铁路信号计算机联锁系统的研究与设计

王彩

（新疆铁道职业技术学院 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830011）

近几年，随着铁路事业的不断发展，高密性、重载性以及高速性成为了其主要发展方向，大部分车站的铁路信号联锁装置已经没有办法满足铁路信号安全性的更好需求。从技术方面来看，电气联锁和机械联锁是铁路信号系统所经历的最重要两个阶段。现如今，我国继电联锁系统仍然应用在干线铁路和企业自备铁路中。在70年代末期出现的新型微处理器以及相关技术理论的完善，正在使人们认识到以微型计算机所谓计算机联锁系统核心应用的重要性。

通常情况下，常规的计算机控制系统不能保证故障解决工作的安全性，不能辨别外部输入的信息是否正确，以及不能在系统出现故障的时候给予正确的安全导向，在实际应用上受到了很大的约束。目前，存在于我国干线铁路的计算机联锁系统，大多数都是价格昂贵的国外铁路信号公司的容错计算机控制系统。因此，最近几年，国内也有不少铁路科研院的专业人员都将铁路安全的信号控制系统作为主要研究内容。只有确保在铁路工程中有效应用计算机联锁系统，才能将铁路信号系统出现故障的几率降到最低，最终使铁路企业能够安全的运作。

1 关于计算机联锁系的定义和作用

计算机联锁系统指的在计算机系统的有效应用下，结合硬件和软件，从而保证铁路信号各组成部分有一个稳定的联锁关系。从根本上来讲，也是一种相对安全的逻辑运算系统。在此过程中，可以录入操作信息命令，在逻辑系统中得到最准确的数值。并向执行机构反馈有价值的信息，建立高效率的传输通道。从计算机联锁系统的功能角度来看，计算机联锁系统不但可以控制继电联锁设备，同时在计算机设备的告诉处理下，还有良好的储存和联网功能，对继电器联锁设备的发展起到了至关重要的作用。

2 计算机联锁系统的主要特点

2.1 实效性特征

此特点代表着信息能够通过计算机进行有效的传输，利用分析和判断输入的信息，及时更新各种各样的信息，然后安全的方式将信息传递出去。因此利用计算机联锁系统能够对各种信息的变化情况进行实时掌握，使信号传输更加高效，这便是体现了计算机联锁系统的实效性。

2.2 经济性特点

在铁路工程中，计算机系统之所以被广泛应用，就是因为系统性的经济特点，联锁系统在很大程度上有效减少行业的程序成本投入。

2.3 机构模块标准化特点

在各个不同的领域应用计算机联锁系统，它的功能也各不相同，以应用在铁路工程中举例，因为铁路车站规模不同，因此，对结构模块的要求也有所不同。所以，在计算机联锁系统中，它的硬件和软件都相对比较标准。

图1：可靠性冗余结构图

图2：安全性冗余结构图

2.4 系统功能拓展性特点

以往的继电联锁系统，只有操作界面和解锁功能在用户的范围之内，缺乏其他功能的设计，但是通过计算机联锁系统能够有效填补这一漏洞，使铁路信号系统除了具备以上几个特点之外，还兼具了远程通信等相关管理功能。

2.5 系统安全特点

由于上述实效性的特点，因此系统的安全和可靠就显得至关重要。那么为了减少铁路通信系统的故障，计算机联锁系统要针对这俩方面提出有效措施，这样才能使信息在计算机系统中高效安全地传递。但是计算机本身就具备着不安全的特性，因此，这些安全隐患问题的解决刻不容缓。

3 计算机联锁系统的整体结构和组成部分

计算机联锁系统主要是利用计算机技术来取代以往的继电技术，在车站内部构建出实时控制系统。和类似于视频监控的相关控制系统相比，计算机联锁系统具有自己独特的特点，不仅要具有可靠性的实时目标，同时还要保证列车行车的安全，在技术应用方面具有严格的安全指标。

计算机联锁系统的硬件基本结构和工业市场上大多数的微机实时控制系统存在着很多共同点，通常组成为：联锁机、接口、过程输入通道和相关的外部的辅助设备，通过系统的主线关联在一起，最终形成了一个完整的计算机车站联锁控制系统。

由于对实效性和安全性的严格要求，对联锁系统的技术方面来讲，只采用单层的结构是无法满足其技术要求的，应该要用到更多层次的结构体系。铁路车站计算机联锁系统主要是通过技术手段来控制站场的进路。在操作指令下发到进路控制的过程中，主要可以分为人机对话层、联锁层以及控制层。人机对话层主要负责的是操作指令的下达，以及对实时站场内部的情况进行接收，最终在显示屏幕上显示出来。联锁层主要负责的是对接收到的信息进行分析和处理，满足联锁操作条件的信息才能传递到控制层。而控制层则是对室外进路控制信号设备进行控制，并采集其状态信息。具体对象为：信号机、道岔和轨道电路。

计算机联锁系统在通过微机技术对车站信号进行实时监控时，必须要确定系统的可靠性，保证在安全原则下进行故障排解。这时就需要在软件方面利用冗余技术应用到软件各部分模块当中，虽然在系统功能角度来看，增加模块是没必要的，但是它恰恰能够保证系统运行能够安全可靠。虽然冗余系统在不同的计算机联锁系统中，所表现出的方式不同，但是其中也有可靠性冗余结构和安全性冗余结构这样的共同之处。

如图1 所示为可靠性冗余结构。为了有效降低系统软件在故障时停止运作的几率，应用储备的二重结构，也就是加强可靠性来采取“或”关系的二重结构。安全性冗余结构在图2 中有所展示。为了降低系统故障是的危险性，要应用互相对比的二重结构。

依据不同类型的冗余结构，联锁系统也可以分为单机、双击储备、三级表决以及二乘二取二的计算机联锁系统。

4 铁路计算机联锁系统的结构设计分析

4.1 设计联锁数据管理系统

铁路联锁系统中的数据管理系统可以分为：绘制站场图中的静态站场数据和进路表的静态数据文件。站场静态数据主要应用于初始化站场设备控件和储存站场空间的具体位置等。其中上位机软件和模拟指标软件等，都需要从中读取到完整的数据。数据文件可以分为两个阶段：概述和详述。其中站场名称、屏幕的宽度和亮度、XY 网格的大小以及控件总数，都是概述的主要组成内容。XY 网格的作用主要是为了明确控件在整个站场图的位置。

在铁路计算机软件联锁处理过程当中，所需要处理的数据量非常庞大，一个有效的处理措施直接影响着联锁程序的应用质量。在设计进路表静态文件时，要对每一条进路都单独列出一个数据表，在此进路表中，纳入所有与此进路是相关的特性和变量。通常情况下，进路表的设计站场普遍很小，进路的数量少又单一，应用进路表静态文件，能够加快进路的处理速度，并能够保证进路处理工作的高效性和安全性。具体进路表应该囊括以下数据：进路起始段信号机名称、进路终止端信号机名称、进路的具体方式、所有岔道的详细信息、所有区段的全部信息、信号机信息、进路组成结构、有关敌对信号的相关消息。在这些数据当中，进路的方式可以用数字来进行标识，例如：1 代表正线接车的进路、2 代表侧线接车进路的情况、3 代表正线发车、4 代表侧线发车、5、6 分别代表不同的调车进路。

4.2 设计网络通信数据结构

在铁路计算机联锁系统中，上位机、联锁机和模拟指标机在信息传递上，都需要一个明确的格式，而且三者也有各自不同的方向。首先是从模拟指标机到上位机的传递方向。模拟指标机→联锁机和联锁机→上位机，都需要将站场上的控件信息传递出去。站场设备的状态也是由各种继电器的线路来决定的，在采集到的每个继电器上面的数值在联锁系统中被称为开关量。在网络传输过程中，每个站场的设备都有两个状态位“0”和“1”的共同特性。

其次，在上位机到模拟指标机的传输过程中，上位机→联锁机指的讲信息从上位机传递到联锁机；联锁机→模拟指标机代表着收到上位机传送过来的信息，经过联锁处理，最终安全输送出站场，实现联锁控制。

进路的排列数据命令格式为：

?

取消进路的命令格式为：

联锁机到模拟指标及的软件传送，实质上是模拟联锁处理后的站场设备操作命令。

4.3 改变联锁信号的逻辑表达方式

在铁路计算机联锁系统中硬件设备保证了信息的安全性，因为硬件存在着第二种逻辑的特点：安全和危险。根据故障发生的原则可以知道，一旦硬件设备出现故障，就会很大概率的呈现导向状态。这时就必须要保证电子电路的输出具有不对称性，也就是在电路出现故障的时候，保证安全性信息能够占有更高的优势。由此可见，常规的电子电路设计和逻辑表达方式很难满足其要求，最根本的原因是因为“s-a-0”和“s-a-1”两种固定逻辑型出现的故障是对称的。因此要将联锁信号的逻辑表达形式进行转变，在HJ04A 系统当中，应用了动静结合的相位判断安全逻辑表达形式，这样可以很好地满足联锁系统提出的容错率。

4.4 加强可靠性和故障的安全设计

在铁路信号领域范围内，行车安全一直都是铁路工程重点关注的对象。因此对计算机联锁系统的安全性和可靠性要求十分严格，面对这样的情况，有两种设计方式可以提供参考。一是加强系统的可靠性设计，此方法是基于可靠性的理论当中包含了系统故障的屏蔽效应，因此来用高可靠性来换取计算机联锁系统中的低故障率。但是可靠性技术一直都受不同程度的条件所控制，例如硬件冗余资源使用、高可靠性器材等。如果计算机联锁系统能够在可靠性的前提下来实现技术安全，那么也同样能够满足铁路信号稳定性为系统性能的高要求。

5 结束语

总而言之，铁路计算机联锁系统作为一种在铁路工程中应用广泛的一种新型现代化系统，不到能够提高铁路列车的运作效率，同时还能够加快铁路的自动化水平发展和管理水平发展。通过研究和分析计算机联锁系统的结构，最终采取三模静态的冗余技术，有效处理因系统故障造成的危险性问题，进而使我国铁路事业的发展能够有一个良好的支持。