城市轨道交通信号全电子联锁系统结构探析

陈兆卫

（中铁通信信号勘测设计院有限公司，北京 ，100036）

1 全电子联锁系统概述

全电子联锁系统是城市轨道交通信号系统的重要组成部分，融合应用了现代电子信息技术、可靠性冗余技术在内的多项主流技术，实现对信号控制系统的优化，凸显出电子化、模块化的特征[1-2]，在此技术应用思路下，为城市轨道交通信号系统设备的升级创设了良好的基础。

全电子联锁的核心组成包含安全平台和联锁应用2部分，采用的是电子接口型安全平台，技术形式与继电接口相比，安全功能更为突出。继电接口型安全平台运行中，采用继电接口电路，以此来实现对室外信号设备的控制，继电接口与电子接口平台对比见图1。间接口电路，可显著提升可靠性。对比分析发现，对于传统的继电接口电路，其除了完成接口功能外，还需提供防护功能；而对于继电接口型安全平台，需充分保留既有接口电路的安全功能，以免影响到系统的安全性。

图1 继电接口与电子接口平台对比

电子接口型安全平台作为一种新型方案，在实际应用中也面临一些问题，例如：不再采取弱电控制的模式，需要主动向强电控制转换；电子器件存在故障时，如何维持导向安全极为关键；无继电接口电路的隔离，即此时室外的强干扰将有可能造成影响。电子接口型安全平台的优势也较为突出，其功能的多样化特征显著，具有传统继电接口电路所不具备的功能，其中以基于编码的电路较为突出，在此项功能的加持下，可提高混线防护水平；又如灯丝检测功能，能够及时掌握灯丝的实际工作状态，更快地识别出故障状态的部分。

2 全电子联锁系统的主要特征

2.1 执行驱动电子化

对于传统的计算机联锁执行层，在其配置工作中，通过与6502相同的执行组电路与室外设备接口，此方式的局限之处在于需要配套丰富的铁路专用继电器，且随着使用时间的延长，更易出现严重的氧化问题，后期运维阶段需要定期更换，工作繁琐，成本较高。全电子化联锁系统则对硬件装置的配套方式做出升级，此时不再采用重力型安全继电器，仪器配置得到精简，取而代之的是电力电子开关器件，更加高效地控制室外设备，具有稳定可靠、维修便捷等突出特点。

2.2 监测一体化功能

信号集中监测的模式能够全面采集动作电流、工作电压等各项关键的数据，进而做出相应调控，例如道岔的电流动作曲线则具有重要的参考价值。传统的计算机联锁方式，实施的是开关量控制的机制，而全电子联锁模块则配套采集电路，由其生成信号，以便对各项关键的信息全面监测，监测水平得以提高，且无需单独安装采集传感器，达到精简配置、提高运行水平的效果。

2.3 设备小型化特征突出

全电子化联锁系统采用到功能性较强的电子器件，在此配套方式下，可以实现6502执行组电路的功能，而该类电子器件的尺寸较小，可减少对空间的占用量，尤其是在轨道交通行业，可以减小车站的建筑规模降低土建的建设成本。以6502执行组电路的应用为例，对于单个道岔而言，需要配套7个继电器，而在全电子化联锁系统中，仅用体积较小的全电子模块即可有效替代，设备的配套复杂度降低，现场检维修工作量也随之减少。

3 全电子联锁系统的开发和应用

3.1 关键标准

综合考虑多类标准，全方位提高全电子联锁的应用水平，全电子联锁开发标准规范主要包括EN5012X系列标准，铁路信号相关标准及计算机联锁相关标准。全电子联锁开发标准规范可分为3类。

第1类：通用的安全标准，适用于电子系统的EN 50129、安全软件的EN 50128等。

第2类：铁路信号行业类标准，例如《LED铁路信号机构通用技术条件》（TB/T 3242—2010），诸如此类标准的重点在于提出明确的外部要求和约束，以保证运行环境的合理性。

第3类：计算机联锁直接相关的标准，较为关键的是《铁路车站计算机联锁技术条件》（TB/T 3027—2015），给车站计算机联锁做出更为清晰的引导，提出联锁功能、可靠性要求、软硬件配套要求等。在整个计算机联锁所涵盖的各项细分内容中，全电子联锁属于重要组成部分，因此该行业标准的颁布对于全电子联锁相关工作的开展具有重要的引导意义。

3.2 系统结构组成

传统计算机联锁系统的构成包含3部分：

（1）人机对话层。接收操作命令，高效地传递给联锁运算层；接收状态表示信息，同时可根据实际情况发出报警和提示信息，起到告知的作用。

（2）联锁运算层。核心功能在于负责联锁逻辑运算，操作命令和接收设备状态信息均可由该层接收，在获得相应的信息后，展开计算，据此生成相应的控制命令，传输给执行表示层，以便进一步操作。

（3）执行表示层。一方面，可全面采集源自于接口设备的信息，并将此部分完整地送至联锁运算层；另一方面，接收输出命令，有效控制驱动接口继电器。

3.3 全电子联锁系统的结构层次

全电子联锁系统的结构可分为3个层次：操作接口层、主控层和执行层。

（1）操作接口层由联锁监控机和维修机组成。分别为调度人员和信号人员提供设备操作监控和分析维护两类不同的功能界面，同时也为其它系统提供数据接口。

（2）主控层由联锁逻辑主机构成。是计算机联锁系统完成其主要控制逻辑和功能逻辑的核心层，是系统安全平台的核心。

（3）执行层由对象控制器和各种执行单元组成。接受主控层的控制，直接控制室外设备并采集室外设备状态。其中执行层电子执行系统采用全电子接口单元直接对道岔转辙机、信号机等轨旁设备进行控制和状态采集，取代了数量众多的安全型继电器。全电子联锁系统的结构仍保留了前述提及的3部分，但以执行表示层较为特殊，在传统方式的基础上升级，此时采用到电子执行单元，接收联锁运算层的控制命令，进而得到引导，做出相应的控制动作；并且，可全面采集现场信号设备的状态信息；也可以对现场设备的模拟量信息做转化处理，得到相应的数字量，在此运行机制下，发挥出集中监测设备的功能优势。全电子联锁系统结构见图2。

图2 全电子联锁结构

3.4 系统安全层面的要求

全电子联锁取消继电接口电路，由于采取到此布置方式，联锁系统需承担原本继电接口提供的接口功能，显现出系统边界扩大的特征。

在传统计算机联锁中，采用到继电接口，相关行业规范对其安全功能每小时容许危害率做出明确限定，要求该值必须控制在1×10-8以内。从逻辑功能边界的角度看，全电子计算机联锁有其独特性，其融入接口功能部分，此时自然会对安全功能提出更高的要求，一方面需要充分考虑到传统联锁执行表示层所具备的安全功能，另一方面则要密切关注到传统模式下的继电电路，必须实现其具备的安全功能。

通过对传统继电接口电路的分析可以得知，其配套安全型继电器，视为本质安全一类。在此基础上对比分析，对于全电子联锁的模式，配套有电子执行模块，要求应当具备传统模式下的相关安全功能，不仅于此，还需进一步考虑到安全完整性的要求，即至少满足执行表示层的安全设计要求；新模式下，配套的电子执行单元需要有良好的协调性特征，不可危及行车安全的驱动，也不可对正常的信息输出动作造成干扰。

3.5 信号机模块的设计

（1）从2个思路切入，开展信号机模块的设计工作。①采用智能控制模块，在此配置方式下，点灯命令由联锁运算层下发，在调控机制下形成特定的灯光组合，或是灵活完成的断丝处理操作；②匹配的是通用控制信号模块，其突出优势在于逻辑较为简单，联锁逻辑具有重要的作用，例如实现对灯位的组合控制，也可以完成断丝检查作业。

（2）对于信号机模块，无论在何种方式下，均要实现6502信号点灯电路所提供的几项功能。例如：短路和混线保护，在开展信号点灯电路的设计工作中，需要有全局化的理念，兼顾断线保护和混线防护的双重要求，以便营造良好的运行环境；灯丝监督功能，例如同时点亮两个或更多灯光的情况，以便及时识别到其中某断丝的灯泡；而在点亮单个灯光的状态下，也必须针对断丝现象做有效的反馈，及时反映出实际情况。

（3）信号机模块的软启动功能。在点灯的状态下，启动电路有循序渐进的变化状态，逐步增加至正常值，在此方式下，可防止因灯丝突然点亮而产生大电流冲击作用，对于灯丝而言有良好的保护效果，并且系统信号的可靠性也将大幅度提升，而从经济效益层面来看，维护成本也有所降低。

（4）信号机模块的冷丝检测功能。着重针对白炽灯展开测试，通过此方法的应用，判断灯泡在未点亮状态下灯丝的实际情况（例如是否存在不完好的情况）。配置LED灯，需要开展对等的测试工作，目的在于检查信号机的配线是否具有合理性，以及对电路的完好程度做出相应判断。

3.6 道岔模块

现阶段，四线制和五线制的电路较为常见，突出特性在于安全防护性能良好，在接地、短路等方面的防护工作中能够取得突出的效果。道岔表示极为关键，原因在于其是极具重要性的信号设备，且从多数联锁厂家的技术发展状况看，对道岔表示功能也予以了高度关注，提高道岔表示的正确性，最大限度规避道岔表示电路故障带来的风险，以保证安全。

在产生道岔转换命令后，需要及时做出相应的响应，例如此时联锁软件切断道岔表示，后续采集到的道岔表示与发出命令一致时，认可表示信息。

系统初始化时，对道岔表示提出特定的操作要求，此时需要用到人工确认的方式，以免出现故障错误表示的情况。而在有关于道岔模块的设计中，还需要密切关注的是传统道岔控制电路，重点识别其具备的安全防护功能，在全新的设计中予以保留，提升功能的可靠性。

3.7 分布式控制方式的实现

计算机控制系统面向生产过程采取分散控制措施，在自动化水平逐步提高的背景下，对综合控制系统的应用水平提出更高的要求，此时系统的复杂度有所提高，通常需融合包含计算机技术、网络技术在内的一系列技术形式，将危险分散，减轻对运行状态的不良影响。作为新型控制系统，践行分散控制的理念，但与此同时又融合了集中管理的思想，总体呈现出层次化的结构特征。全电子联锁系统的核心组成包含联锁逻辑运算、操作表示、数据网、执行单元，可采用的结构包含集中联锁、分散控制，在安全通信技术迅猛发展的趋势下，给全电子联锁系统的建立提供了重要的技术支持，此时更易实现分布式控制的目标。

概括而言，在合理应用分布式控制的方式后，可以取得以下效果：（1）被控子站的配置较为简单，仅设电子执行终端即可，在降低配置难度的同时还可减少成本投入；（2）终端电子单元的布置更具灵活性，可以优化轨旁布置，同时也减少了设备机房空间被大量占用的问题；（3）终端电子执行单元与逻辑部门形成良好的通信关系，其特点在于可有效规避电缆传输距离受限的问题，深度优化电力电缆的运行状态，以免由于此部分存在异常而诱发短路或因线缆传输距离导致的其他形式的故障。

3.8 联锁列车控制一体化的方式

联锁和列车控制分开设置的方案在我国铁路建设领域取得广泛的应用，其建设初衷在于尽可能削弱对既有联锁系统所造成的干扰，为此配套的是独立的列车控制中心，由其提供应答器控制等相关功能。值得思索的是，联锁和列车控制分开设置的方式有其存在的价值，但在实际应用中也有可能暴露出一系列的问题，例如联锁和列车控制中心功能重合，部分内部关键变量的共享水平有限。在此环境下，做进一步的探索，即如何实现联锁和列车控制的一体化建设，此方面是重要的突破口。

在一体化的设计方式下，列车控制中心、联锁功能重新优化，彼此的协同性得以提升，可集中交换信息，在此思路下，有助于提高系统内部数据的共享水平，从而规避以往独立设置所存在的问题。全电子联锁的方式还能够在不影响功能正常实现的前提下精简轨旁信号设备，施工配线量较之于传统方式减少，针对故障的诊断能力突出，也更便于开展维护工作。全电子联锁的协同性特征突出，对于各类车站列车控制中心控制的设备而言，均得到充分的考虑，同时通过分布式控制技术的应用，还可进一步提高列车运行控制系统的设计水平，充分彰显出此类系统在简捷化、电子化方面的特性，也能给全电子联锁的推广创设良好的条件。

4 结语

在城市轨道交通建设中，信号系统全电子联锁是重要的突破口，技术的探讨极为关键。分析全电子联锁和传统联锁2种模式，充分保留以往传统模式的优质功能，并在此基础上进一步探索，以求突破。提出全电子联锁的系统结构，并且，在分布式控制和列车控制一体化的协同作用下，能够创设更多的发展契机，对于全电子联锁系统的发展大有裨益。