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摘要：随着铁路控制技术的发展，车站规模的扩大，运输效率的提高，区域计算机联锁是今后的发展方向。区域计算机联锁的关键在于控制网络，控制网络的可靠性和安全性关系到系统的可靠性等级。本文设计了一种适用于区域联锁控制的安全信息传输局域网，以单模光纤为传输介质，用CAN总线通信协议构成了双环冗余控制网络。通过分析验证，本系统具有很高的可靠性，并降低了工程投资。
关键词：区域计算机联锁；安全信息传输网；光纤；CAN总线
中图分类号：G623.58 文献标识码：A
Research on Regional Computer Interlocking System Based on Safety Information Transmission Network
ZHANG Xiao-xing, Zhao Yang, Guo Jin
(School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)
Abstract: Regional computer interlocking is the development direction in the future, as the development of the railway control technology, the expansion of the railway station and the raise of transportation efficiency. The control network is the key to regional computer interlocking, the reliability and safety of the control network is related to the reliability level of this system. In this paper, an double loop redundancy control network based on CANBUS with the single-mode fiber-optical as transmission medium is designed, which is suitable for the regional computer interlocking control system. High reliability of this system is analysed and verified, and the engineering investment is reduced.
Key words: regional computer interlocking, safety information transmission network, fibre-optical, CANBUS
1 引言
中国铁路干线车站均已经采用计算机联锁控制系统，取代了原来的电气集中控制系统。当前主流的计算机联锁系统是以单个车站或车场为单位使用联锁机进行联锁逻辑运算，形成进路办理及现场信号设备控制等命令，并通过安全型继电器电路对控制命令进行执行的集中控制系统。
现行主流的计算机联锁系统，车站与车站之间、车场与车场之间的联系是通过站联电路和场联电路实现的，其不但影响站与站及转场作业的效率，且易发生故障，工程设计难度较大，施工风险较大，设计施工的失误容易造成重大的安全事故。为了提高系统的可靠性，简化设计、施工难度，降低建设投资，区域计算机联锁是我国铁路今后发展的方向。
区域计算机联锁（简称区域联锁）是采用网络安全传输技术，把整个控制区域看作一个车站，使用一套主联锁设备完成多个车站或多个车场的联锁逻辑运算的集中式信号控制系统，能够实现枢纽车站的集中控制和车站联锁、区间自动闭塞、调度集中的一体化控制[1]。
传统计算机联锁系统中，信号楼里大量的继电器组合、继电电路使得工程设计、施工难度较大，而且继电组合与现场设备通过大量的信号电缆连接，不但使得工程投资较高，而且电缆线路容易出现断线、混线等故障，存在着安全隐患。
随着计算机技术、微电子技术以及网络通信技术的发展，用智能化的全电子控制终端来替代以安全继电器电路为主的计算机联锁执行层成为今后的发展趋势。全电子控制终端的发展与投产使用是区域联锁联锁应用于实际的重要保障。
2 全电子控制终端
全电子控制终端作为区域联锁系统的执行表示电路，广泛分布于现场信号设备附近，按照联锁主机的控制命令对现场信号设备进行控制，并采集现场信号设备的状态信息并回传给联锁主机。全电子控制终端由具备不同功能的全电子控制模块组成。全电子控制模块具有命令执行、状态采集、故障保護等功能，可带电热插拔[2]。在现场设备聚集区选择合适地点设置控制终端柜，全电子控制模块安装在柜里。
全电子控制模块包括信号控制模块、道岔控制模块、轨道电路控制模块、零散电路控制模块等多种类型，以替代具有不同功能的继电控制电路。
信号控制模块用于信号机、表示器等的点灯控制以及状态采集，满足原电气集中对信号点灯控制电路运营技术条件[3]。1个信号控制模块可以控制1架进站、出站、进路信号机或4架调车信号机。
道岔控制模块分为三相交流五线制、直流四线制、直流六线制等类型。1个道岔控制模块控制一个转辙机或一组双动直流转辙机。
轨道电路控制模块分为25Hz相敏轨道电路控制模块和97型ZPW2000轨道电路控制模块两种。每个轨道电路控制模块具有4组轨道电路采集电路，来代替相应的4个轨道继电器的功能。
零散电路控制模块用于零散电路的命令执行以及状态采集。
用于铁路信号控制的设备必须遵守故障导向安全的原则，当发生故障的时候应进行安全侧输出。全电子控制模块的主控单元由两套完全独立的微电子处理单元组成，其通过CAN总线接收联锁机下发的命令，再通过“与”电路控制电子开关实现对现场设备的控制，实现控制单元的冗余热备。而且控制电路和检测电路是相互独立的，能够实现两者的互相监督。全电子控制模块还具有外线短路保护功能，取消了原执行电路中易于老化的熔断器，减少了故障点，提高了系统的可靠性。
3 区域计算机联锁系统
区域联锁的联锁机与全电子控制终端之间通过光纤连接。联锁机完成联锁运算并发送控制命令，安装在现场的控制终端接收控制命令并控制信号机的灯光显示、动作转辙机，并将现场信号设备的状态信息及时回传给主控联锁机。联锁机与光纤双环网之间、现场信号设备与光纤双环网之间只需加装光电转换设备就能实现信息的传输，很容易实现。联锁机与全电子控制终端的控制命令和采集信息的传输由光纤完成，降低了成本、提高了系统的安全性和可靠性。图1为基于安全信息传输网的区域计算机联锁系统结构图。
图1 基于安全信息传输网的区域计算机联锁系统结构图
从图1可以看出，区域联锁系统的操作表示机采用双机热备方式，两者使用相同的硬件设备，开机启动时，首先工作的作为主机，主机故障时备机接替主机工作，原主机维修完后不再切换；联锁机采用二乘二取二冗余方式，一台联锁机为一系，每一系采用双CPU结构，装有功能相同但编程方式不同的两套联锁软件，只有当两套联锁软件的输出结果相同时，这一系才能输出，然后两系的输出结果再进行比较，比较结果一致时才能作为计算机联锁系统的控制命令进行输出，保证了联锁机运算结果的正确性，从而保障了本系统的可靠性和安全性。
4 安全信息傳输网
安全信息传输网是连接主控联锁机与全电子控制终端的具有故障-安全功能的局域网，实现联锁机与各控制终端之间信息的可靠传输，是区域联锁系统的重要组成部分。构建高可靠性的信息传输网是保障区域联锁高效、安全工作的关键。
安全信息传输网采用CAN总线协议构建主从式的分布式控制网络，由四根光纤组成双环冗余结构，联锁机是主节点，各控制终端是从节点。图2为安全信息传输网的结构示意图。
图2 安全信息传输网结构示意图
安全信息传输网采用单模光纤作为传输介质，与双绞线、同轴电缆相比，光纤不受电磁干扰及噪声的影响。采用光纤传输，最高传输速度可达125Mb/s，最长传输距离可达40km，不但控制距离变长、传输速率得到了提高，而且误码率很低，大大提高了网络传输的可靠性。光纤虽然在单价上较双绞线和同轴电缆要高，但本系统使用光纤的数量比传统方式的采用双绞线及同轴电缆数量要少得多，而且光纤的使用寿命更长，因此，工程投资比传统方式要少。
为了进一步提高网络传输数据的可靠性，安全信息传输网采用检测能力强的CRC码作为检错码进行数据传输。在网络空闲时，主节点周期性地发送查询报文，各从节点返回应答报文，及时检出网络故障。
安全信息传输网采用常用的环形结构构建控制局域网，为了提高系统的可靠性，采用冗余的双环网拓扑结构。尽管如此，如果双环网的某处光缆同时出现故障，比如断线故障，将会使整个系统瘫痪，不符合故障-安全的要求。构建可自愈的双环冗余网[4]，提高环形网络的可靠性是本文研究的重点。
整个双环网在局部光纤出现“双断”故障时，可以快速地实现环网自愈。以图3所示的可自愈的四节点光纤双环局域网为例分析当环网的某一处出现“双断”故障时的自愈过程。
图3 可自愈的四节点光纤双环局域网模型图
图3中，主节点的A、B两条环路同时发送数据包，各控制终端等待接收数据包，先到达控制终端并经校验正确的数据作为控制数据来控制信号设备，后到达的数据只用于校验。两条环网中任何一个环网故障都不会影响另一个环网的正常工作。
局域网的每个节点有三种工作状态：
① A、B两网不进行数据交换，此状态为通态。
② A、B两网通过网关进行数据交换，TXB发送报文，RXA接收报文，此状态称为左态。
③ A、B两网通过网关进行数据交换，TXA发送报文，RXB接收报文，此状态称为右态。
主节点每隔一固定周期发送一组查询报文，其它节点对报文进行应答来判断网络是否发生故障。在网络故障时，主节点负责环网的自愈。若主节点在设定的时限内没有收到其它节点的应答信息，则主节点认为网络故障；若其它节点在设定的时限内没有收到主节点的查询信息，则相关从节点认为网络故障。当网络故障时所有节点进入故障处理程序。假设图3中控制终端1与控制终端2之间的两条通信线路同时均发生故障，故障处理过程如下：
① 当发生故障后，主节点自动进入左态并发送查询信息，所有从节点自动进入右态，控制终端1收到查询信息并应答，主节点收到应答信息后与控制终端1组成了一个闭合环网。
② 主节点命令控制终端1进入通态，主节点发送查询信息，控制终端2收到查询信息并应答，主节点收到应答信息，与控制终端1、2组成了一个闭合环。
③ 主节点命令控制终端2进入通态，主节点发送查询信息，由于控制终端2、3之间的通信链路发生故障，在规定的时间内控制终端3收不到查询信息，主节点在规定时限内接收不到应答信息，则判断控制终端2、3之间的通信链路发生故障。主节点命令控制终端2进入右态。主节点与控制终端1、2组成了一个自愈环。
④ 在规定时限内控制终端3没有收到主节点发送的查询信息，就自动由右态进入左态。主节点进入右态并发送查询信息，这时控制终端3收到查询信息并应答，主节点与控制终端3组成了一个闭合环。主节点命令控制终端3进入通态，主节点发送查询报文，由于控制终端2、3之间的通信链路发生故障，在规定的时间内控制终端2收不到查询报文，主节点在规定时限内接收不到应答信息，则判断控制终端2、3之间的通信链路发生故障。主节点命令控制终端3进入右态。主节点与控制终端3重新组成了一个自愈环。
⑤ 主节点进入通态。这时，整个网络已实现自愈过程，故障点也已经准确定位。
四节点的双环光纤网可以实现某处双环网同时故障时的自愈。只要保证一处故障定位后及时维修，双环网络两处以上同时故障是小概率事件，可以忽略不计。多于四节点的双环网络用同样的方法可以实现网络“双断”故障时的自愈过程。通过可自愈的双环光纤局域网设计使整个系统能够达到很高的可靠性，完全满足区域计算机联锁控制系统对控制网络可靠性的要求。
5 结论
区域计算机联锁实现了远程区域控制，远方的车站中不再设置操作表示机，实现了区域联锁和被控车站的无人值守，达到了减员增效的目的。采用全电子控制模块，大量减少了继电器电路，取消了信号机械室内大量的组合柜，大大减少了铁路信号房屋的占地面积，节省了建设投资，也减少了工程设计的工作量。通过可自愈的双环光纤局域网设计实现解决了区域联锁最主要的控制局域网的可靠性问题，从而保证了区域计算机联锁系统的可靠性、安全性。
参考文献：
[1] 黄卫中.区域计算机联锁系统的设计和实现[J].铁道通信信号,2005,41(9):6-10.
[2] 何涛,范多旺,魏宗寿等.铁路车站信号计算机联锁全电子执行单元研究[J].铁道学报,2007,29(2):118-121.
[3] 赵志熙.车站信号控制系统[M].北京:中国铁道出版社, 1993:77,96-97.
[4] 王玺.分布式计算机联锁系统安全信息传输网络研究[J].中国科技信息,2006,(16):128-158.
关键词：区域计算机联锁；安全信息传输网；光纤；CAN总线
中图分类号：G623.58 文献标识码：A
Research on Regional Computer Interlocking System Based on Safety Information Transmission Network
ZHANG Xiao-xing, Zhao Yang, Guo Jin
(School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)
Abstract: Regional computer interlocking is the development direction in the future, as the development of the railway control technology, the expansion of the railway station and the raise of transportation efficiency. The control network is the key to regional computer interlocking, the reliability and safety of the control network is related to the reliability level of this system. In this paper, an double loop redundancy control network based on CANBUS with the single-mode fiber-optical as transmission medium is designed, which is suitable for the regional computer interlocking control system. High reliability of this system is analysed and verified, and the engineering investment is reduced.
Key words: regional computer interlocking, safety information transmission network, fibre-optical, CANBUS
1 引言
中国铁路干线车站均已经采用计算机联锁控制系统，取代了原来的电气集中控制系统。当前主流的计算机联锁系统是以单个车站或车场为单位使用联锁机进行联锁逻辑运算，形成进路办理及现场信号设备控制等命令，并通过安全型继电器电路对控制命令进行执行的集中控制系统。
现行主流的计算机联锁系统，车站与车站之间、车场与车场之间的联系是通过站联电路和场联电路实现的，其不但影响站与站及转场作业的效率，且易发生故障，工程设计难度较大，施工风险较大，设计施工的失误容易造成重大的安全事故。为了提高系统的可靠性，简化设计、施工难度，降低建设投资，区域计算机联锁是我国铁路今后发展的方向。
区域计算机联锁（简称区域联锁）是采用网络安全传输技术，把整个控制区域看作一个车站，使用一套主联锁设备完成多个车站或多个车场的联锁逻辑运算的集中式信号控制系统，能够实现枢纽车站的集中控制和车站联锁、区间自动闭塞、调度集中的一体化控制[1]。
传统计算机联锁系统中，信号楼里大量的继电器组合、继电电路使得工程设计、施工难度较大，而且继电组合与现场设备通过大量的信号电缆连接，不但使得工程投资较高，而且电缆线路容易出现断线、混线等故障，存在着安全隐患。
随着计算机技术、微电子技术以及网络通信技术的发展，用智能化的全电子控制终端来替代以安全继电器电路为主的计算机联锁执行层成为今后的发展趋势。全电子控制终端的发展与投产使用是区域联锁联锁应用于实际的重要保障。
2 全电子控制终端
全电子控制终端作为区域联锁系统的执行表示电路，广泛分布于现场信号设备附近，按照联锁主机的控制命令对现场信号设备进行控制，并采集现场信号设备的状态信息并回传给联锁主机。全电子控制终端由具备不同功能的全电子控制模块组成。全电子控制模块具有命令执行、状态采集、故障保護等功能，可带电热插拔[2]。在现场设备聚集区选择合适地点设置控制终端柜，全电子控制模块安装在柜里。
全电子控制模块包括信号控制模块、道岔控制模块、轨道电路控制模块、零散电路控制模块等多种类型，以替代具有不同功能的继电控制电路。
信号控制模块用于信号机、表示器等的点灯控制以及状态采集，满足原电气集中对信号点灯控制电路运营技术条件[3]。1个信号控制模块可以控制1架进站、出站、进路信号机或4架调车信号机。
道岔控制模块分为三相交流五线制、直流四线制、直流六线制等类型。1个道岔控制模块控制一个转辙机或一组双动直流转辙机。
轨道电路控制模块分为25Hz相敏轨道电路控制模块和97型ZPW2000轨道电路控制模块两种。每个轨道电路控制模块具有4组轨道电路采集电路，来代替相应的4个轨道继电器的功能。
零散电路控制模块用于零散电路的命令执行以及状态采集。
用于铁路信号控制的设备必须遵守故障导向安全的原则，当发生故障的时候应进行安全侧输出。全电子控制模块的主控单元由两套完全独立的微电子处理单元组成，其通过CAN总线接收联锁机下发的命令，再通过“与”电路控制电子开关实现对现场设备的控制，实现控制单元的冗余热备。而且控制电路和检测电路是相互独立的，能够实现两者的互相监督。全电子控制模块还具有外线短路保护功能，取消了原执行电路中易于老化的熔断器，减少了故障点，提高了系统的可靠性。
3 区域计算机联锁系统
区域联锁的联锁机与全电子控制终端之间通过光纤连接。联锁机完成联锁运算并发送控制命令，安装在现场的控制终端接收控制命令并控制信号机的灯光显示、动作转辙机，并将现场信号设备的状态信息及时回传给主控联锁机。联锁机与光纤双环网之间、现场信号设备与光纤双环网之间只需加装光电转换设备就能实现信息的传输，很容易实现。联锁机与全电子控制终端的控制命令和采集信息的传输由光纤完成，降低了成本、提高了系统的安全性和可靠性。图1为基于安全信息传输网的区域计算机联锁系统结构图。
图1 基于安全信息传输网的区域计算机联锁系统结构图
从图1可以看出，区域联锁系统的操作表示机采用双机热备方式，两者使用相同的硬件设备，开机启动时，首先工作的作为主机，主机故障时备机接替主机工作，原主机维修完后不再切换；联锁机采用二乘二取二冗余方式，一台联锁机为一系，每一系采用双CPU结构，装有功能相同但编程方式不同的两套联锁软件，只有当两套联锁软件的输出结果相同时，这一系才能输出，然后两系的输出结果再进行比较，比较结果一致时才能作为计算机联锁系统的控制命令进行输出，保证了联锁机运算结果的正确性，从而保障了本系统的可靠性和安全性。
4 安全信息傳输网
安全信息传输网是连接主控联锁机与全电子控制终端的具有故障-安全功能的局域网，实现联锁机与各控制终端之间信息的可靠传输，是区域联锁系统的重要组成部分。构建高可靠性的信息传输网是保障区域联锁高效、安全工作的关键。
安全信息传输网采用CAN总线协议构建主从式的分布式控制网络，由四根光纤组成双环冗余结构，联锁机是主节点，各控制终端是从节点。图2为安全信息传输网的结构示意图。
图2 安全信息传输网结构示意图
安全信息传输网采用单模光纤作为传输介质，与双绞线、同轴电缆相比，光纤不受电磁干扰及噪声的影响。采用光纤传输，最高传输速度可达125Mb/s，最长传输距离可达40km，不但控制距离变长、传输速率得到了提高，而且误码率很低，大大提高了网络传输的可靠性。光纤虽然在单价上较双绞线和同轴电缆要高，但本系统使用光纤的数量比传统方式的采用双绞线及同轴电缆数量要少得多，而且光纤的使用寿命更长，因此，工程投资比传统方式要少。
为了进一步提高网络传输数据的可靠性，安全信息传输网采用检测能力强的CRC码作为检错码进行数据传输。在网络空闲时，主节点周期性地发送查询报文，各从节点返回应答报文，及时检出网络故障。
安全信息传输网采用常用的环形结构构建控制局域网，为了提高系统的可靠性，采用冗余的双环网拓扑结构。尽管如此，如果双环网的某处光缆同时出现故障，比如断线故障，将会使整个系统瘫痪，不符合故障-安全的要求。构建可自愈的双环冗余网[4]，提高环形网络的可靠性是本文研究的重点。
整个双环网在局部光纤出现“双断”故障时，可以快速地实现环网自愈。以图3所示的可自愈的四节点光纤双环局域网为例分析当环网的某一处出现“双断”故障时的自愈过程。
图3 可自愈的四节点光纤双环局域网模型图
图3中，主节点的A、B两条环路同时发送数据包，各控制终端等待接收数据包，先到达控制终端并经校验正确的数据作为控制数据来控制信号设备，后到达的数据只用于校验。两条环网中任何一个环网故障都不会影响另一个环网的正常工作。
局域网的每个节点有三种工作状态：
① A、B两网不进行数据交换，此状态为通态。
② A、B两网通过网关进行数据交换，TXB发送报文，RXA接收报文，此状态称为左态。
③ A、B两网通过网关进行数据交换，TXA发送报文，RXB接收报文，此状态称为右态。
主节点每隔一固定周期发送一组查询报文，其它节点对报文进行应答来判断网络是否发生故障。在网络故障时，主节点负责环网的自愈。若主节点在设定的时限内没有收到其它节点的应答信息，则主节点认为网络故障；若其它节点在设定的时限内没有收到主节点的查询信息，则相关从节点认为网络故障。当网络故障时所有节点进入故障处理程序。假设图3中控制终端1与控制终端2之间的两条通信线路同时均发生故障，故障处理过程如下：
① 当发生故障后，主节点自动进入左态并发送查询信息，所有从节点自动进入右态，控制终端1收到查询信息并应答，主节点收到应答信息后与控制终端1组成了一个闭合环网。
② 主节点命令控制终端1进入通态，主节点发送查询信息，控制终端2收到查询信息并应答，主节点收到应答信息，与控制终端1、2组成了一个闭合环。
③ 主节点命令控制终端2进入通态，主节点发送查询信息，由于控制终端2、3之间的通信链路发生故障，在规定的时间内控制终端3收不到查询信息，主节点在规定时限内接收不到应答信息，则判断控制终端2、3之间的通信链路发生故障。主节点命令控制终端2进入右态。主节点与控制终端1、2组成了一个自愈环。
④ 在规定时限内控制终端3没有收到主节点发送的查询信息，就自动由右态进入左态。主节点进入右态并发送查询信息，这时控制终端3收到查询信息并应答，主节点与控制终端3组成了一个闭合环。主节点命令控制终端3进入通态，主节点发送查询报文，由于控制终端2、3之间的通信链路发生故障，在规定的时间内控制终端2收不到查询报文，主节点在规定时限内接收不到应答信息，则判断控制终端2、3之间的通信链路发生故障。主节点命令控制终端3进入右态。主节点与控制终端3重新组成了一个自愈环。
⑤ 主节点进入通态。这时，整个网络已实现自愈过程，故障点也已经准确定位。
四节点的双环光纤网可以实现某处双环网同时故障时的自愈。只要保证一处故障定位后及时维修，双环网络两处以上同时故障是小概率事件，可以忽略不计。多于四节点的双环网络用同样的方法可以实现网络“双断”故障时的自愈过程。通过可自愈的双环光纤局域网设计使整个系统能够达到很高的可靠性，完全满足区域计算机联锁控制系统对控制网络可靠性的要求。
5 结论
区域计算机联锁实现了远程区域控制，远方的车站中不再设置操作表示机，实现了区域联锁和被控车站的无人值守，达到了减员增效的目的。采用全电子控制模块，大量减少了继电器电路，取消了信号机械室内大量的组合柜，大大减少了铁路信号房屋的占地面积，节省了建设投资，也减少了工程设计的工作量。通过可自愈的双环光纤局域网设计实现解决了区域联锁最主要的控制局域网的可靠性问题，从而保证了区域计算机联锁系统的可靠性、安全性。
参考文献：
[1] 黄卫中.区域计算机联锁系统的设计和实现[J].铁道通信信号,2005,41(9):6-10.
[2] 何涛,范多旺,魏宗寿等.铁路车站信号计算机联锁全电子执行单元研究[J].铁道学报,2007,29(2):118-121.
[3] 赵志熙.车站信号控制系统[M].北京:中国铁道出版社, 1993:77,96-97.
[4] 王玺.分布式计算机联锁系统安全信息传输网络研究[J].中国科技信息,2006,(16):128-158.