1引言
1.1课题研究背景
车站信号联锁系统是指挥列车完成指定运行计划，并保证其安全髙效运行的指挥控制及安全防护系统。所谓保证行车安全，就是保证列车或调车车列在其进路上运行的安全，要保证行车安全车站信号联锁系统必须采取如下措施：列车或车列在驶入进路之前，必须确保进路空闲；必须确保进路上的所有道忿的位置正确而且被锁在正确的位置；必须确保其它列车或车列不会从正面、侧面和尾部闯入进路而造成撞车事故。只有上述条件都满足时才允许让列车驶入进路。由上可看出信号、道盆和进路之间必须建立一定的制约关系，并且必须按照一定的程序才能动作和建立，只有这样才能保证行车安全。自1856年第一套车站联锁控制系统诞生以来，车站信号联锁系统经历了机械联锁控制、电气集中联锁控制和计算机联锁控制三个大的发展阶段。其中计算机联锁控制始于1978年，计算机联锁系统在瑞典哥德堡站的成功应用，后来日、美、英、德等国都研制了各自的计算机联锁系统。我国从20世纪80年代开始研究计算机联锁系统，1984年通号信号总公司研究设计院研制生产了国内第一套车站计算机联锁控制系统并成功运用在地方铁路中，随后铁道科学院研究院、北方交通大学和一些其它科研机构都相继研制生成了自己的联锁系统。截至目前，国产的计算机联锁系统已广泛地应用在铁路车站中，这些设备正在为我国的铁路运输事业做着积极的贡献。在车站信号联锁系统中引入计算机技术的目的在于进一步提高车站行车作业的安全和效率，改善车站操作人员劳动条件，为运营现代化提供所需的信息，降低工程费用，取得更好的经济效益。随着微电子技术、计算机应用软件以及可靠性和安全性技术的发展，计算机联锁系统在功能完善、现代化管理和节省费用等方面取得了很大的进步⑴。今功能完善方面：(1)计算机联锁系统通过联锁软件来实现联锁功能，较电气集中联锁系统减少了负责联锁处理的继电电路，便于车站的扩建和改装。(2)计算机联锁系统可实现自动办理列车进路的功能，即事先将每日的接发列车计划存入计算机中，然后根据列车车次号，在列车接近车站的时候从存储器的计划表中提取列车应到达的股道信息进而自动办理进路。(3)计算机联锁系统通过对计算机操作来完成进路控制，可简化操作手续和减少有关行车人员之间的直接联系，以防止误操作和延迟操作。(4)计算机联锁系统采用现代化的声、像、图文显示，内容更丰富，信息量更大，人机交互的功能更加完善。
尽管计算机联锁系统经过几十年的发展，在功能完善、安全以及可靠等方面有了很大的改进，但同样存在一些不足之处。如当前的计算机联锁系统仍保留了电气集中联锁系统的继电执行电路，使得计算机的智能化优点不能充分体现；并且大多数计算机联锁系统釆用集中控制结构，即联锁计算机集中地对信号机、道盆和区段等现场设备进行控制，这样的结构存在风险集中的缺点，使系统存在很大的安全隐患，经分析还存在以下缺点[2]:(1)继电执行电路与现场的转辙机、信号机以及轨道电路间存在大量的信号电缆，由于现场环境恶劣，电缆容易发生混线，断线故障，直接威胁到系统安全可靠的运行。(2)集中联锁结构，要求建立集中描述完整车站信号设备及其相互关系的大量的数据表，这些数据表包含大量属性各异、关系复杂、紧密稱合、冗余的静态与动态数据。这些数据表牵一发动全身，难于排查错误，给联锁系统的可靠性和安全性带来严重的不确定影响。(3)集中联锁结构，要求计算机联锁软件模块集中处理完整车站信号设备及其相互关系的大量的关系复杂且紧密親合数据表，导致实现集中联锁功能的软件模块间的逻辑关系复杂，增加了软件测试及安全评估认证的难度，导致软件可能隐含严重的错误和缺陷，严重影响联锁软件的安全性、可靠性及可用性。(4)集中联锁结构，对联锁机构的安全和可靠要求高，如果联锁机构出现故障，其影响面会很大，严重时会导致系统瘫痪。(5)针对千差万别的铁路车站，必须由系统生产商或集成商建立集中描述完整车站信号设备及其相互关系的大量的数据表，并完成系统的安装、调试以及系统改扩建甚至系统维护工作，这导致系统加工生产，测试及安装调试的工期长效率低，严重影响系统的大面积推广应用及更新换代的进度。针对集中式计算机联锁系统存在的缺陷和联锁系统更高效、更安全、更可靠、分散化、智能化发展要求，有必要研究一种分散式的计算机联锁系统。近年来，数字通信技术、总线接口技术、工业网络技术、电力电子技术的快速发展以及分布式控制技术的广泛运用，这些都为分散式计算机联锁系统的研究提供了可能性。
2分散式计算机联锁系统研究
本章从系统设计的角度出发，分析了分散式计算机联锁系统的层次结构，系统安全通信网络构建，以及分散模式下的系统功能需求，在此基础上提出了系统总体设计方案，从而为后面章节的系统软硬件设计提供了理论基础。人机交互层：也可称为操作表示层，位于车站值班室内，由操作表示机、显示设备、输入设备、监控机等组成，该层设备大多釆用双机热备冗余结构。主要功能是提供人机交换界面，供调度人员操作，并将操作动作生成命令发给联锁层；提供显示界面，对联锁结构输出的反映设备工作状态和行车作业情况的信息进行可视化显示。联锁层：联锁层是车站信号联锁系统的核心部分，由联锁机组成，这些联锁机釆用双机热备、3取2或2取2乘2冗余结构，具有很高的安全性和可靠性。联锁层的主要功能是对人机交互层的操作信息，信号机、动力转辙机和轨道电路状态的信息进行联锁逻辑处理，产生信号控制命令和道盆控制命令，并交付监控层的控制电路予以执行。I/O接口层：现有计算机联锁系统的I/O接口层电路有继电电路和全电子模块两种类型。主要功能是接收来自联锁层的控制命令，经信号机控制电路、道盆控制电路，改变信号显示和驱动道盆转换；并釆集信号状态信息、道盆状态信息以及轨道电路状态信息。现有计算机联锁系统大多采用集中控制方式，通过联锁机集中控制所有的现场设备，这不仅需要建立集中描述完整车站信号设备及其相互关系的大量的数据表，还需要结构复杂的联锁软件来处理这些数据表。复杂的联锁数据和软件既难于排查错误，又不便测试和安全认证，严重影响联锁系统的安全性、可靠性及可用性。并且，如果集中联锁系统的联锁机构出现故障，将对系统带来很大的影响，甚至导致整个车站瘫痪。因此，将集中的联锁功能分散化，即设计与现场设备一一对应的基本联锁单元分别负责自身设备的联锁运算和驱动采集，将会是一个有效的解决方法，符合我国铁路信号发展趋势。
3 分散式计算机联锁系统硬件设计........ 22
3.1 分散式计算机联锁系统硬件........ 22
3.1.1系统硬件需求分析........ 22
3.1.2系统硬件总体设计........ 24
3.2 基本联锁单元硬件设计........ 24
3.2.1信号基本联锁单元硬件设计........ 25
3.2.2道岔基本联锁单元硬件设计........ 27
3.2.3区段基本联锁单元硬件设计........ 30
3.3 小结 ........32
4 分散式计算机联锁系统软件设计........33
4.1 分散式计算机联锁系统软件总体设计........ 33
4.2 基本联锁单元软件设计........ 35
4.2.1信号基本联锁单元软件设计........ 35
4.2.2道岔基本联锁单元软件设计........ 43
4.2.3区段基本联锁单元软件设计........ 47
4.3 小结 ........51
5 系统测试与验证........ 52
5.1 分散式计算机联锁仿真系统研制........ 52
5.2 测试环境搭建........ 57
5.3 系统测试........ 58
5.4 小结........ 61
结论
本文综合运用计算机联锁技术、网络通信技术、电力电子控制技术、分布式控制技术等多种最新技术，设计了集联锁运算和现场设备控制监督监测一体化的全电子、模块化的基本联锁单元，形成了具有智能化、分散化结构的联锁系统。分散式联锁系统以与现场设备一一对应的基本联锁单元来实现联锁运算和现场设备的驱动采集，取代了现有联锁系统中的联锁机和继电器组合架，降低了联锁软件以及联锁数据的规模和复杂度，简化了系统结构，分散了集中联锁风险、分散了负荷，极大地提高了联锁系统的安全性、可靠性及可用性。本论文主要完成工作如下：分析了现有计算机联锁系统的层次结构和各层功能需求，在此基础上，借鉴相关技术资料提出了基于通信的分散式计算机联锁系统方案。分析了分散式计算机联锁系统硬件的功能需求，并设计了信号、道岔和区段基本联锁单元硬件电路。分析了分散式计算机联锁系统软件的功能需求，提出了分散式计算机联锁系统软件的总体架构，在此基础上，编制了信号、道岔和区段等基本联锁单元的关键软件功能模块。最后，搭建了一套分散式计算机联锁系统原理样机，并完成了分散式计算机联锁系统的功能测试。测试结果表明了分散式计算机联锁系统功能完备，具有高的可用性。本文设计的分散式计算机联锁系统，受条件所限，仅实现了单套计算机联锁系统的基本功能，并未进行软硬件冗余容错设计，若想将分散式计算机联锁系统运用在现实车站中，还需要进行大量的研究与实践，系统在开发和研制的过程中必然还存在很大的提高和改进的空间，本文所做的研究工作，为车站信号联锁系统的发展提供了一种新思路。
参考文献
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