全电子模块微机联锁系统在韶钢铁路运输的应用

摘要：联锁系统是以技术手段实现进路控制的联锁功能的系统。铁路信号微机联锁系统是整个站场控制的核心，是指挥列车运行、保证行车安全、提高运输效率、传递信息、改善行车人员劳动条件的关键设施。文章对全电子式联锁系统进行了探究。

关键词：联锁;控制;全电子

中图法分类号：U284

文献标识码：A

Application of all-electronic module microcomputer mnterlocking system inShaogang railway transportation

LI Zhongwei

（Logistics Dcpartment Maintenance Operation Area， Guangdong Shaogang Songshan Co. ， Ltd. ， Shaogang，Guangdong 512000 ， China）

Abstract： The interlocking system is a system that realizes the interlocking function of the access control bytechnical means. The railway signal microcomputer interlocking system is the core of the control of the entirestation and yard. It is a key facility for organizing and directing the operation of trains， ensuring runningsafety， improving transportation efficiency， transmitting information， and improving the working conditionsof commuters. The fully electronic interlocking system is worthy of our attention.

Key words： interlocking， control， fully electronic

1 前言

铁路信号设备系统是铁路行车的指挥与控制系统。它在保障行车安全，提高行车速度和密度，提高运输效率和改善行车运输工作人员的劳动条件方面具有重要作用。计算机联锁系统是实现铁路现代化和自动化的基础设施之一，是一种高效、安全的车站联锁设备，是提高车站通过能力的基础。同时，计算机联锁系统还具有故障一安全性能，与电气联锁系统相比，其在设计、施工和维护方面都较为便捷，且便于改造和增加新功能，为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件[1]。

2 系统概述

GKI-33e微机联锁系统是合肥工大高科信息科技股份有限公司自主研发的一个符合中国铁路技术标准和欧洲铁路安全标准的新一代计算机联锁系统。该系统充分利用了计算机容错技术、冗余技术、安全可靠技术、故障屏蔽技术，遵循故障一安全的设计原理。同时，该系统的安全完整性等级达到SIL4最高标准，并通过第三方国际知名认证机构德国TUV SUD的评估和认证。适用于圉铁、城轨、冶金、煤炭、电力、化工、港口等领域的所有铁路车站，具有安全性高、系统配置灵活、设备容量大等优势。

3 GKI-33e微机联锁系统的主要工作原理

（1）二乘二取二结构

GKI-33e微机联锁系统采用二乘二取二结构。通过系内二取二结构保证高安全性，通过系问二乘冗余保证高可靠性;软硬件设计遵循“故障一安全”原则：严格遵循欧洲铁路信号EN50IXX系列标准，符合SII4要求。

（2）全电子接口模块设计

实现小体积、标准化机柜式结构，大大减少系统占用空间：采用层次化和模块化设计，大大增加系统可扩展性，方便进行维护和改造。

（3）超强处理能力

采用高性能微处理器，极大的增强系统的处理能力，同时也使接口模块具有智能性：全部硬件板卡采用双CPU冗余，具备自诊断能力，报警显示迅速定位到通道及接口，能够根据设备故障进行多级报警。

（4）冗余

系统搭建有冗余的通信网络和UPS，实现完整的二乘结构：全部硬件板卡具备热拔插能力，便于系统维护时连续工作。

随着智慧制造的发展，铁路站场只有采用多功能设计才能满足铁路运输需求。二乘二取二结构提高了GKI-33e微机联锁系统的安全性和准确性，全电子接口模块降低了设备故障率，这些系统功能不仅提高了运输效率，还降低了点检维护人员的工作量。

4 系统架构和设备功能

4.1 系统架构

GKI-33e微机联锁系统架构如图l所示。其中，控显机、电务机、KVM和显示屏构成了系统人机交互设备，用户使用显示屏和鼠標控制和监测联锁设备，进行人机交互，完成车站作业和设备维护。A，B两系联锁机是这套设备的运算核心，负责将下层模块采集到的室外设备状态和上层控显机下达的命令集中运算，并将运算结果传递给下层模块执行。联锁主机采用二乘二取二结构，具有较高的安全性和稳定性。各类10模块（信号模块、道岔模块、轨道模块、零散模块，下同）为系统的输入和输出设备，负责采集室外设备状态和驱动室外设备动作。CAN总线和485总线可以为电务维修机提供数据采集。交换机是联锁机、电务维修机和控显机以及区域联锁站问通信的枢纽，将站内、站间的此类设备组成一个局域网，使信息在其中顺畅交互。交换机使用双网冗余模式。通信机是联锁机、电务维修机和柜内机笼模块的信息交瓦枢纽，采用双路CAN总线和485总线模式，每台接口柜采用一对通信机。

4.2 设备功能

4.2.1 联锁机

联锁机由专门开发的基于Cortex-A8核心的专用计算机组成，采用软硬件结合完成二取二表决的容错机制和硬件，完成双机热备的冗余机制，实现二乘二取二的工作力方式。

联锁机主要功能包括：联锁逻辑运算，实现信号设备的联锁逻辑处理，完成进路的办理，发出开放信号和动作道岔的控制命令：通过以太网接收来自控显机传来的操作命令，向控显机传输表示信息：通过CAN总线接收10模块传来的室外信号设备状态、进行联锁逻辑运算，通过CAN总线发送驱动命令至10模块，驱动室外设备完成相关动作：两套CPU系统之间通过SPI总线进行二取二运算：通过CAN总线进行两系联锁机之间的数据同步，通过切换电路实现两系的主备无扰切换。

4.2.2 通信机

GKI-33e微机联锁系统的通信机由专门开发的基于Cortex-M3核心的专用计算机组成，采用软硬件结合完成二取二表决的容错机制和硬件，完成双机热备的冗余机制，实现二乘二取二的工作方式。

通信机的主要功能包括：通过对上的CAN总线接收并存储来自联锁机的控制命令包，将命令解包后通过对下的CAN总线将命令转发给10模块：通过对下的CAN总线接收10模块上报的信息，打包后通过对上的CAN总线转发给联锁机;两套CPU系统之间通过SPI总线进行二取二运算;在区域联锁时，通过以太网接收联锁机的命令，转发给10模块以及接收10模块的信息，打包转发给联锁机：通过RS485总线接收10模块的故障信息，将信息打包后转发给电务维修机。

4.2.3 控显机

控显机属于系统的人机交互层，信号操作员通过此软件观察现场设备的实际状态，同时也通过控显机下发选路等操作命令。控显机仅完成表示读取显示、操作命令获得与下发、对外系统的通信、信息记录，不进行联锁运算。

控显机软件使用delphi语言编写，在Windows环境下运行。站场基础数据由计算机辅助CAD工具自动生成。程序和数据完全分开，对各站来说，程序是通用的，不同的是每个站场有各自的数据文件。

4.2.4 信号模块

信号模块采用二乘二取二设计，由A、B两系信号机控制模块同时输出的方式控制室外信号设备，以提高系统的可靠性和稳定性。每系信号机模块使用两块工业级CPU，以主/从方式独立运算，采用SPI数据交换比较的二取二方式完成解析指令、控制输出、状态回测等动作，以实现高安全可靠的控制。

信号模块主要功能有：接受联锁机的寻访、控制指令，对室外二、三、四、五、六显信号机进行控制;通过回测继电器触点状态信息、电流检测、电压检测，实现对室外信号设备实时状态的监测;主、备机通过SPI交换比较控制指令、回测状态：采用故障安全控制逻辑，智能控制信号设备状态倒向安全：采用安全可靠的冗余通信设计;完整的故障诊断、上报处理流程。

4.2.5 道岔模塊

道岔模块以两块Cortex-M3核的处理器芯片为核心，组成两套独立的CPU系统，两套CPU系统之间通过SPI总线进行数据同步和比较，构成二取二结构。两套CPU系统各提供2路独立的CAN总线接口，构成冗余的CAN总线网络，用于和通信机通信。两套CPU系统各提供l路RS485总线接口，用于通过通信机和电务维修机通信。

道岔模块主要功能包括：通过CAN总线接收来自联锁机的控制命令，控制室外道岔转动：通过CAN总线将室外道岔的位置信息，电压/电流检测值、故障状态等发送给通信机：两套CPU系统之间通过SPI总线进行二取二运算：通过RS485总线将故障信息发送给通信机，从而上报给电务维修机。

4.2.6 轨道模块

轨道模块是由专门开发的基于Cortex-M3核的专用计算机组成。以两块Cortex-M3核的处理器芯片为核心，组成两套独立的CPU系统，两套CPU系统之间通过SPI总线进行数据同步和比较，构成二取二结构。两套CPU系统各提供2路独立的CAN总线接口，构成冗余的CAN总线网络，用于和通信机通信[2]。

轨道模块主要功能包括：通过CAN总线接收来自联锁机的巡防命令：通过CAN总线将室外轨道区间状态信息发送给通信机：两套CPU系统之间通过SPI总线进行二取二运算：通过RS485总线将故障信息发送给通信机，从而上报给电务维修机。

5 全电子系统功能优势

5.1 系统设备优势

全电子接口模块设计，实现小体积、标准化机柜式结构，大大减少系统占用空间：采用层次化和模块化设计，大大增加系统呵扩展性，方便进行维护和改造。此系统占地空间比传统继电器控制系统要小得多，结构层次分明。

采用高性能微处理器，极大的增强系统的处理能力，同时也使接口模块具有智能性;全部硬件板卡采用双CPU冗余，具备自诊断能力，报警显示迅速定位到通道及接口，能够根据设备故障进行多级报警。

5.2 特殊联锁功能

通过在联锁软件中增加相应的功能模块，结合零散硬件模块，系统可进一步实现所有特殊信号联锁电路的联锁功能。这是传统微机联锁不具备的功能。

（l）下坡道接车延续进路：下坡道接车延续进路的锁闭及解锁。

（2）到发线出岔的进路：到发线出岔的进路的锁闭及解锁。

（3）平面溜放调车：实现平面溜放进路的办理、建立、锁闭、解锁;实现平面溜放信号的开放、关闭。

（4）与区间闭塞结合：与单线半自动闭塞设备结合;与自动闭塞设备结合。

（5）场间结合：与车辆段、机务段、道口设备等场间联系电路结合。

（6）区域联锁：通过光交换机和光纤将一定距离内的2个站纳入一套联锁主机控制，实现了区域车站的设备分布式集中化管理，可以有效降低工程造价和施工难度。

5.3 记录存储和故障检测与诊断功能

GKI-33e微机联锁系统利用了计算机的信息处理能力和存储容量大的优点，计算机联锁系统为实现系统维护、行车管理自动化奠定了基础。这是传统微机联锁不具备的功能，其主要体现在：（1）系统可按时间顺序自动记录和储存车站值班员按钮操作情况、现场设备动作情况和行车作业情况。电务维修人员只需根据功能菜单提示，按压相应的功能键，将前一段时间内的系统运行狀况或作业情况按规定格式显示出来，作为查找故障、分析故障的参考。这些信息也可打印出来;（2）提供图像再现功能，即系统可将前一阶段储存的数据以站场图形方式显示在屏幕上，按照实际操作和车列运行情况再现出来，以便更直观地查找故障及分析问题;（3）实现进路储存和自动办理，可进一步提高车站行车作业效率;（4）具有集中检测和报警功能。

另外，集中检测和报警功能主要体现在两个方面：一是联锁系统的门检测功能，当系统自身出现故障时，维护人员可通过屏幕提示的错误号判断、查找故障，提高工作人员的故障处理能力和效率：二是对信号机、转辙机、轨道电路等现场设备的工作状态进行集中监测，一旦发现故障，及时记录并报警。监测和报警的具体内容可根据维修需要，全天候或定时对主体信号设备的参数进行测试、分析、判断，超限时及时报警[3]。

5.4 可维护性

信号系统由不同的子系统组成，各子系统本身又包含相关元件（如板件）。系统单个元件的错误并不对子系统或信号系统的主要故障造成影响。所以，涉及安全功能的监督等，系统都设计成冗余的。信号系统的各个子系统的设计是出于简化维护的目的。例如，多数印制电路板含有LED灯，用于显示板件的实际状态。各子系统的具体维护手册将于投入运行之前提交，这些文件将概述定期检修和故障检修，包括信号系统各元件故障检修的建议间隔。电务维修机具备电子故障日志功能，可以同时用于一个联锁系统和几个联锁系统。电务维修机显示联锁系统的当前故障。每个所显示的故障都有详细信息，如受影响的元件，故障位置或维修指导。故障条目由用户解决，注明故障处理人员姓名或附加注解。

6 结束语

随着行业的快速发展，企业往往会对铁路信号微机联锁系统提出新的或特殊的功能要求，特别是2022年韶钢对铁路运输要求非常高，即响应快、安全性高、故障率低等。GKI-33e微机联锁系统可以完美地实现特殊功能，这就使得其在实现特色联锁方面表现优秀。

2019年5月，韶钢物流部对工业站室内设备进行大修，采用GKl-33e微机联锁系统，至2020年1月验证期间未出现故障，铁路信号设备正常运行，对比大修前传统微机联锁系统更稳定，故障率更低，这也证实了此系统更适用于铁路站场。

参考文献：

[1]林瑜筠，铁路信号基础[M].北京：中国铁道工业出版社，2009.

[2]徐洪泽，岳强.车站信号计算机联锁控制系统原理及应用[M].北京：中国铁道工业出版社，2005.

[3]王永信.车站信号自动控制[M].北京：中国铁道工业出版社.2010.

作者简介：

李中伟（1979-），本科，工程师，研究方向：冶金物流运输管理。