列控联锁一体化设备的应用前景探讨

张碧嫣

（卡斯柯信号有限公司，北京 100070）

随着国内社会经济的快速发展，对铁路运输力也提出了更高的需求，列车能够安全平稳地运行并且提高列车运行速度是提升铁路运力的关键所在。依托国家对科技发展创新的重视加强，国内铁路系统技术也迎来了迅猛发展时期，其中我国自主研发的列车运行控制系统则是实现提速目标的重要技术支持手段，对列车的高效安全运行起着至关重要的作用。一体化、智能化、网络化系统将成为未来地面控制设备的发展趋势，也是各信号设备厂商自主研发的方向，在此对全电子列控联锁一体化设备在铁路建设上的应用前景进行探讨。

1 铁路地面控制设备发展历史

1.1 联锁系统

联锁系统是实现以进路控制为主的联锁功能。联锁设备经历了从机械联锁、继电联锁到计算机联锁的发展历史。20世纪70年代，采用动力转辙机、色灯信号机和轨道电路的电气集中联锁开始在我国推广使用。我国自主设计的6502电气集中使用安全型继电器，满足故障安全原则，通过继电电路完成控制逻辑，电气集中设备推动联锁系统的快速发展。计算机联锁设备始于20世纪70年代末，首先在厂矿铁路及编组站进行试验和应用。1991年11月，卡斯柯信号有限公司（简称卡斯柯公司）从美国通用公司引进并结合我国铁路需求开发的VPI计算机联锁系统在广深线红海站投入使用，这是全国铁路干线上第一个采用计算机联锁的车站。VPI型计算机联锁系统结构如图1所示，采用热备冗余结构，以继电器接口集中控制道岔和信号机并实时采集轨道电路状态，以软件语言实现6502联锁逻辑处理功能，是一种“故障-安全”的车站联锁信号控制系统。随着电子信息技术的发展，各信号厂商开发的二乘二取二冗余结构的计算机联锁系统已逐步取代了双机热备联锁系统，如卡斯柯公司的ILOCK安全型计算机联锁系统、北京全路通信信号研究设计院集团有限公司的DS6-K5B型联锁系统等。新一代的全电子联锁设备取消了继电器接口控制电路，目前在我国铁路干线上还没有使用，但是如卡斯柯公司自主研发的采用电子执行单元的ILOCK-E全电子联锁产品已在国内船山站及国外老挝站开通使用。

图1 VPI型联锁系统结构图Fig.1 Structure diagram of VPI type Interlocking system

1.2 列控中心系统

2005年原铁道部提出第6次大提速，为实现200 km/h以上的客车运行速度，并且适应我国铁路计算机联锁与6502电气集中同时存在的建设特点，提出我国独有的叠加列控中心的系统设计方案，可以尽量减少对既有设备的影响，保障联锁系统的安全性。经过多年高速铁路的发展建设，我国的列控中心系统已经形成了自己的技术标准和接口规范等。列控中心采用安全架构并实现系统逻辑功能的计算机平台，通过与计算机联锁系统、轨道电路、调度集中系统、临时限速服务器、地面电子单元等接口，实现了控制有源应答器报文发送和接收、ZPW-2000型轨道电路发码控制、闭塞分区运行方向控制、区间信号机点灯控制、区间轨道电路状态采集、异物侵限采集等功能，是中国列车控制系统（CTCS）的关键组成设备。

2 我国地面控制设备应用现状分析

目前我国高速铁路上使用的中国列车控制系统由车载子系统和地面子系统组成。地面控制系统 由 CBI、CTC、TCC、RBC、ZPW-2000系 列轨道电路、LEU设备、应答器设备等组成，CTCS-3列控系统结构如图2所示。无线闭塞中心和临时限速服务器为中心设备，设置在控制中心；列控中心和计算机联锁为车站设备，在沿线各车站均设置。通过10多年的高速铁路发展建设积累的经验，列控中心系统与联锁系统的分设使得我国的信号系统存在以下问题。

2.1 子系统间接口复杂

在一个标准高速铁路车站中，列控中心设备和计算机联锁设备需有通信接口，并且各自除了需要与2个相邻站列控、联锁设备进行通信外，还需要与其他地面设备接口进行信息交互，地面设备间接口示意如图3所示。在复杂场景中，列控中心系统有时还需要与25 Hz轨道电路、既有电码化电路接口等。同时还存在列控中心与无线闭塞中心、临时限速服务器与联锁系统、不同线路无线闭塞中心之间无通信接口的问题，导致改造站、C2/C3级转换站、线路所等有些信息需要互相代传。随着我国铁路网络纵横交错情况越来越多，复杂的系统结构与接口给系统设计、工程实施、运营维护都会带来很多困难和不便。

图2 CTCS-3地面控制系统结构图Fig.2 Structure diagram of CTCS-3 wayside control system

图3 地面控制系统接口图Fig.3 Interface diagram of wayside control system

2.2 数据交互频繁

计算机联锁系统主要负责进路、道岔和信号机，列控中心系统负责的轨道电路编码、区间方向转换和区间信号控制也是区间联锁功能，在国外信号控制系统中基本通过联锁系统完成车站及区间的整体控制。单独设置列控系统导致需要两者交互大量数据配合完成联锁功能。《高铁列控中心接口暂行技术规范》中对TCC与CBI间接口进行了标准化要求，CBI、TCC间发送的信息如表1所示，可以看出为了实现接发车进路控制产生大量的信息在联锁与列控中心间切换，增加了系统的工作量。

子系统间数据交互通过铁路信号安全数据网进行传递，不仅在数据的发送和接收方均需要进行安全协议处理，还需要考虑通信故障、网络不稳定以及对方系统倒机切换等异常情况的影响。信息传输受到中间传输介质、通信协议的实现和系统处理能力水平的限制，实时性和稳定性都受限，系统整体的可靠性也因此降低。

2.3 运营维护成本高

列控中心与联锁在每个车站都需要分别设置独立的主机柜、综合柜和维护终端，机械室占用面积大、使用的电缆多、施工配线布线复杂，施工成本高、难度大。通信故障、硬件故障或者外电路继电器故障时，需要进行故障定位及故障报告分析，运营维护人员很难通过报警信息及时分析出故障点并制定应急措施。而且，高速铁路车站无人值守，如果需派人到车站机械室定位故障，会延长故障响应时间，影响高速铁路的运营效率。并且，列控中心及联锁设备都采用二乘二取二的安全冗余结构，可以提高系统的安全性和可靠性，但硬件冗余过多将导致系统的故障点增多和更频繁的系统主备切换，增加维护工作量。设备升级维护时，需要同时更新、检修、维护两套设备的软硬件，而且不同设备厂商间还存在设备通用性的问题，以上都将增加系统运营及维护工作量以及成本。

表1 CBI与TCC间发送的数据包Tab.1 Packet sent between CBI and TCC

3 列控联锁一体化设备

基于电子技术以及无线通信技术的发展，以及 EN 50126/128/129 等标准不断完善，使电子相关系统在铁路信号系统的应用达到对可靠性、可用性、可维护性和安全性的规范管理，全电子化也将成为以后信号设备的发展方向。目前，由国家铁路集团组织，各信号厂商自主研发的列控联锁一体化设备在将来的工程项目应用上将具有发展优势。

3.1 一体化系统结构和特点

列控联锁一体化设备结构如图4所示，集成站内联锁及列控中心的全部功能，从系统平台层整合联锁概念及功能。全电子一体化设备的逻辑层与执行层可通过光纤冗余网络通信，逻辑子系统负责逻辑主机平台运行管理、逻辑处理等功能，各功能模块采用物理独立或功能独立设计，保证相关逻辑功能的相对独立。执行子系统可由目标控制器或电子执行单元独立组成，也可由目标控制器、电子执行单元等部分混合组成或通过继电器接口方式控制轨旁设备，目标控制器可根据线路情况就近放置于轨旁，实现对站场的区域控制和远程控制。设备具有开放的系统结构，可根据项目情况进行扩展和裁减，适用于新建铁路以及既有站改造等多种不同工程项目。

列控联锁一体化设备可统一控制站内和区间设备，也可根据需要单独实现列控中心或计算机联锁系统的功能。当既有设备改造时，既有TCC、CBI、TSRS、RBC等中心设备不需要进行修改即可与列控联锁一体化系统正常通信并实现相关功能。

图4 列控联锁一体化系统结构图Fig.4 Structure diagram of train control and interlocking integrated system

3.2 一体化设备的优势

1）可靠性提高

从系统功能层来看，一体化设备不再从物理逻辑上划分站内联锁区，通过标准化的功能模块方式实现系统设计需求，模块间关键数据能够实现内部共享，提高数据的利用效率，规避了因通信故障导致的数据延时、错误、畸变等风险，有效提升系统的运行效率和准确率。系统与其他轨旁设备均有外部直接接口，解决了数据代传问题，缩短了因系统倒机或者瞬间通信中断时，为了维持当前信息而重复叠加信息维持时间，全面提高系统的可靠性。

从硬件上看，传统的继电器的电气寿命较短，比如道岔启动继电器的动作寿命仅10万次，而全电子模块板载的安全型继电器，动作寿命可以达1 000万次，全电子设备的MTBF经RAMS计算，可达到1 890 000 h。电子执行模块都采用冗余结构并能自主实现热备切换，各功能模块独立设计，任一模块故障不影响其他功能模块的可靠性，可以保证系统的不间断工作。不使用继电器不仅可以从源头解决违规使用封连线的问题，降低因混线、断线、继电器故障导致的风险，同时避免了继电电路非冗余的低可靠性问题；减少电缆与继电器也极大降低工程成本，提高施工质量。

2）可维护性提高

全电子列控联锁一体化设备减少轨旁设备的数量以及继电器的使用，不需要再进行继电器的定期检修，免维护设计大幅减少了日常维护的工作量，提高了设备可维护性。电子执行模块采用微电子技术可以对各模块进行故障检测，给出精确的故障定位信息，提高被控设备的故障检测覆盖率，缩短了检测和拒绝的反应时间。

并且，一体化系统具有智能维护诊断子系统，实现设备状态预警、故障原因自诊断功能，具有显示多维度、全方位监测诊断信息的友好界面，能实现电路板级的故障精确定位和自动分类报警，维护人员可以在短时间内迅速对故障进行响应，缩短故障导致的系统不可用时间，并且具备了日常监测需要的模拟量信息后可以不再额外安装监测设备。维护诊断子系统还具备中心及远程维护支持功能，车站维护信息通过以太网发送至中心综合维护终端，中心综合维护终端具有完善的诊断监测、故障预测及分析功能。中心终端可单独查看某个车站的维护诊断信息，也可将多个车站系统的信息汇总分析后，主动提示给维护人员，极大提高系统整体的可维护性。

3）网络安全性提高

智能化网络化的铁路系统依托网络通信技术的不断发展，信息安全对于信号系统功能安全的影响也受到重视，最新的EN50129∶2018中新增了网络安全对功能安全的影响，提出了“IT-Security threats”，强调了网络通信系统可能使远程攻击者能够操纵信号系统影响功能安全。列控联锁一体化系统的开发是在充分考虑网络安全的基础上，具有完善的信息安全保护措施。子系统间通信采用封闭专用的冗余通道或冗余网，通信的故障能得到实时的检测。车站维护终端与中心综合维护终端采取网络隔离措施，以保证网络信息安全，在加强可维护性同时也加强了网络安全措施。同时，中心综合维护终端也采取信息安全管理措施，如采用防病毒软件，具备集中对防病毒软件升级管理功能，必要时还可增设专用设备保证网络信息安全。

3.3 一体化设备工程应用中存在的问题

列控联锁一体化设备的高度集成的特点在实际工程应用中也不可避免的存在问题，比如现在的C2/C3列控系统，都保留了人工引导功能，若站内或区间设备单独出现故障，紧急时可通过人工引导接发列车，减少故障对运营的影响，一体化设备不再划分边界，如发生硬件故障时影响范围增大。采用全电子化设备，没有了继电器的隔离，需要做好对室外高压浪涌冲击的安全防护隔离以及雷电防护、电磁干扰防护等，需要形成有效的多级防护系统，才能保证铁路设备的高安全性与高可靠性要求。另外全电子化设备目前在我国铁路上的应用经验有限，成熟稳定度不高，与现有轨旁设备的匹配度还需要不断修正和改进。而且不同信号厂家的系统设计与接口设计标准不统一，互联互通受限等问题，都是一体化设备在今后工程应用中需要解决的问题。另外，基于无线通信技术的一体化设备在工程实施中还需要考虑线路的地形特点、通信信号接收、网络传输环境等实际问题。

3.4 我国列车控制系统未来趋势

实现轨旁电子设备从多到少、从有到无的转变，是列控技术领域的创新方向，全电子一体化设备在工程上推广应用仅是向智能化列控系统发展的一步探索与实践。基于移动通信技术的发展演化进程，可以畅想我国铁路列控设备也将向一体化、智能化、虚拟化发展。比如列控联锁一体化设备已经开始简化系统架构，后续可以通过将列车-轨旁-中心的模式发展为列车-中心的方式，实现控制中心与列车间的信息交互以及车与车间直接通信，相当于集成TCC、CBI、CTC的系统功能。还可以通过虚拟化平台，如基于云技术的发展，云化非安全系统开始向云化联锁系统探索，进一步减少硬件数量，使系统结构更加扁平化，提高系统可靠性和可用性。另一方面还可以将联锁功能与车载设备结合，如车载设备与调度中心设备直接交互信息实现联锁的进路控制功能，再由控制中心实现对地面设备的控制。总之，随着我国的5G通信、大数据、人工智能、北斗卫星导航、电子地图等新技术的发展与应用，未来列控系统的发展方向将是实现空天地车的一体化智能化系统，需要攻克列车精准定位、多元融合测速、车车无线通信、列车完整性检查等关键技术，将是更智能、更安全、更高效的列车控制系统。

4 结束语

我国高速铁路营业总里程已居世界第一，铁路建设的快速发展要求我国铁路技术不仅要与国际接轨，更要走在国际前沿。虽然全电子设备目前在我国铁路干线上还没有使用，但是中国国家铁路集团有限公司已经提出列控联锁一体化的方案，随着政策的支持、技术规范的完善、新技术的不断创新，以及全电子联锁的自主开发和应用经验，全电子列控联锁一体化设备将会在我国铁路建设中得到稳步发展应用，也将推动未来列控系统向智能化、信息化、集成化方向发展。