高速铁路微机联锁控制系统技术研究

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摘 要：随着社会经济的发展，计算机技术的水平得到空前的提高，微机联锁技术在铁路方面的应用得到了更为广泛的应用。基于高速铁路建设的快速发展，对高速度和高安全性有了更高地要求，所以就需要微机联锁的自动进路控制，对微机联锁的控制系统进行设计，并对该系统的安全性进行验证，验证结果表明，该设计是可靠的，能够满足高铁安全运行的需要。
关键词：高铁 微机联锁 现场总线
中图分类号：U284.3 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-020-03
1 引言
随着现代社会的发展，铁道信号技术也是随着发展，微机联锁技术会逐渐得到应用和推广，会慢慢的向网络化、智能化方向发展。特别是在高速铁路方面的应用，由于车速、效率、高安全性的强烈要求下，更加体现了微机联锁的价值。当前联锁逐步向微机联锁方向发展，已经逐步取代了机械、机电和继电集中联锁。
为了确保微机联锁系统能够满足高速铁路运输的所有要求：（1）在安全可靠性方面必须过关；（2）实现各个列车的进出不受影响，排列有序；（3）操作方便，便于工作人员操作，并能对突发的事情及时的做出预警。笔者结合了郑西高铁和京石武高铁建设的基础上，根据工程实施中遇到的实际问题和总结出来的经验，针对国内外微机联锁控制系统的先进技术，对高铁微机联锁系统的硬件系统、软件系统进行初步设计，并对初定的设计进行安全性分析。
2 高铁及微机联锁概述
2.1 高铁的概述
高速铁路是指使原来的运输线路更加直线化，轨道的规矩更加标准化，使火车的运输速度速率达到200KM/h以上的铁路运输系统。高速铁路的正常运行需要所有环节协调配合，如运行速度需要达到一个标准，铁路轨道材质、轨矩和技术人员的操作水平等。众所周知，高铁具有输送能力大、运输速度快、安全性能好、受气候条件影响小，准时到达点率高、座位舒适、能耗低等优点。鉴于高铁的这些高要求，需要采用先进的技术对其进行指导，即需要微机联锁来控制其运行，保证铁路运输的高速安全。
随着经济的不断发展，高铁的建设工程步伐正在不断的逐步加快，武汉、郑州、成都、沈阳及其周边城际圈，从长沙到株州后在到湘潭地区，从长春市到吉林市区域，另在赣江、皖江经济区等经济据点，均要按照规划修建城际铁路。除了上述的城际铁路外，在一些重要的省会或是发达城市之间也要构筑高铁，如从广州市到南宁市，从成都到达兰州市、西安市、贵阳市，从太原市到达西安市等。计划到2020年，中国高速铁路时速达到200Km/h及以上铁路建设里程将达到世界一半以上的总里程，即中国的高铁铁路总里程将超过1.8万Km。
2.2 微机联锁概述
铁路信号方面的微机联锁是指，车站工作人员根据列车的运行需要对计算机施加命令，计算机在对接收到的信息进行逻辑运算，进而信号的传输实现对信号机及道岔等设备的集中控制，从而来进一步实现相互制约的联锁控制设备，即就是所谓的微机集中联锁。微机联锁系统不单要有快速的处理大量数据的能力，更重要的是要拥有更高的安全性、可靠性。所以，微机联锁系统及其相关的系统中需要各种通信方式的配合使用。其中通讯方式主要有以太网通信、现场总线通信等。
微机联锁与继电联锁的操作方法相似，但是它实现的技术变革为从有接点变为无接点，操作工作人员只需要处理进路始端钮、终端钮即可完成进路。随后计算机将按照工作人员的操作命令执行输入程序、联锁处理程序。按照输入的按钮代码，在进路矩阵中检查是否符合选路条件，找出相应的进路。随后按照代码命令检查对应道岔是否在所需要的规定位置，满足条件后再将道岔转换成所需要变换的位置，最后进行锁闭进路，并构建相对应的运行表。
3 微机联锁方案的设计
微机联锁系统由硬件、软件设备两部分构成。硬件设备包括联锁计算机、安全检索计算机、、安全检验计算机、监视器、微型集中操纵台、安全继电输入输出接口柜、计算机联锁专用电源屏以及现场信号机、转辙机、轨道电路等室外设备。软件设备友车站数据库和进行逻辑运算的应用程序两部分构成，它是制约进路、信号机和道岔的核心部分。其中微机联锁结构示意图如图1所示。
3.1 硬件设备设计
微机联锁系统根据设计要求，选用了所需要的硬件，由五个系统构成，其中包括由上位机和控制台构成的监控系统；由联锁机等构成的主控系统；由采集结合、继电控制电路及动态驱动设备构成的接口系统；由监测系统、维修机构成的辅助系统；电源系统。对于硬件设备的设计，由于篇幅的问题，这里紧介绍监控系统和主控系统，其余的三大系统不再赘述。
3.1.1 监控系统
高铁信号监测系统对铁路信号设备的运行质量进行实施监测，保证铁路运输的安全。它将现代最新技术设备，如传感器、现场总线、数据库等技术融合在一起，实时对设备的运行状态进行监测，保证列车高速安全运行。
根据设计要求选用监控机配置如下：
（1）主机板：主频为66MHZ，内存的最大容量为128M，1个软盘驱动器，硬盘的容量为20G，能够满足操作记录、报警记录等信息的所有存储。
（2）串行通信接口：型号为RS232，数量为2个，1个CRT，尺寸为15英寸。
（3）网络板的型号为CP一01，能够与联锁机进行通信。
（4）1块以太网卡，并拥有多屏VGA显示图卡、语音声卡和局域网通讯卡。
根据高铁的需要，选用2台彩色监视器，能够进行站场图形显示，设备的运行状态，并能对出现的事故作出相关的报警等。监控系统的结构示意图如图2所示。
3.1.2 主控系统
主控系统机柜由电源层、计算机层、采集层、驱动层和零层五部分组成。根据设计要求，选择的配置如下：电源层的采集电源、驱动电源、计算机电源工作电压分别为12€？V、12€？V、5€？.2V；计算机层根据高铁的需要选用的设备为STD5093微处理器板、AS-1指示报警板、NSTD一01通讯板、STD1604 I/O接口板；采集层中的采集母板里侧、背侧用的是96芯插座、32芯插座，采集板运用的是光电隔离技术，通过电源层的STDSV供给5V电，12V采集电源由采集母板提供12V电压供电；驱动层的配置与采集层一样；零层由联锁总线切换合、接地端子和零端子组成，其中联锁总线切换合共装有6个接插端口，接地端子是用来进行接地保护的，零端子共两个，分别为电源配线和切换校核的配线。
3.2 软件设计
高铁微机联锁系统的应用软件由四部分构成：
（1）信息处理：其中包括有操作信息处理、信息处理表示、维护信息的处理和管理信息的处理。
（2）进路控制功能：输入操作命令，实现进路的选出，进路的锁闭，进路的解锁等功能，并对那些没有选出的进路进行错误提示。
（3）执行控制：其中包括输出控制和输入功能。
（4）自动检测与诊断：能够自动的检测出硬件、软件的故障及其位置，同时并能检测出联锁程序在运行中的外在现象。
信息处理、执行控制和自动检测与诊断是系统本身具有的功能，不需要详细的在此陈述，这里详细的把进路控制功能做一下设计说明。
为了保障指挥的准确性，提高高铁运输效率，排除工作人员对车站作业的影响，减轻工作人员的劳动强度，按照高铁运输的需要，系统软件采用的是列车进路程序控制技术，即列车进路为自动办理，根据要求采用的是PRC进路系统。
PRC系统由四种功能组成，如下：
（1）输入功能：高铁列车进路的计划表的输入，提出了列车进路的始端信息、终端信息。计算机能在进行自动排列进路之前，工作人员首先将高铁列车日班计划表输入到计算机中。
对于信息采集来说：1）列车的位置，计算机对其进行排列前必须知其所在的位置，过早过晚都会道岔的闭锁和解锁造成造成很大的影响，会造成排列进路的失效；2）股道状态，计算机必须及时作出预警，提示工作人员，以防在安排的股道上让其它列车使用。
（2）逻辑运算功能：计算机能够按照工作人员的命令指示，进行逻辑运算。
（3）进路控制功能：这是列车进程自动控制系统的核心部分，根据列车运行计划表及其车次等信息来自动安排列车进路排列。
（4）人工干预功能：工作人员能对该系统进行人工干预，如在进路控制命令输出之前，计算机会就是否需要人工排列向工作人员作出提问，工作人员必须作出干预，否则，系统会直接进入自动排列模式，可能会造成事故的发生。
4 现场总线
现场总线通信是在20世纪末发展起来的，被称为自控领域的局域网，能够使现场设备和自控系统之间进行数字式、多分支结构通信。它在高铁的微机联锁控制系统方面得到了很广的应用。
现场总线由物理层、数据链路层、应用层和用户层四层构成，其功能如下：
（1）物理层：该层需明确现场总线的传输介质、现场总线的传输速率、现场总线的最大传输距离和现场总线的拓扑结构等。根据高铁的需要，选择现场总线的传输介质为光纤，现场总线的拓扑结构为点对点型。选用了高速的H2总线高速率的现场总线，H2为高速总线，其传输速率能够达到1Mbps/750m或2.5Mbps/500m，H2每段最多的节点数可以达到124个。
（2）数据链路层：在现场总线中，为了避免通信的延迟，采用管理方式是集中式的。根据高速铁路的需要，数据链路层选用的是LIN MASTER DEVICE令牌环网方式。
（3）应用层：该层由FMs（Fieldbus Messaging Specification）子层和AFS（Fiedl Access Sublayer）子层组成，上层提供了发布或索取方式，下层与数据链路层相衔接。
（4）用户层：该层按照规定制定了一些标准的（Function Block）功能模块，其中包含有基本功能、先进、计算、辅助功能块，其数量分别为10个、7个、7个、5个。这些标准的功能块均有输入、输出、算法、参数功能要素，会分别满足各自不同的要求。
5 安全性分析
根据高铁的现实情况，选用的是TMR系统，并对该系统的安全性进行分析，假如3个冗余模块都在正常工作，分别命名为A、B、C。三取二表决方法的意思是只要两个以上的模块正常工作，认为系统才是安全的。TMR系统的一个优点就是能够顺利的检测出出现故障的那个单一模块，这样就可以很高的提升了系统的安全性能。另外，将3个冗余模块以外的所有模块看成一个整体，就是所谓的外围设备。为了简化分析过程，假设所有模块的修复率、故障率均为相同，则TMR系统简化状态转移图如图3所示，其中：W-正常工作状态，P-安全状态，F-非危险故障状态，D-故障状态。
针对于上面的TMR系统的安全度分析可知，高铁微机联锁控制系统的设计的TMR系统是可靠的，该系统是安全的。
6 结论
（1）随着计算机技术的进一步发展，微机联锁在铁路方面的应用得到了更为广泛的推广，尤其在高速度运行下的高铁列车，微机联锁在高铁方面的应用不仅减少了劳动工作人员的工作强度，最重要的是提高了其运行的安全性，保证了乘客的生命安全。
（2）根据高铁高速运行的本身特点，微机联锁从硬件和软件方面进行设备配置，满足其运行需要。另外，配置了与微机联锁各系统正常运行的现场总线通信系统，最后对该系统的安全性进行验证，验证结果表明，该系统是安全的，能够满足其运行安全的需要。
参考文献：
[1] 赵志熙.微机联锁系统技术[M].北京：中国铁道出版社，1996：1-162.
[2] 吴汉麒.国外铁路信号新技术[M].北京：中国铁道出版社，2003：10-47.
[3] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999：1-162.
[4] 王希之.关于现场总线测控技术[M].北京：清华大学出版社，1997：1-76.