接口模块上传输的信号数据、状态（运行关键信息，出错报警等），还能手工设置接口模块上传输的信号数据。

（5）兼容性：同时兼容真实联锁机柜和仿真联锁软件，为真实联锁子系统和仿真联锁子系统提供同样的交互消息。

3 联锁接口工具CIAdapter的系统结构和功能

如图3所示，联锁接口工具CIAdapter 包括2 个部分：接口模块和人机界面。图中输出信号S0，主要包括道岔转换控制命令、信号机点灯控制命令、计轴预复位、轨道电路占用等信号控制命令。输入信号Si 主要包括道岔的表示状态、信号机灯丝状态、轨道电路占用状态、计轴信息等轨旁设备状态。

图3：联锁接口工具CIAdapter 的结构框图

接口模块包括发送、接收和控制模块。发送模块的主要功能是将控制模块处理好的信号发送给仿真轨旁设备或者全电子联锁系统；接收模块的主要功能是传输来自仿真轨旁设备或者全电子联锁系统的信号给控制模块；控制模块是接口模块的核心，负责处理接收模块传输来的信号。

控制模块有两种处理信号的过程。

过程1：从全电子联锁系统到仿真轨旁设备，由于全电子联锁系统是双机热备型系统，所以接收模块接收的信号是全电子联锁双机各自信号合并以后的状态，若信号的状态可隔离，控制模块按照人机界面发送的修改指令改变该信号的状态，传输给人机界面显示，并将该信号通过发送模块发送出去；若信号不可隔离，控制模块直接输出给人机界面显示，并通过发送模块发送出去；

过程2：从仿真轨旁设备到全电子联锁系统，接收模块从仿真轨旁设备采集到信号后分解为两路相同的信号，若两路信号的状态分别都可隔离，控制模块根据人机界面送来的修改指令改变各自信号的状态，传输给人机界面显示，并将该信号传输给发送模块输入给对应的联锁系统双机；若两路信号其中之一不可隔离，那么对应的信号直接输出给人机界面显示，并通过发送模块输入给对应的联锁系统。

人机界面的主要功能是显示和控制输出信号S0 和输入信号Si。人机界面显示接口模块上传输的信号状态；用户通过点击界面上对应联锁码位的右键菜单来实现信号的修改操作，人机界面将用户的修改命令发送给接口模块处理。通过修改操作可以模拟全电子联锁系统和仿真轨旁设备之间信号传输故障，便于测试异常地铁运营场景。

此外人机界面还具有一些辅助功能，例如：

（1）为了快速查找某一个输入输出联锁码位，操作主界面上可使用快捷键查找。

（2）显示每个联锁码位的名称、发送/接收端、对应站台名等信息。

（3）界面上实时显示提示软件运行过程中出现的重要信息和出错信息，提高程序的易用性。

4 联锁接口工具CIAdapter的基本工作流程

联锁接口工具CIAdapter 基本工作流程按其结构框图分为两种，基本工作流程1 和基本工作流程2。其中基本工作流程1 是信号系统中信号自动传输的过程，没有人机界面的干扰；基本工作流程2是在人机界面控制信号表示的过程。

由于实验室环境下OC 需要借助PLC 控制器来实现信息的采集和驱动，所以在基本工作流程1 中加入了PLC 控制器，如图4所示。为了完整说明基本工作流程1，本文以信号系统中的道岔控制来举例说明。举例场景如下：列车行驶过程中需要道岔自动地由反位扳到定位，此时自动列车监控系统（ATS）会发送道岔控制命令给IPS。

图4：基本工作流程1

（1）IPS 将道岔控制命令发送给OC，OC 接收到IPS 的定反操命令后，设置全电子联锁机笼中道岔模块的相应码位。

（2）PLC 控制器将采集到的OC 道岔模块信息发送给CIAdapter， CIAdapter 将该道岔的正操DCJ-SBO 闭合，反操FCJSBO 断开，并发送给室内集成测试平台。

（3）室内集成测试平台采集到CIAdapter 的道岔定反操信息后，把仿真道岔从反位扳到定位，道岔的定位状态表示DBJ-DI 闭合，反位状态表示FBJ-DI 断开。

（4）道岔的定反位状态经过CIAdapter 发送给PLC 控制器，PLC 控制器驱动OC 的相应道岔模块。

IPS 采集OC 道岔模块的信息后，将道岔的定反位表示信息发送给ATS 子系统。ATS 界面显示该道岔为定位状态，通车进路自动排列，列车顺利地通过道岔继续前行。

界面的基本工作流程2 如图5所示，人机界面显示接口模块上传输的信号信息。用户在界面上通过右键点击码位的菜单栏进行修改操作，接口模块根据人机界面的修改指令改变对应的联锁码位值，修改后的信号信息通过发送模块发送给全电子联锁系统或者仿真轨旁设备。按照上面的工作流程操作，可以模拟接口设备之间信号传输故障、注入错误输入等异常测试场景，丰富地铁信号系统的测试场景。

图5：基本工作流程2

5 实例应用

为了验证CIAdapter 工具的正确性，本文使用内部测试线项目信号系统的数据和软件按照图6 的结构图搭建了室内集成测试环境，其中OC 通过电缆连接到PLC 控制器，PLC 控制器和模拟计轴控制系统通过网络连接到CIAdapter， CIAdapter 通过网络和室内集成测试平台的仿真轨旁设备连接。

图6：接口全电子联锁系统的室内集成测试平台系统结构图

根据图7所示的信号系统室内集成测试基本流程，运行室内信号系统测试环境，包括室内集成测试平台、联锁接口工具CIAdapter、全电子联锁机柜、ATS、ZC、LC 和CC 等其他真实信号设备。测试策略主要偏重测试信号系统有关联锁子系统的功能，不仅包括正常功能测试场景如列车以各种驾驶模式跑运行图、CBTC 模式下自动掉头作业、车载CC 与联锁屏蔽门的通信；还包括通过CIAdapter 人机界面人工注入错误输入的异常测试场景，如列车行驶中接近道岔时发生挤岔、列车到站后和联锁子系统通信中断等。执行用例的过程中观察CIAdapter 界面上码位的变化，如图8所示，码位显示和变换正确，验证了全电子联锁系统和室内集成测试平台进行了正确的信号输入输出。

图7：信号系统室内集成测试基本流程

图8：CIAdapter 人机界面

6 结语

联锁接口工具CIAdapter 为信号系统的室内集成测试平台和全电子联锁子系统提供了有效的信息交互。借助这个工具，项目搭建了全电子联锁系统的室内集成测试平台仿真环境，完成了测试线项目信号系统的系统集成信心测试，验证了联锁接口工具CIAdapter的可用性和正确性，该工具已经在国内一些项目的地铁信号系统的室内集成测试中成功投入使用。CIAdapter 实现了全电子联锁地铁信号系统项目的室内集成测试，大大减少了全电子联锁系统和整个信号系统的现场调试工作量，对全电子联锁系统在城市轨道交通信号系统领域的推广和应用提供了重要的参考价值。