齐志华

(中国铁道科学研究院通信信号研究所，100081，北京//副研究员)

1 研究背景

重庆轨道交通2号线北延伸段(以下简称“2号线)采用了高架跨坐单轨制式[1]。并选用了固定闭塞信号系统。该信号系统敷设在轨道梁肩部，由调度集中(CTC)子系统、计算机联锁(CBI)子系统、列车自动防护(ATP)子系统及列车位置检测(TD)子系统组成[2]。

CBI子系统采用了具备SIL4级安全证书的国产化TYJL-III型计算机联锁系统[3-4]，从层次上分为操作显示层、逻辑运算层和输入输出层。具体系统结构如图1所示[5-7]。操作显示层包括操作显示子系统和记录查询子系统，主要负责为车务和电务人员提供系统操作监控和分析维护，为CTC子系统及集中监测等其他系统提供信息接口；逻辑运算层包括联锁逻辑子系统，主要负责对整个系统进行调度管理并进行联锁逻辑运算；输入输出层包括输入子系统和输出子系统，主要负责接收联锁逻辑子系统命令并驱动轨旁设备接口层相应继电器，从而控制轨旁设备，同时向联锁逻辑子系统反馈轨旁设备的实时状态。

2 联锁系统发码功能设计

2.1 发码设计原则

由文献[9-11]，2号线的主要发码设计原则为：

图1 TYJL-III型计算机联锁系统结构

信号机未开放信号前，防护进路的信号机内方轨道区段、信号外方第一区段均不发码；进站信号机开放后，接近区段和接车进路上的区段按设计图要求驱动速度码；发车信号机开放后，股道和发车进路上的区段按设计图的要求驱动速度码；调车信号机开放后，接近区段和调车进路上的区段按设计图的要求驱动速度码；发码按照从远及近的顺序驱动进路上的码继电器，除了进路终端区段外，前方未发允许码，后方发禁止码；进路正常时，当前方相邻区段顺序占用时，本轨道区段停止发码，前方区段跳动时，不影响发码；当进路非正常占用或联锁条件不满足(包括进路始端解锁后的道岔断表示、超限、防护等)时，进路上的所有区段均停止发码；当区段不能正常解锁时，停止本区段和前方区段的发码；当收到紧急关闭信息时，相应的紧急关闭轨道区段停止发码；股道发允许码时，收到屏蔽门未关闭信息时，股道区段停止发码，当收到屏蔽门关闭正常信息后，能恢复发允许码；引导信号开放时，引导信号进路区段及接近区段不发码；当收到限速信息时，如果对应的区段发列车允许码，并且高于25码(即25 km/h)时，则降为25码；接车进路或调车进路的车列全部进入股道后，开始停稳延时，并继续发允许码，停稳延时到后，停止发允许码；当调车进路车列全部进入无岔区段时，开始停稳延时，并继续发允许码，经过一段时间后(停稳结束)，停止发允许码；股道同时存在的接、发车进路性质不一致时，股道发接车进路码值，当车全部进入股道，停稳延时结束后，直接转为发车进路码值。

2.2 发码设计的功能需求分析

既有联锁逻辑软件将站场按照信号、道岔、区段等类别定义结构体模块，并通过消息的传递来连接各模块。消息包括选路消息、进路消息及引导消息。每个结构体模块接收上一个结构体模块的消息后进行逻辑运算，再将消息输出给下一个结构体模块。以进路为例，联锁逻辑软件将消息从进路始端，依次经过进路各结构体模块，传递至进路终端，再将消息从该进路终端依次经过进路各结构体模块最终传递回进路始端，从而完成整个消息循环。

既有操作显示软件采用面向对象的思路，以模块化结构设计方法，接收联锁逻辑软件发送的站场信息并实时显示站场状态，接收车站车务值班员的操作命令并正确传达给联锁逻辑软件以进行逻辑处理，从而完成对站场设备的控制。

例如，2号线的鱼洞站在轨道区段设置了发码继电器，以表示区段的发码值。其站场布置示意图见图2。

图2 鱼洞站站场布置示意图

从图2可见，区段发码功能同信号机的开放状态及列车运行的位置信息相关联，每一条进路的各区段发码值不一定相同，不同性质进路(如列车进路和调车进路)的发码值也不相同。鱼洞站发码继电器的发码信息包括：①列车码，用于列车进路，用75J、65J、60J、50J、45J、35J及25J表示；②调车码，用于调车进路，用S25J、S15J表示；③X码，用于轻轨车辆段和折返线，用XMJ表示；④禁止码，表示所有发码继电器落下时该继电器吸起，用01MJ表示。其中，列车码和调车码的数值表示列车进入该区段的最高行驶速度(单位为km/h)。

同时，发码继电器是与方向继电器配合使用和设置的。方向继电器包括上行方向继电器LR和下行方向继电器RR。配合发码功能的方向继电器设置条件为：①单向运行区段不设置方向继电器。②双向运行时，常态方向区段不设置方向继电器，反向进路区段设置方向继电器。当上行向下行方向排列进路时，驱动RR方向继电器；当下行向上行方向排列进路时，驱动LR方向继电器。③当发码方向发生改变时，先驱动方向继电器，待其吸起后再驱动相应的发码继电器。④当发码状态由允许码变为禁止码后，先停止驱动发码继电器，再停止驱动方向继电器。

2.3 发码设计方案

根据既有软件和2号线发码要求，CBI子系统采用不影响既有联锁逻辑软件和操作显示软件程序结构的设计思路，控制发码继电器和方向继电器的输出，并将其实时显示在操作显示软件界面中，从而实现联锁逻辑软件的发码功能和操作显示软件的发码显示功能。这样既能保障既有软件的通用性及安全性，又能满足特定需求。

为了验证提出的交互双模自适应降阶无迹卡尔曼滤波算法的有效性，采用MATLAB软件进行仿真验证。将式(6)表述为：

(1) 在联锁逻辑软件中新增发码模块。在既有联锁逻辑软件与发码相关联的模块中，定义并设置新的发码结构模块。联锁逻辑软件通过该发码结构模块进行发码逻辑运算，检查联锁外部条件，最终完成对发码继电器和方向继电器的信息采集和驱动。此设计适用于各种类型和规模的站场，便于系统维护和站场升级改造，提高了系统的通用性和可维护性；不影响既有成熟的软件结构，便于车站现场联锁软件因设计变更而增加或去除相应的数据信息；新定义的发码模块将全部检查条件设置在模块内部，有效地避免了数据重复检查问题的产生。相对于传统编写发码数据的方法，该方法可简单制作站场联锁数据，并使每个模块功能统一，有效避免了发码数据遗漏情况的发生。

(2) 在操作显示软件中新增发码显示模块。在既有操作显示软件结构中，定义新的发码显示模块结构体。该结构体接收由联锁逻辑软件发送的发码状态信息和发码方向信息，并实时正确显示在操作显示界面。

2.4 发码设计功能的实现

在不影响既有联锁逻辑软件和操作显示软件的程序结构基础上，分别对联锁逻辑软件的发码功能和操作显示软件的发码显示功能进行设计开发。

2.4.1 发码功能的实现

根据既有联锁逻辑软件的结构和消息传递方式，新定义的发码结构模块设置在既有相应的无岔、道岔及股道等模块中。发码结构模块之间同样采取消息传递的方式。这样既可得到相关区段、道岔及股道模块的信息，又能通过消息传递的方式取得相邻发码结构模块的消息，实现发码消息的传递过程。

图3为新定义的发码结构模块在既有软件相应模块中的设置方式和消息传递过程。由图3可见：①虚线表示的引导消息和选路消息与发码模块没有直接联系；②新定义的发码结构模块只获取既有模块的进路消息作为发码运算依据，且不影响或也不修改此消息值；③发码消息由股道、道岔及无岔等模块接收后，传递给发码结构模块运算处理；④在进路已建立的条件下，发码结构模块综合传递进路消息、进路中包含信号机的开放状态及列车运行位置等信息，经逻辑运算输出相应的发码值和发码消息，从而完成全部发码功能。

图3 发码模块设置及消息传递过程

图4为软件发码结构模块实现正确发码功能的基本流程。由图4可见，根据设计发码原则，联锁逻辑软件发码模块实现了从相应的区段获取传递的进路消息值并用于判断进路状态，依据进路性质、进路方向、列车运行位置等因素决定该区段的发码条件和发码值，并经逻辑运算确定用于该区段发码的发码继电器和方向继电器的驱动条件，最终完成发码的控制输出。

2.4.2 发码显示功能的实现

结合码序表、联锁逻辑软件发码设计，操作显示软件应具备接收联锁逻辑软件传送的发码值即速度码，并在操作显示软件人机交互界面中相应的区段显示该速度码的功能。依据联锁逻辑软件处理的发码继电器和方向继电器种类信息，操作显示软件显示速度码参数、含义如表1所示。

图4 发码结构模块实现发码功能的流程

表1 速度码显示参数及含义

根据速度码显示参数及含义，发码显示模块设置在既有操作显示软件中的轨道模块及道岔模块中，接收处理联锁逻辑软件发送的发码状态信息，并实时显示。图5为新增加的发码显示模块逻辑运算流程。

图5 软件发码显示模块逻辑运算流程

3 联锁系统发码设计测试验证

新增发码模块既不引入新的错误，也不影响既有计算机联锁系统软件结构，并使CBI子系统仍符合SIL4级安全等级要求，对新增发码模块及CBI子系统按相关安全等级的要求进行了风险源识别、风险分析、模块级代码测试、系统集成测试、系统安全验证和确认等。

文献[14-17]的分析、测试及验证结论表明：设计开发的发码模块通过了模块级代码测试；设计开发中没有引入新的错误，不影响既有系统软件结构，满足测试要求和设计需求；采用此发码设计的TYJL-III型计算机联锁系统足够安全，并符合SIL4级安全等级要求，满足2号线的要求。

4 联锁系统发码设计应用

采用这种发码设计的TYJL-III型计算机联锁系统经过严格规范的工程设计、软件编制、软件测试与验证、系统联锁试验和现场安装调试等环节[18]，已在2号线投入使用。

使用情况表明，采用这种发码设计的TYJL-III型计算机联锁系统满足了2号线的特殊发码需求。图6为TYJL-III型计算机联锁系统发码设计实现的站场界面实景图。

图6 车站CBI子系统发码设计站场界面实景图

5 结语

区段的发码是信号的显示，给列车提供正确运行的授权条件。2号线计算机联锁系统，经一年多运营表明，系统应用良好，达到了预期目的和效果。此发码设计既可保障既有计算机联锁系统的可靠性和安全性，又能有效提高计算机联锁系统的可用性和可维护性，能显著提高轨道交通运营效率。

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