城轨联锁系统信号逻辑的自动化设计

2021-11-28马燕妮

电子制作 2021年20期

马燕妮

（陕西交通职业技术学院，陕西西安，710018）

0 引言

在我国城市化建设持续推进背景下，城市人口数量不断增长，交通压力随之增加，进而导致城市交通运输水平与城市居民出行需求之间产生矛盾，这一问题将对城市发展起到严重的负面影响。当前，针对此问题的有效解决方案是：建立健全安全高效的城市轨道交通网络。结合实际情况判断出，群众对于城轨交通的安全性更加重视，而城轨列车运行控制系统则是确保车辆平稳、高效行驶的关键性技术装备。在当前通信技术、控制技术以及计算机技术的支撑下，城轨联锁系统信号逻辑正面临自动化升级的需要，其中还包括负责列车运行控制系统CBTC。CBTC在原有铁路信号系统的基础上，对定位进行更加精准的设计，且不再需要轨道电路，有助于城轨联锁系统实现移动闭塞方式的追踪运行，切实提高系统自动化水平。

1 城轨交通运输方式特点

城轨交通与传统铁路存在较大差异。城轨交通受到地下运行条件的影响，使其具备较多特殊化建设要求。

首先，城轨交通具备较高安全性。受到城轨建设空间的限制，车辆密度相对较大，致使城轨故障排查任务难度加大，一旦出现运行事故，则会对乘客安全产生威严重威胁。因此，为提高列车行驶安全性，有必要对信号系统进行进一步升级设计。

其次，城轨交通具备较高精准度。城市车流量大，一般情况下列车会选择正线停靠，且先行列车的实际通过时间与停靠时间均会对后续列车产生不同程度的影响。为保证后续列车正常运行，需要对城轨信号系统进行更加精准的控制与设计。

再次，城轨列车具备较高干扰信号抵抗能力。当前城轨交通主要工作方式为电力牵引，因此，城轨交通信号系统应对抗电气干扰性能展开针对性优化设计。

最后，城轨交通具备较高自动化水平。当前城轨交通行车流量大、时间段集中，且大多数设备处于地下，人工控制方式会加大运行成本，为实现科学、合理、高效的运行控制，有必要对信号控制系统进行自动化升级与全面性规划[1]。

2 城轨联锁CBTC系统分析

■2.1 CBTC系统结构

基于城轨交通信号系统设计需求，要求传统CBTC系统必须具备一下系统：列车自动监控系统、车载控制器、联锁子系统、数据存储单元、数据通信系统以及区域控制器。CBTC系统构造如图1所示。

图1 CBTC系统结构

第一，列车自动监控系统主要功能在于追踪并控制车辆的运行状态，集合收集的相关数据信息，将列车位置信息、现场状况以及设备运行情况进行有效控制，保证列车能够按照原本计划与调令进行信息传输。列车自动监控系统基于运行计划与调令，有序管理列车自动进路任务，实时监测列车执行状态，并实现科学有效的人工调整与管控。

第二，车载控制器利用定位应答器与测速传感器来获取列车的实时位置，并将列车位置信息传输至自动监控系统中，同时，区域控制器在接收位置信息后，将结合相应移动授权向运行列车提供自动化运行与防护功能。

第三，联锁子系统应用范围主要集中在：建立你进路、转换道岔以及信号开放，基于联锁子系统传输的进路控制命令与状态信息展开计算，以此完成信号、道岔以及进路的相互联锁，保证列车安全运行。

第四，数据存储单元能够降系统信息进行整合调度，在调度过程中，车载与地面应使用相同数据库。数据存储单元可以将全线信息进行保留，涵盖所有动态数据与静态数据，向区域控制器奠定线路数据下载的基础，并按照规定周期对数据进行更新。

第五，数据通信系统主要作用在于完成CBTC下属各系统的数据信息传递，使各个系统能够相互配合。通过对列车的监督控制与双向通信，再结合车速传感器与地面应答系统的数据，测算出列车的实时位置，利用区域控制器，完成移动授权的计算。基于此，车载设备就更在实时数据信息的支撑下，安全平稳地控制列车行驶。

第六，通过区域控制器将列车运行位置与运行情况进行收集，并结合周围障碍物位置，计算出管辖区域内的列车移动授权，并把移动授权实时传输至列车车载设备中，向列车运行提供安全环境的保障[2]。

■2.2 CBTC系统功能

城轨交通联锁系统中的CBTC系统通过对车载与地面的信息传输，完成数据的双向、高效、连续交换，这一运行方式使城轨联锁系统比传统系统更加完善与高效。CBTC系统建立在车—地通信的基础上，不仅有效提高列车位置识别精准度，还具备以下优势特征：

首先，CBTC系统的应用使城轨系统脱离传统轨道电路，能够实现高精准度的位置判定；其次，此系统具有持续、大容量的双向通信功能；最后，此系统的应用能够向车载设备提供自动化保护功能、自动化运行功能以及自动化监控功能。

基于上述优势性功能，CBTB突破了轨道区段中移动闭塞、间隔追踪等问题的限制，运行方式的改变有效提升了列车的通过能力，且保证速度控制曲线能够维持在相对平稳的状态中。同时，CBTB能够向城轨联锁系统提供支持后备模型，开启后备模式后，利用轨道电路与计轴将列车位置进行测算与检测，并在城轨联锁系统的基础上对轨旁信号设备展开有效控制。此外，系统设计的需要满足具备CBTC车载装置的列车与尚未安装CBTC车载装置的列车能够同时在CBTC中混合运营的条件。

3 城轨联锁系统信号逻辑自动化设计

■3.1 联锁系统结构设计

为提高列车行驶安全性，需要在技术手段的支持下，根据相应信号、道岔以及进路，建立满足动作条件且能够相互联系与制约的关系，事物之间的关系即为联锁。关于信号、道岔以及进路的主要联锁作用主要包括以下几点：第一，位于进路中的全部道岔，其闭锁方向都应朝向正确的开通路径；第二，联锁结构的创建应实现对敌对进路的有效阻隔；第三，连锁信号的设计与现实应与相应的进路保持一致。

城轨联锁系统中信号逻辑的自动化处理具有重要意义，应严格遵循“故障-安全”的应用原则。同时，联锁子系统需要对道岔转换、敌对进路防护、信号管理等一系列逻辑功能进行设计与实现。城轨联锁系统中的信号逻辑不仅可以实现传统的功能应用，还能在定位功能与通信功能的支持下，对相应信号逻辑进行优化，进而提高城轨联锁系统的性能与自动化水平。城轨联锁系统的结构如图2所示。

图2 联锁系统结构

联锁系统与外部信号逻辑之间的关系描述如下：

联锁系统与ATS：在联锁子系统中，利用ATS系统，实时监控全部列车的工作状态，ATS系统将对列车运行全过程进行监视，并向在CBTC区域内运行、且具备CBTC装置的列车，提供自动化选物功能，生成运行权限。

联锁系统与ZC：创建ZC需要结合相应的联锁功能，同时，联锁系统与ZC工作需要保持相对独立性。在CBTC模式下运行的列车，ZC信号系统将对有关联锁条件进行屏蔽，保证对列车运行的进路控制。在城轨交通系统中，一个ZC系统会涵盖数个联锁区，全线将由一个或多个ZC信号系统进行控制。因此，城轨联锁系统需要与相应的ZC进行信息交互。

联锁系统与相邻联锁:城轨交通通常会采用区域计算方式，此方式需要将全线进行多个联锁区的划分，并通过设备集中站，对本联锁区域中的信号、道岔、轨道等相关地面设施展开统一化控制。因此，可能会出现一条进路被分到不同连锁区域的情况。任何一个联锁区都将独立完成逻辑运算，这一要求就需要相邻连锁区域展开信息数据交换[3]。

■3.2 联锁逻辑的实现

3.2.1 梯形逻辑与布尔代数

梯形逻辑作为图像化编程语言，主要应用与时序系统的规划设计中。模仿电路控制系统，能够将信号逻辑想象为与电流相似的梯形图，通过相应接点，最终到达梯形图中的右端。梯形逻辑中的任意梯级都代表当前状态求下一状态的流程。能够得出梯形逻辑与代数逻辑的相关性。因此，梯形逻辑能够轻松转换为布尔代数。布尔代数能够通过二值函数展开逻辑运算。

同时，布尔变量和布尔表达式都只能采用True或False。布尔表达式是根据某些语法规则由布尔变量和逻辑运算符组成的公式。布尔表达式主要作用是指示用于逻辑值计算的明确化规则。布尔代数也称为逻辑代数，用于逻辑电路中，这一代数能够分析并设计出具有组合逻辑功能的电路。城轨联锁系统中的信号逻辑设计的主要来源就是逻辑电路。与自然语言相比，布尔代数的描述准确度更高，且语法模式更加简单，贴近安全系统的描述条件。因此，布尔代数是描述联锁系统信号逻辑的理想模式。

3.2.2 联锁软件

联锁软件把城轨联锁系统信号逻辑转换为计算机的应用程序。因此，从处理路径到解锁路径，相应的逻辑处理流程即为联锁程序的实现基础。联锁软件的主要作用是接收外部传输进来的控制命令，收集运行状态及周围信息，根据设计的联锁规则对二进制逻辑变量展开逻辑计算，并将计算结果数据传输到信号设备。联锁软件的工作模式是：一次性处理全部进路，对于所有进路，均需要结合功能模块，按阶段进行处理。当进入某个阶段时，如果达到相应要求，则将继续处理后续阶段；如果没有达到相应要求，则将立即转向下一进路。