中韩自主化全电子联锁系统对比研究

冯浩楠 ，董成文 ，李小帅 ，马晓姣 ，潘长清

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081；2. 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所，北京 100081；4. 中铁检验认证中心有限公司，北京 100081）

1 研究背景

计算机网络和通信技术的快速发展，促进铁路信号技术不断升级，列车运行实现了高速化和高密度化。地面的联锁系统通过用电子控制器件代替继电器装置的方式，完成了信号系统的数字化升级，降低了维护成本，提高了系统的可维护性[1-2]。

近年来，中国的兰州交通大学[3-5]、众合科技、北京全路通信信号设计研究院、西南交通大学[6]、中国铁道科学研究院[7-8]等对全电子联锁系统进行了研究，在国内部分铁路支线和车辆段等场合应用，但仍未在国内铁路领域大规模推广应用。

韩国全电子联锁系统研究起始于1990 年。针对全电子联锁系统中存在的问题和薄弱环节，2001 年起对全电子联锁系统制定了相应的标准和规范，并在韩国大多数车站正式推广使用。例如，京釜高速铁路的全电子联锁系统已进入全面升级的阶段[1]。基于韩国无线列车控制系统(Korean radio based train control system，KRTCS)，采用了以全电子联锁系统为中心的信号系统标准化方案，实现了对韩国信号系统的标准化管理[2]。

下面以中国铁道科学研究院研发的TYJL-IIIE 型自主化全电子联锁系统为例，将其与韩国自主化全电子联锁系统在架构、通信协议、实验等方面进行对比，为中国全电子联锁系统的发展和相关标准的制定提供参考。

2 联锁系统

中韩自主化全电子联锁系统均采用联锁逻辑与对象控制分离的架构，前者重点实现联锁的逻辑功能，后者主要完成对外部对象的安全通信和管理。联锁逻辑与对象控制的数字化交互，特别是对轨旁设备进行IP(Internet Protocol，网际互联协议)的控制方式，与传统的继电联锁相比，拓展了联锁系统的控制范围，增强了灵活性，同时为联锁系统功能拓展和升级改造等提供了便利。

2.1 系统架构

韩国设计的自主化全电子联锁系统为中心的信号控制架构，借鉴欧洲联锁子系统连接倡议(European initiative linking interlocking subsystems，EULYNX)的架构，对联锁系统接口对象进行分类统一的标准化管理，如图1 所示[9]。

图1 基于EULYNX 的全电子联锁架构 Figure 1 Structure of the all-electric interlocking system based on EULYNX

与韩国全电子联锁系统的架构类似，中国自主化全电子联锁系统也根据通信对象特性进行分类管理。在针对轨旁设备的对象控制器设计上略有不同：韩国的对象控制器形式上分为通信模块、主控制单元(main control unit，MCU)模块和输入/输出模块三部分，一个输入/输出模块对应一个IP；中国自主化全电子联锁系统为对象控制单元(object control unit，OCU)和控制模块两部分，前者完成与联锁逻辑部分的信息交互和传输处理，后者实现对轨旁设备数据的安全采集和驱动功能，一个OCU 有冗余双网IP，对应多个类型的控制模块。二者的对比如表1 所示。

表1 全电子联锁系统架构 Table 1 System architecture of the all-electricinterlocking system

以常用的轨旁设备——信号机和道岔为例，说明中韩控制模块控制差异。

2.2 控制模块

中国与韩国自主化全电子联锁系统中的信号和道岔控制模块，安全等级均为SIL4，采用如下措施确保安全。

1) 二取二安全结构。都是比较一致后对外输出，韩国的控制模块采用现场可编程逻辑门阵列(field program mable gate array，FPGA)进行硬件比较，中国的控制模块在驱动电路采用了电子开关和机械开关异构组合方式，避免共模错误。

2) 输出反馈。输出传感器回“读”输出给轨旁设备信息的反馈，与从CPU 接收的控制信息进行比较，检测错误。

3) 看门狗功能。设计读/写看门狗进行动态监测，每隔一段时间检测一次，如果未收到检查信号，表明是导向安全状态。当所有条件都恢复正常，才能处于运行状态。

4) 过流检测和防护功能。设置断路器，过流时切断信号电源。韩国的控制模块保护电路是在每个输出端口的负载电流为1.1A～1.12 A 时工作，工作输出电压应降至额定值的10%以内，在过流原因排除后自动恢复正常状态。

2.3 设备性能

对全电子联锁设备的性能指标进行对比，如表2所示。

表2 全电子联锁设备性能指标 Table 2 Performance index of the all-electricalinterlocking equipment

3 通信协议

标准的通信协议是关系到全电子联锁系统的功能扩展和与控制对象的互联互通，也影响系统的安全和可靠性。韩国和中国各自设计了一套符合安全标准的通信协议，以实现信息的可靠传输。

3.1 通信模型

基于互联互通开放系统(open system interconnection，OSI)7 层通信模型，中韩自主化全电子联锁通信模型的对比如表3 所示。由此可知，通信的底层(包括物理层、数据链路层和网络层)模型相同，由服务要点(point of service，PoS)定义；通信的上层(包括传输层、安全层、冗余层和应用层)共同形成标准通信接口(standard communication interface，SCI)。在应用层方面，二者根据系统特点和应用需求，分别制定了相应的应用协议；在安全通信层方面，韩国沿用欧洲的铁路安全运输应用协议 (rail safe transport application，RaSTA)[10]，中国采用铁道部制定的I 型铁路信号安全协议(railway signal safety protocol-I，RSSP-I)。

表3 全电子联锁系统通信模型 Table 3 Communication model of the all-electric interlocking system

3.2 安全层协议

RaSTA 协议对网络设备(交换机、路由器)的安全要求包括信息流控制、安全管理、自我测试、安全会话管理、访问控制、传输数据保护、监控记录等7 个领域共21 种，如识别、身份验证、根据设置规则控制流量等进行控制。中国采用的RSSP-I 协议对通信过程中的重复、删除、插入、重排序、损坏、延迟和伪装7 种类型的威胁进行防护[11]。从标准、应用场景、安全码、传输层等指标，对两种安全通信协议进行对比，如表4 所示。

表4 全电子联锁系统安全层协议 Table 4 Protocol in the safety layer of the all-electricinterlocking system

3.3 应用层协议

全电子联锁系统的应用层包括两类标准接口：SCI和标准诊断接口(standard diagnosis interface，SDI)。

3.3.1 通信标准接口协议

SCI 用于全电子联锁与其他控制系统或者轨旁系统的信息交互使用，是基于电报的接口，由传输层和应用层组成，未声明的电报定义不可用。根据通信对象，可分为两类：一类属于控制系统级别；另一类属于轨旁设备级别。韩国的SCI 遵循EULYNX 标准，公开的通用标准接口以SCI-XX 命名，如表5 所示。在系统级的通信对象方面，韩国SCI 标准仅涉及高铁、铁路等控制系统，而中国的SCI 标准将国铁、城轨领域的控制对象全覆盖；在轨旁设备级通信对象方面，二者根据各自的功能需求和系统架构，完成了对轨旁设备的数字化协议。

表5 全电子联锁系统标准通信接口协议 Table 5 Standard communication interface of the all-electric interlocking system

3.3.2 标准维护接口协议

韩国自主化全电子联锁维护和数据管理(maintenance data management，MDM)与每个设备子系统之间的接口由SDI-xx 定义，SDI 包括SDI-LS、SDI-P、SDI-TDS 和 SDI-IO。

SDI 通信协议采用简单的网络管理协议(simple network management protocol，SNMP)或用于过程控制统一架构的对象链接和嵌入(OLE for process control- unified architecture，OPC-UA)协议。当使用SNMP 时，以事件驱动的方式收集诊断消息，发送到诊断收集器；当使用OPC-UA 时，诊断消息以事件驱动的方式收集和存储在相关系统中。诊断收集器定时向连接系统请求诊断消息。特定的设备或子系统使用其中一个协议，MDM 兼容两者协议，使用SNMP 或OPC-UA的诊断消息，以事件方式发送和接收信息。

中国自主化全电子联锁系统的维护信息的通信协议为UDP 单向发送。应用内容分为两个级别：第一级为系统级监控信息，包括OCU 与CI 逻辑部通信状态、安全通信报警等错误信息，这些信息由OCU 通过以太网传送给CI 逻辑部，再由CI 逻辑部发送给维修机；第二级为控制模块级监控信息，信号模块提供灯丝电流模拟量信息，道岔模块提供道岔动作时间、定位反位状态、动作电流数据等信息。上述这些信息由各个全电子执行模块通过CAN 总线通信发送给维修分机，再由维修分机发送给维修机记录。为了对全电子执行系统的故障进行快速诊断和维修，还研发了远程智能运维系统。基于两套冗余结构的窄带物联网(narrow band internet of things，NB-IoT)通信方式，将上述关于控制模块的维修信息发送到云服务器，根据用户权限，给相关维修人员及时推送监控信息和报警，还可以对全电子执行系统进行在线维修和统计[12]。中韩标准维护接口协议的对比如表6 所示。

表6 全电子联锁系统标准维护接口协议 Table 6 Standard diagnosis interface of the all-electric interlocking system

4 系统实验

4.1 实验室测试

韩国在进行实验室测试时，选取3 家制造商的信号机和道岔产品与控制模块连接，进行互联互通测试。测试环境包括电源负载、直流电子负载、数字多仪表等装置，测试项目包括阻抗测试、ID 读写测试、输出电流测试和输出电压测试，实验室测试连接如图2所示。

图2 韩国自主化全电子联锁系统控制模块的实验室测试 Figure 2 Laboratory test on a control module of indigenous all-electric interlocking system in South Korea

为了验证控制单元硬件是否满足功能需求和性能需求，TYJL-IIIE 型全电子联锁系统的控制模块搭建测试环境如图3 所示。24 V 电源接入电源后接板供电，PC 机通过CAN 盒向控制模块发送控制命令，观察轨旁设备响应。测试项目包括控制模块工作电源、时钟电路、CAN 通信、复位电路、串口电路、轨旁设备控制电路、轨旁设备状态采集电路、事故电路和切换电路信号的功能和性能测试等9 项内容。

图3 中国自主化全电子联锁系统控制模块实验室测试 Figure 3 Laboratory test on a control module of indigenous all-electric interlocking system in China

4.2 现场实验

韩国全电子联锁系统在O-song 综合铁路试验轨道上进行现场兼容性测试，测试轨道如图4 所示[13]。按照全电子联锁系统功能的划分，选取联锁集中站TS02 和非集中站TS03，按功能安装测试设备进行测试，测试内容如表7 所示。

在投入城市轨道交通的现场使用前，中国铁道科学研究院研发的TYJL-IIIE 自主化全电子联锁系统需经过多项集成测试，包括验证冗余通功能的结构测试，验证内部接口、外部接口、电源接口的接口测试，验证安全通信、模块管理、轨旁设备控制的功能测试，验证通信周期、模块容量的性能测试，验证各种协议、配置参数的需求测试[14]。自主化全电子联锁系统的现场安装如图5 所示。

图4 韩国全电子联锁系统测试线路 Figure 4 Test line on the all-electric interlocking system in South Korea

表7 韩国全电子联锁系统的现场测试 Table 7 On-site test of the all-electric interlockingsystem in South Korea

图5 TYJL-IIIE 全电子联锁系统机柜 Figure 5 TYJL-IIIE all-electric interlocking system cabinet

5 结语

中国和韩国根据本国铁路特性，开发了自主化全电子联锁系统。韩国铁路信号设备大多来自欧洲信号厂商，因此全电子联锁系统的开发沿用了欧洲的EULYNX标准框架，以便于对韩国信号系统升级改造；目前，中国全电子联锁系统处于自主化研制应用评估阶段。

1) 在全电子联锁系统的架构方面，二者都采用联锁逻辑和控制功能分离的架构。韩国的全电子联锁控制模块可安放在轨旁或室内，而中国的控制模块则安放在室内。

2) 二者的应用场合不同，目前韩国全电子联锁系统设计和试验主要应用于高铁线路，而中国全电子联锁系统的应用场合主要集中在场段和城市轨道交通领域，基于其应用效果，将在铁路领域逐步推广使用。

3) 在全电子联锁系统通信协议方面，韩国完全借鉴欧洲EULYNX 标准框架，而中国自主化全电子联锁系统处于由厂商根据系统特点自行定制的阶段，中国全电子联锁系统标准正在制定。

4) 在全电子联锁系统性能测试方面，二者都设计了严格的测试过程，完成了实验室测试和现场工程化测试，试验结果验证了系统的性能，保障了系统的安全可靠性。