城市轨道交通工程中应用探究

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摘要：全电子联锁是联锁系统技术发展方向，在城市轨道交通工程中应用越来越广泛；文章针对全电子联锁的结构特点，根据具体模块分析工程设计要点，总结工程设计过程中难点与问题，提出相应的对策；从安全性、可靠性、经济性、可维护性、工程设计实施便利性、灵活性等方面与既有联锁对比，全电子联锁有全面的优势；全电子联锁系统在城市轨道交通工程中具有良好的应用前景。

关键词：城市轨道交通；全电子联锁；应用设计

计算机联锁系统目前已广泛应用于轨道交通工程中，常用的计算机联锁系统虽然逻辑运算部分采用计算机进行，但是执行部分还是采用继电器组合方式[1]。国内城市轨道交通领域应用全电子联锁车站、在建线路越来越多[2]。联锁系统是保障列车安全运行的核心基础设备，本文对全电子联锁的特点，存在的问题解决方案进行了研究探讨，结合对比继电联锁，全电子联锁在城市轨道交通工程中的应用具有重要意义和实用价值。

1结构特点

全电子计算机联锁系统是在既有计算机联锁系统的基础上，集成电子执行单元子系统，实现了轨旁设备直驱直采的功能。系统采用硬件安全冗余结构，并应通过权威第三方SIL4级认证。作为信号系统新一代联锁设备，全电子计算机联锁系统安全性高、体积小、功能强大、组网能力强，可为城市轨道交通自动化、信息化提供必要的基础信息。全电子计算机联锁系统代表着信号联锁领域的技术进步，是新一代信号控制的基础核心技术。

2方案设计

2.1总体设计

全电子计算机联锁系统一般由联锁运算子系统、电子执行单元、数据通信子系统、人机界面子系统、维护子系统组成，其联锁运算子系统一般继承了原有计算机联锁的功能以及通过安全网络与ATP、ATO、ATS/CTC等外部子系统的通信接口。全电子计算机联锁系统一般架构如图1所示：

2.2模块应用

2.2.1转辙机。道岔单元采用二乘二取二的热备冗余方式。道岔单元的主从CPU构成取二安全性冗余关系，独立收发、处理、执行、反馈正反码信息；控制通道和采集通道在硬件上设计为取二冗余并接受主从CPU共同控制。两个道岔单元构成乘二可靠性冗余关系。监测CPU测量、记录、上传转辙机动作电流和输出功率。直流四/六线制转辙机接口包括转辙机电源接口和转辙机控制接口。直流四/六线制控制单元只需要一路单相220V交流电源，其容量是原来动作电源和表示电源之和。相较于继电联锁设计，不再需要额外的动作电源，只需提供一路DJZ（F）220V，其容量是原来动作电源和表示电源之和。交流五线制道岔控制单元接口包括道岔电源接口和转辙机控制接口。交流五线制道岔控制器需要一路三相380V交流动作电源和一路220V交流表示电源。道岔控制单元的动作电源和表示电源配线为工厂配线，工程设计配线只需由电源屏将动作电源、表示电源引到执行机柜零层端子。2.2.2信号机。信号控制单元采用二乘二取二的热备冗余方式。信号单元的主从CPU构成取二安全性冗余关系，独立收发、处理、执行、反馈正反码信息；控制通道和采集通道在硬件上设计为取二冗余并接受主从CPU共同控制。两个信号单元构成乘二可靠性冗余关系。监测CPU实时测量、记录、上传各灯位的灯丝电流。信号电源由电源屏引入到信号电源接口，信号控制线由信号机控制接口引到分线盘。信号单元的信号电源配线为工厂配线，工程设计配线只需由电源屏引一路信号电源到执行机柜零层端子。2.2.3零散驱采接口零散驱采对象主要包括站场间联络、站台门、防淹门、试车线、扣车按钮、紧停按钮、折返按钮、人员防护开关等。零散驱采接口包括驱动电源接口、驱动接口、采集电源接口和采集接口。每个输出通道都有独立的驱动电源，每个输出通道可以使用独立的驱动电源也可以共用。各采集通道都是独立的，采集电源可以独立也可以共用。

2.3问题研究及对策

2.3.1防雷及接地。与继电联锁有继电器接口作为强隔离接口不同，全电子执行模块直接驱动采集室外转辙机、信号等轨旁设备，存在外部雷击、高压浪涌冲击、高压混电、强磁类干扰的风险，对模块PCB板卡冲击不易发现，较难定位，做好此类风险防范是安全运用全电子联锁设备的关键。（1）全电子模块采用二乘二取二设计，在最不利的情况下，能够保证故障导向安全，这是全电子执行模块的核心安全要素。（2）除了信号传输线在分线盘或引入架处应集中设置SPD[3]，各个外部设备，如站台门、紧急停车按钮、扣车按钮、人员防护开关等，尽量采用上下行独立空开控制供电，做到故障隔离。个别外部设备故障后，能控制影响范围，快速维护并恢复使用。2.3.2站台门接口设计。开门时，开门命令持续发送，直到收到站台门反馈已完成开门动作后，切断开门命令发送；关门时，关门命令持续发送，直到收到站台门反馈关闭并锁紧后，切断关门命令发送。站台门动作过程中，命令需持续有效。采用全电子执行模块替代继电组合后，存在开关门命令无法持续输出有效命令的问题[4]。解决问题的核心是如何能实现命令持续输出，实现途径主要有：（1）按继电电路思路，通过外搭自保电路，保证命令持续有效。接口设计采用安全继电器无源干接点，接口电气回路采用双切回路。此种方式技术上较为成熟，外部电路可参考继电联锁电路，不易出现故障，但仍然需要用到继电器，且需要单独设计组合内部电路及外部接口电路，维保方式与全电子执行模块差异较大。（2）通过联锁主机持续输出有效命令。部分联锁主机暂不支持持续输出有效命令，理论上可通过修改联锁软件实现该功能，鉴于联锁设计理念及修改软件带来的工作量及运行风险，目前此种方式暂无落地实施案例。

3全电子联锁与继电联锁比较

3.1继电联锁

在继电计算机联锁方案下，主用和备用安全计算单元都从同一个继电器接收信息，但都基于各自主机进行计算处理。联锁采集回路是由两套（A/B）安全计算单元独立进行采集，A系采集继电器的一组接点，同时采集前后接点。B系会采集该继电器的另一组接点，也会同时采集前后两个接点。两套安全计算单元会同时输出，把各自的命令都发送给同一个继电器。联锁通过继电器架和分线架接收其辖区内设备（信号机、转辙机、站台门、紧急停车按钮、扣车按钮、人员防护开关、计轴区段等）的状态。

3.2区别和对比

从系统的安全性方面，全电子化计算机联锁系统采用智能执行单元，通过处理器对执行单元的执行情况进行完全诊断，当故障发生时，能主动采取安全措施，提高了系统的安全性[5]。从系统的可靠性方面，电子执行单元采用的是双套冗余，当电子执行单元出现故障时，执行单元能进行自动切换，切换后系统不影响使用。在无人值守的车站，电子执行单元出现故障后，会自动把报警信息发送到集中站的维修机上，提醒维修人员进行维修。从系统的经济性方面，采用全电子执行单元以后，一个道岔执行模块就可以替代一个道岔组合，一个信号执行模块可以替代4架调车信号机的组合，同时采用机柜式安装，集成化程度更高，因此在建设初期，可以减少房屋面积，减少建设期间的投资[6]。从系统的可维护性方面，全电子化的计算机联锁系统采用全电子执行单元，具备第三路独立的通信通道，与独立的监测系统进行通信，减少了外围监测设备。由监测系统对电子执行单元的运行状态、执行动作情况、各种电气参数和曲线进行记录，记录可以长期保存，并可以实现查看和回放记录。由于减少了组合架的使用，减少了电缆的数量，因此减少了接地、混线的故障概率[7]。执行单元本身带自检功能，当发生故障时能指示故障状态，现场维护可以根据状态指示进行准确提示、定位及维修维护，执行单元采用方便维修更换的插卡方式，能在最短的时间内完成更换作业。从工程设计实施便利性方面，联锁系统执行层的部分由全电子化的执行单元完成，工程设计只需要考虑分线盘的设计，全电子执行内部已经包含了执行部分对联锁的接口，减少内部设计。现场施工执行单元部分的施工只需要布置地线、电源线、分线盘的接口电缆就可以，施工简单且减少出错。避免了组合架内部和架间的复杂的配线，大大减轻了施工的工作量。从灵活性方面，联锁系统与电子执行单元之间采用的是网络通信方式，因此系统结构本身就具备分布式控制的功能，适合具备非集中车站的线路，联锁主机设置在集中站，非集中车站只设置接口机和执行单元。如表1所示，全电子化的计算机联锁系统采用电子执行单元替代了传统的继电器组合方式，整个系统采用的是网络化的结构方式，具有减少建筑投资、简化设计、施工简单、维护简便、扩展灵活性等优点，全电子联锁更适合城市轨道交通工程。

4结束语

据统计，国内具有全电子联锁系统产品的自主厂家已超过6家，应用全电子联锁系统的城市轨道交通工程的在建线路已超过10条。本文为全电子联锁在城市轨道交通工程中的应用设计提供参考，后续可结合各地城市全电子联锁运行经验，优化调整设计方案。

作者:李春明 单位:广州地铁设计研究院股份有限公司