关于全电子联锁与计算机联锁系统的对比分析

毛 芳

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100045）

1 联锁系统的发展

第一代联锁系统是机械联锁。于1856 年诞生第一套简单的机械式车站联锁控制设备，初步实现了联锁关系，但由于当时技术发展水平的限制，其可用性较差；由此，时代的进步促进了第二代继电器联锁系统的发展，以国内6502 电气集中式继电器联锁系统为代表，通过纯继电器电路的搭建实现了联锁关系，但存在设备笨重、可扩展性能较差、维护不便等问题；在第二代联锁系统的基础上，通过计算机软件逻辑代替原有6502 的15 条网络线设计、并与室外设备采用接口继电器的方式进行优化，相比于6502 有了很大的进步和改善，逐渐形成了第三代计算机联锁系统。

目前，被广泛应用的计算机联锁系统的安全性、可靠性、可用性等均能满足当前城市轨道交通中运营的需要，也是近年来各大城市频繁使用的产品。但是，经过时间的沉淀和检验，计算机联锁系统与室外设备的接口继电器组合占用空间大、配线复杂、施工周期较长、日常维护工作量较大、复杂电路的故障排查较为困难、能耗较高等问题也逐渐显露出来。与此同时，随着电力电子、自动控制、计算机、冗余、容错等技术的发展，采用模块化结构设计的电子联锁系统替换室内组合电路直接与轨旁设备接口的技术应运而生，逐渐向第四代全电子联锁系统发展。

近年来，各国计算机联锁系统正在向全电子联锁系统发展，使计算机联锁系统具有开放式结构、更加小型化和智能化。用电子执行单元取代由继电器驱动的信号和转辙机等设备的全电子联锁系统，目前在欧洲轨道交通项目中已经被普遍采用，虽然在国内还未大面积使用，但在很多城市也有了工程应用案例。

2 系统架构

2.1 计算机联锁系统架构

计算机联锁系统采用计算机进行逻辑运算，保留了6502 电气集中的执行电路，仍采用继电器组合方式，包括信号机点灯电路、轨道电路、道岔启动电路、各种联系电路等成熟的继电电路。经过长时间的改进和优化，这些继电电路的可靠性和抗外界冲击等性能逐渐得到改善，对行车安全起到了很好的保护作用，也在工程应用中积累了大量成熟的经验，日益完善、稳定性也在不断的提高。计算机联锁系统架构示意如图1 所示，主要包括人机交互层、联锁逻辑层、执行层和轨旁设备层。

图1 计算机联锁系统架构示意Fig.1 Schematic diagram of computer interlocking system architecture

1）人机交互层：人机交互界面，主要显示正线或站场线路配线，实时反映所辖范围内信号机、道岔、轨道区段等设备的状态和联锁逻辑关系，具有声光报警和提示功能，可进行相应的人工操作。

2）联锁逻辑层：包含联锁主机，内设核心联锁处理逻辑以及各种模式的联锁运算功能。

3）执行层：由输入/输出继电器组成，接收联锁主机发出的执行命令，通过相应继电器完成室内主机对室外轨旁设备的控制，并向联锁机构传输室外轨旁设备的状态信息。

4）轨旁设备层：轨旁的各种信号设备（如信号机、转辙机、轨道区段等）。

2.2 全电子联锁系统架构

全电子联锁系统架构示意如图2 所示。全电子联锁系统架构与计算机联锁系统架构大体类似，联锁电路也是由计算机进行控制，只是在执行层有所差异。执行电路采用电子执行单元替代传统的继电器组合，通过电子执行单元实时接收计算机联锁的控制命令并直接控制轨旁各类设备。

图2 全电子联锁系统架构示意Fig.2 Schematic diagram of full-electronic interlocking system architecture

电子执行单元由具有不同功能的各种电子模块组成，按照完全独立的单元模块化结构设计，执行单元内交叉冗余，整个系统在控制中更加灵活、简洁，提高了系统的可靠性和设备的安全性。电子模块可分为信号机、转辙机、轨道占用检测、输入/输出以及零散组合等多种类型，并且电子模块本身具有信息采集、状态监测、命令执行、过流保护、故障检测和诊断等功能，可支持热插拔。

3 对比分析

3.1 空间占用

计算机联锁系统是采用继电器实现对室外轨旁设备的相关控制，而全电子联锁系统的执行单元只需依靠电子模块就能直接对轨旁设备进行控制，操作更为简单、直接。

以15 架信号机、10 组道岔的设备集中站为例，若采用计算机联锁系统，需要1 个联锁主机柜、1个联锁I/O 柜和6 个组合柜；若采用全电子联锁系统，只需要1 个联锁主机柜、2 个目标控制柜和1个空开柜。相比而言，全电子联锁系统大大减少了组合柜的数量，节省了4 个机柜和300 多个继电器，大概能减少10 m2的占用空间。

根据项目的工程经验，一般传统计算机联锁系统集中站的信号设备室面积大约为80 ～90 m2，同一条件下全电子联锁系统信号设备室的使用面积大概是55 ～60 m2，将近减小了30%的用房面积。由此可知，全电子联锁系统的使用对减少建设投资、节省用房规模有显著的优势。

3.2 施工周期

由于计算机联锁系统保留了部分继电器执行电路，联锁电路与继电电路之间以及继电电路内部之间还存在大量的配线，需人工进行焊接连线，且接口配线较为复杂和繁琐，需耗费大量的人力和物力，现场施工复杂，容易出现误接线的情况，不利于系统的调试。

全电子联锁采用电子执行单元，设备接口模块化，只有少量的对外接口配线，且配线采用压接式端子，现场无需焊接、接线简单。因此，全电子联锁系统的施工周期相对较短，能节省施工成本。

3.3 监测功能

全电子联锁系统的电子执行单元有独立的通信信道，能与独立的监测系统进行通信，具有监测功能，可以通过监测系统对电子执行单元的运行状态、动作曲线、电气参数等进行记录和保存，也可以查看和回放。

计算机联锁系统不具备监测功能，无法直接对设备状态进行监测。

3.4 日常维护

计算机联锁系统中继电器之间配线复杂，继电器使用频率高，通过驱动继电器接点执行命令动作，出现故障的概率较大，并且不同类型的继电器或同一类型不同车站、不同位置的继电器都需要根据不同的使用情况制定相对应的维护和检修标准，因此，计算机联锁系统的日常维护工作量较大，还需定期对接口继电器进行更换维护，同时对维修人员的维修水平和能力也有较高的要求。

全电子联锁系统采用模块化设计，电子执行单元施工简单、维修方便、且支持板卡热插拔，由于具有信号集中监测功能，可实时监控运行状态，维护工作量小，基本不需要维修，如有必要可根据设备的监测状态进行故障修或状态修。

从现有城市轨道交通中计算机联锁系统的应用情况来看，继电器的故障率并不低，暂时还在运营部门的容忍范围内，但是近年来继电器设备价格一直在上涨，每年的维修成本也是一笔不小的费用。而全电子联锁系统免维护的特点无疑给运营部门带来了福音，是一种可行的解决方案。

3.5 故障排查

计算机联锁系统的继电器电路配线较复杂、故障定位困难，大多数情况下只能依靠之前积累的经验和熟练的维修人员对故障情况一一进行排查，进而解决故障问题，往往需要消耗大量时间成本，而故障出现的概率又是随机的，无法预估具体的维修时间，当遇到重大且难以处理的故障时，这对运营部门来说面临着巨大的压力和挑战。

而全电子联锁系统的信号集中监测功能，可以实时监控设备状态，能及时根据监测信息对设备故障情况进行排查，故障定位简单、能精准定位到板卡级，有效缩短了故障排查时间，节省了维修时间和成本。

3.6 系统扩展

计算机联锁系统的扩展比较困难，需对继电组合的联锁电路、电源环线等配线进行修改，增加继电器组合和组合架，对既有系统影响较大、系统扩展难度大且系统调试周期长。

全电子联锁系统采用模块化的设计、可扩展能力强，只需要在联锁系统的软件和接口上修改相应的配置数据，并在机柜中增加相应的电子执行模块即可，系统扩展简单，对既有系统改动少、影响小。

3.7 能耗情况

计算机联锁系统由于使用了大量的继电器设备，在同一集中站的设备配置下，采用全电子联锁系统能有效减少继电器的数量，因此，全电子联锁相较于计算机联锁的电源供电容量需求降低，相应的能耗也会减少，在一定程度上来说采用全电子联锁系统可以节能。

3.8 技术趋势

从联锁系统和技术的发展角度来看，第四代全电子联锁系统是继计算机联锁系统之后的又一次重大飞跃，未来将会成为主流发展方向。截至目前，已有多个厂家取得了全电子联锁的SIL4 级认证，并成功在工程项目中应用。

4 结论

综合上述对全电子联锁和计算机联锁系统的发展情况、系统架构及特点的对比分析可知：相比于计算机联锁系统，全电子联锁系统在故障处理、日常维护、占用空间、系统扩展等多方面有很大的优势，可以克服计算机联锁系统存在的占用空间大、维修工作量大、维护难度高等问题。近年来继电器价格一直在上涨，也造成了投资成本的提高，而使用全电子联锁系统在一定程度上节省了大量的人力和物力，有利于节约资源。

同时，全电子联锁虽然具有很多优点，但应明确全电子联锁在城市轨道交通项目中的应用尚处在起步阶段，还未进行全面推广和使用。而且，全电子联锁双套冗余的系统架构也增加了系统的复杂度和投资成本，其防雷和防电磁干扰的能力有待提升，且各地方业主对该系统的认可和接受程度也有待考量。但是从长远来看，全电子联锁是技术发展的必然趋势，也是未来主流的发展方向，相信在未来的城市轨道交通项目中一定能得到广泛的应用。