车站计算机联锁系统的现状与发展.docx

车站计算机联锁系统的现状与发展谢保锋(铁道科学研究院通信信号研究所, 北京 100081)摘要:为满足我国铁路电务事业实现跨越式发展的需要, 新时期要积极发展车站计算机联锁技术计算机联锁系统不是传统的孤立的信号控制系统, 而是信号安全综合控制监测系统和综合运营管理系统的一个子系统, 它的功能也因超出了车站信号安全控制 设备的概念范畴而得以多方面的拓展 本文对国内外计算机联锁系统应用现状进行了 分析, 提出新一代车站计算机联锁系统向高可靠性、高安全性、高性能、电子化、模块化、 智能化、网络化、综合化、一体化等几个方向发展的目标关键词:铁路信号; 计算机联锁; 现状; 发展中图分类号:U 284A pp l ica t ion an d D eve lopm en t of Com puterIn ter lock in g Sy stem in Ra ilway Sta t ion sX IE B ao 2fen g(S igna l & Comm un ica t io n R e sea rch In st itu te, C h ina A cadem y o f R a ilw ay Sc ience s, B e ijing 100081, C h ina)A bstrac t: T h e tech n ique o f Com p u te r In te r lo ck ing Sy stem (C IS) w ill be deve lop ed ac t ive ly to m ee tth e need o f g rea t deve lopm en t o f ra ilw ay signa l & comm un ica t io n en te rp r ise. A s ra ilw ay signa l co n t ro l sy stem , C IS sho u ld no t be in sep a ra te sta te any m o re, it sho u ld be a sub 2sy stem o f ra ilw ay signa l safe co n t ro l & sup e rv ising sy stem and syn th e sis t ran spo r t m anagem en t sy stem , and it s func t io n sho u ld a lso be ex tended la rge ly. B a sed o n th e b r ief ana ly sis o f p re sen t app lica t io n situa t io n o f Com p u te r In te r lo ck ing Sy stem (C IS ) , th e po in t o f v iew th a t th e deve lopm en t o r ien ta t io n o f new gene ra t io n C IS is h igh e st secu r ity, h igh e st re liab ility, h igh e st ava ilab ility, h igh e st p e rfo rm ance, fu ll2 e lec t ro n ic, m o du la r iza t io n, in te lligen t, ne tw o rk , in teg ra t io n e tc. is p u t fo rw a rd.Key words:CL C n um ber:ra ilw ay signa l; com p u te r in te r lo ck ing sy stem ; p re sen t app lica t io n situa t io n; deve lopm en tU 284系统的功能不断得到拓展, 已远远超出车站信号安全控制设备的概念范畴我国铁路要积极发展新一 代调度集中系统、列车控制系统和计算机联锁系统, 在较高起点上, 在较短时间内, 以高速铁路、客 运专线的建设等为重点, 建立和发展我国的铁路信 号安全综合控制监测系统和运营管理系统计算机联锁系统面临前所未有的发展机会, 当然计算机联 锁也需要解决来自安全可靠、功能、效率、服务等方 面的新的关键课题, 以适应建设信息化、智能化、高引言0随着通信技术、网络技术、控制技术、电子技术、计算机软硬件技术、仿真技术、人工智能技术的 快速发展, 计算机联锁系统在世界范围内得到广泛 应用, 特别对可靠性和容错技术的深入研究, 计算机联锁系统的安全技术在不断更新、完善和发展 在铁路比较发达的国家, 计算机联锁系统不再是孤 立的信号控制系统, 而是信号安全综合控制监测系统和综合运营管理系统的一个子系统, 计算机联锁收稿日期: 2004209201资 助项目: “计算机联锁软件自动测试项目的研究”( 2002YJ 07) , 项目类别: 开发, 院计划编号 ( 0251T H 0705) ; 铁 道部科技研究开发项目“联锁、列控一体化安全技术的研究”(2001X 015).谢保锋: 铁道科学研究院通号所助理研究员, 工学硕士, 主要研究方向为计算机联锁技术, 行车指挥自动化第 4 期车站计算机联锁系统的现状与发展87科技现代化铁路的需要本文分析了计算机联锁系统的应用现状, 对计算机联锁系统的发展提出了自 己的看法是计算机联锁系统的基本功能, 通过系统集成, 将车站和区间设备一体化, 由计算机联锁系统代替继 电器节点逻辑控制方式提供丰富的列车控制信息;在车站由计算机联锁系统完成对电码化控制信息 的逻辑处理, 通过计算机联锁系统实现站内进路电码化, 由这两种方式组合而成的联锁、列控一体化 综合系统, 在日本、德国、法国等国家均得到成功应用 比如: 于 2002 年 12 月开通的日本东北新干线盛岗- 八户段数字 A T C 地面设备, 包括列控联锁 一 体化系统局域网 (SA IN T - L A N )、列控联锁一 体化系统逻辑部 (SA IN T ) 1. 2 国内车站计算机联锁系统的应用现状国内对计算机联锁系统的研究开始于 20 世纪80 年代, 进入 90 年代后, 随着与发达国家在计算 机联锁技术上的交流增多和计算机技术的发展, 计算机联锁进入快速发展阶段 铁科院通号所、通号公司设计院、北京交大、卡斯柯等单位相继开发出 具有不同特点的单机、双机热备、三取二和二乘二取二等计算机联锁系统, 至“九五”期末, 全路共装 备了计算机联锁系统 438 个车站 ( 场) 在铁道部“十五”科技发展技术政策中明确规定要积极发展计算机联锁, 在此期间, 车站计算机联锁系统获得 了更快的发展, 计算机联锁可靠性、安全性进一步 提高, 进入了以技术为依托, 面向市场和服务, 从实现功能到完善拓展功能, 从单站联锁到一体化、电码化等扩大应用的新的发展阶段(1) 随着计算机联锁系统大面积推广使用, 铁 路相关人员和单位对计算机联锁的认识逐渐深入,计算机联锁系统已经被广为接受, 为计算机联锁系统的发展奠定了扎实的市场基础(2) 计算机联锁系统本身可靠性、安全性、可维 护性、可用性等越来越高, 性能逐渐增强, 功能逐渐完善, 目前已能完全满足中国铁路各种站场规模和 运输作业的需要(3) 计算机联锁系统向多制式方向发展, 在路 内上道使用的计算机联锁系统有双机热备、三取二、二乘二取二等三种制式, 能满足不同线路、不同 工程和不同用户的需要(4) 各种型号的计算机联锁系统均配备有微机 监测系统, 远程诊断系统, 为计算机联锁正常稳定运行提供保障(5) 在继承现有计算机联锁系统优点、特点的 基础上, 研究铁路信号控制新技术, 积极开发新一 代计算机联锁系统, 努力拓展计算机联锁系统的功车站计算机联锁系统应用现状11. 1国外车站计算机联锁系统的应用现状1978 年世界第一个计算机联锁系统在瑞典哥 德堡问世, 从 20 世纪 80 年代起各国竞相研究开发计 算机联锁系统, 并取得了显著的成绩 日本在1980 年由铁路综合技术研究所、京三公司、日信公 司合作开发、生产了由三重冗余微计算机组成的计算机联锁装置, 1985 年实际投入使用的 JR 东日本 的南古谷车库的计算机联锁装置是日本第一台计算机联锁装置 90 年代起很多国家已开始大面积 推广微机联锁系统, 如日本、英国制定技术政策, 不再发展继电联锁, 而由计算机联锁取代经过 20 多年的发展, 计算机联锁技术在发达国家已发展成为 完善成熟的技术, 计算机联锁由面向工程技术研究转向以面向服务为中心, 其应用现状总体上可归纳为以下几方面:(1) 计算机联锁制式主要由三取二和二乘二取 二两种, 通过软件、硬件容错技术提高计算机联锁 系统的可靠性、安全性、可维护性, 双机热备系统已经淘汰(2) 计算机联锁系统的性能逐渐提高, 比如: 快 速计算能力, 高速率数据交换的通信能力, 以适应 高速铁路和综合化信号控制系统的要求( 3) 面向工程和服务, 采用计算机软、硬件技术, 开发功能非常完善和强大的 CA D 系统, 并从 制度和设备上建立完善的维修体系和仿真检测体系(4) 积极发展、推广使用全电子模块化的计算 机联锁系统, 使计算机联锁系统具有开放式结构, 并且更加小型化、智能化(5) 以旅客营业系统为中心, 采用先进的计算 机通信技术, 成功发展分布式分层处理的综合信号 控制系统和运营管理系统计算机联锁不仅仅是一个特定的车站的控制系统, 而逐渐演变成综合行车指挥系统的一个重要的基础设备(6) 通过分布式结构扩大控制范围, 实现集中 联锁分散控制的区域计算机联锁系统, 使计算机联 锁系统网络化(7) 计算机联锁系统功能逐渐扩大, 实现信号 机、道岔、轨道电路联锁关系而直接控制信号设备88交通运输系统工程与信息2004 年 11 月能, 以适应铁路信号控制现代化、铁路管理信息化建设、铁路跨越式发展的需要比如: 具有区域控制 能力的计算机联锁系统的研究, 联锁、列控一体化安全控制系统的研究, 车站进路电码化计算机控制系统的研究, 与 C T C 系统结合的现代化行车调度 指挥系统的研究, 高速铁路计算机联锁系统的研究等(6) 建立了计算机联锁系统检测制度 铁道部 电务局在原上海铁道大学建立了计算机联锁检验站, 以技术手段加强对计算机联锁系统软件安全的 检测 除此之外, 对要投入使用的所有计算机联锁产品的联锁软件, 在出厂前均要经过详细完备的功能测试 通过制式测试和出厂测试, 有效地保证了 计算机联锁产品的质量调度集中、列车运行控制、DM IS、调度监督、微机监测系统结合, 实现信号安全控制技术综合化、设 备一体化, 达到设备之间信息共享, 优势互补, 形成铁路综合信号自动控制监测系统和运营管理系统对计算机联锁系统软、硬件总体结构进行研 究, 使之具有开放式结构还有另外层面的意义 目 前计算机联锁已进入规模化生产的阶段, 并随着计算机联锁技术的不断进步, 生产成本会逐渐降低,计算机联锁具有 6502 电气集中无法相比的优越 性, 必然要在全路范围内和路外车站大面积推广使用但联锁逻辑软件具有较强的封闭性, 看不到、模不着, 即使采用专用的检测工具也不可能进行全面 的测试, 一般的联锁照查发现不了问题, 即使发现问题, 对用户来说也是无能为力, 用户感到对计算机联锁系统不好把握和控制所以编制面向对象的 计算机联锁系统技术条件, 通过设计类似于 6502继电联锁的 15 条网络线功能的、开放式、可以适应 技术和需求不断发展的计算机联锁软、硬件结构,增加联锁逻辑关系运算过程的可视性也将是新一 代计算机联锁系统的特性2. 2 高可靠性、高安全性计算机联锁系统的应用环境将发生很大变化, 不再是独立的计算机联锁系统, 而是铁路安全信号 综合控制监测系统和运营管理系统中关键子系统之一 不仅要在一般线路上使用, 还要应用于高速铁路、城际客运专线中在新的应用环境中, 计算机 联锁系统的功能和性能将进一步增强和扩大, 计算机联锁系统将发挥更加重要的作用 列车能否安 全、高效运行对计算机联锁系统的依赖性更强, 计算机联锁系统故障或失效对铁路运输将产生致命 的影响 因此, 新一代计算机联锁系统应具有更高 的可靠性和安全性 加强对计算机联锁可靠性、安全性的基础理论研究, 全面提高计算机联锁硬件质 量, 完善计算机软件功能, 克服软件、硬件中存在的 缺陷, 采用软件、硬件冗余技术, 加强提高计算机联锁系统本身的可靠性、安全性仍是新一代计算机联 锁系统所要研究的关键课题在各种制式的计算机联锁系统中, 双机热备制式的计算机联锁系统可靠性和安全性的主要思想 是“单机保证安全, 双机提高可靠性” 双机设备的单机安全性, 主要是采用了硬件与软件相结合的方 式 硬件方面, 例如: 输出系统的“回读”, 输入系统的“板内动态”, IO 总线的特殊故障防护等, 通过硬 件监测手段和应用软件的管理实现输入输出系统新一代车站计算机联锁系统2003 年 8 月 18 日, 铁道部运输局胡东源副局 长在全路电务跨越式发展工作会议上提出, 要积极发展车站计算机联锁技术, 在 C T C 区段和列车运 行 速 度 超 过 160km /h 的 区 段、客 运 专 线、煤 运 专线、高速铁路均应采用计算机联锁 加快以联锁为核心的车站、区间、列控一体化技术的研发和应用,枢纽地区和有需求的区段应积极采用区域计算机 联锁 要继续完善计算机联锁功能, 进一步研究和制定适应客运专线和高速铁路的计算机联锁技术条件, 开发相应的计算机联锁 全面提高计算机联 锁软硬件质量, 高标准配置计算机联锁硬件, 优化 软件设计, 完善自诊断和检测功能, 实现高安全、高 可靠、无维修的目标 胡局长的讲话将为计算机联锁系统的发展产生巨大的推动力, 对新一代计算机 联锁系统的研究不能仅停留在工程技术层面, 还需要从系统科学的角度出发, 用系统的观点, 研究计算机联锁系统所存在的铁路运输大环境, 及在该大 环境中计算机联锁系统的行为计算机联锁系统的 发展总体上也可以归纳为: 一方面应遵守自身发展规律, 另一方面要适应国内需求2. 1 开放式系统结构新一代计算机联锁整体系统应具有开放性、模 块化和灵活的网络结构, 系统组成实现柔性化设计, 使具有良好的扩展性和可裁减性, 应具有强大的接口、结合能力和灵活的接口网络通信方式, 在 功能和规模上应可灵活配置, 通过监控机、联锁主 机、其它各种制式的联锁总线、局域网、广域网实行 多层次控制, 使控制范围扩大 通过同其它系统如2第 4 期车站计算机联锁系统的现状与发展89的安全性,“动态输出技术”是保证系统接口故障-安全的主要措施, 但是动态继电器没有自诊断功 能, 因此系统可能存在潜在的故障 对单 C PU 的 安全性措施是采用“双软件和编码技术”实现, 要实现系统的安全性, 对系统软件的自诊断能力, 以及 应用软件的故障- 安全设计要求十分严格, 软件系 统的复杂化要求更加严格的技术管理, 这些给联锁软件的设计和编制时遗留故障提供更多机会, 这是依赖软件质量的单机安全性双机热备系统的可靠 性通过双机形式来实现, 如果发现故障则进行整机切换, 由于单机系统难以做到完善的自诊断, 单机系统的故障诊断主要靠软件来实现, 这种方式是在 付出宝贵时间代价的基础上建立起来, 从故障发生, 软件诊断, 到切换成功之间的间隔时间较长, 大大降低了系统的反应能力, 对于那些难诊断的故 障, 势必影响系统的连续工作能力 双机热备的联锁是整机切换, 不能进行系统重构, 另外没有有效 的冗余措施保证整机切换本身的可靠性双机热备系统的硬件、诊断软件、联锁软件、双机切换软件结 合的相当紧密, 不利于提高整体系统的安全性和可靠性二乘二取二联锁机为二乘二取二结构, 一般分 为 I 系、II 系, 各系内部为二取二结构, 双系互为热备关系二乘二取二联锁系统通过“单系保证安全,双 系提高可靠性”实现整体系统的安全性和可靠 性双系中的每一单系均包括双套计算机实时校核工作, 每一单系中必须双机工作一致才能对外输出, 实现整体系统的安全性, 任一单系检出故障均 可立即导向备系工作, 实现全部系统的可靠性 二乘二取二联锁机应用软件和操作系统进行松散耦 合, 并且系统具有完备的自检功能, 保证了整体系 统具有较高的安全性由于二乘二取二系统通过双系切换保证系统的可靠性, 因此, 同双机热备一样, 切换电路, 故障判断, 双系同步等对系统的可靠性 带来不利影响, 实现无缝切换将是该制式研究的重要课题三取二联锁系统联锁机集成三套计算机系统,试和控制, 一般采用硬件静态冗余方式, 当某一个C PU 故障或运行产生差错时, 该 C PU 将被屏蔽, 另外两个 C PU 相当于组成一个二取二的系统, 不 需要切换, 在没有降低系统安全性的前提下保证了 整体系统的高可靠性三取二和二乘二取二系统采用全面的硬件冗 余, 通过操作系统软件对系统硬件进行管理, 容错计算机本身保证了硬件系统的安全性, 从而大大降低了应用软件的复杂度, 应用软件的设计和编制只 需重点解决自身专业需求的逻辑设计方面的可靠性、正确性和安全性, 较少软件缺陷的遗留机会, 有利于保证整个联锁系统的安全性的提高联锁系统 硬件、操作系统、诊断软件、联锁软件等各部分界限分明, 各自负责自己的安全性和可靠性, 简单、清晰的结构也有利于整体系统可靠性和安全性的提高2. 3 高智能性计算机联锁系统要达到无维修的目标, 除了要 求设备本身具有较高的可靠性和安全性外, 还要求具有较高的自诊断、监测和自恢复功能, 即较高的 智能性, 实现自我管理, 提高系统的可用性, 当然具有较高的智能性也是实现高可靠性和安全性的重要手段计算机联锁系统一般由监控机、联锁机、维修 机组成, 监控机虽然不是系统的安全设备, 故障不会导致危险输出, 但监控机故障影响系统正常使用, 将会影响行车, 降低行车效率为了提高系统的 可用性和可靠性, 一般将监控机和联锁机交叉连接, 实现双网、三网或四网冗余, 监控机本身实现双机热备或 N + 1 冗余方式, 当监控机本身或与联锁 机的通信通道故障后, 系统应能自动判断故障点,在不影响行车的前提下自动切换, 当修复的监控机 或通信通道加入系统后, 系统应能自动识别, 不需要人工干预联锁机一般采用硬件冗余方式保证系 统的可靠性和安全性, 比如: 三取二容错计算机联锁系统, C PU两两之间通信实现同步、数据交换和比较, 当某一个 C PU 失效或运行产生差错时, 一般情况下该 C PU 将被 自 动 屏 蔽, 另 外 两 个 C PU 相当于组成一个二取二的系统, 不需要切换, C PU 故障修复后, 能与其它两个 C PU 自动取得同步,重新组成具有容错功能的三取二容错系统, 系统高智能性大大提高了系统的可用性计算机联锁系统的智能性还体现在其它方面,比如工程方面: 能自动生成 IO 配线表的计算机联三个 C PU 分别通过三条 IO总线得到采集信息,通过某种专用总线将采集信息统一一致后, 然后进行联锁运算, 最终结果再次经过 C PU 之间的专用 总线进行统一后形成一致的联锁结果, 分别经三条IO 总线送至驱动板进行输出三取二系统 C PU 之 间是通过两两相互比较保证整体系统的安全性三取二系统 C PU两两之间相互通信, 实现同步、测锁 CA D系 统, 能 自 动 检 查 配 线 的 模 拟 测 试 系 统90交通运输系统工程与信息2004 年 11 月等, 使计算机联锁系统具有更广的智能化特点2. 4 高性能设计和实现信号安全综合控制监测和运营管 理系统时, 将会拓展计算机联锁系统的功能, 比如: 在高速铁路中计算机联锁系统应具有可编程进路控制功能以提高列车通过能力, 联锁、列控一体化 实现列车自动控制功能, 使用计算机联锁系统实现 车站进路电码化功能等新一代计算机联锁系统应具有更大容量信息的快速运算能力, 对信息响应的 的快速实时控制能力, 与其它系统强大结合能力、 信息交换能力、对其它系统实时响应能力等2. 5 全电子模块化目前使用计算机联锁系统的车站还保留一部 分原 6502 电气集中执行组继电器, 这部分继电器的保留不利于计算机联锁系统智能化、信息化优势 的发挥, 研究和研制全电子模块化计算机联锁系 统, 取消全部继电器, 也能大大减少占地, 降低工程造价, 应是计算机联锁系统的发展方向, 当然对全 电子模块化计算机联锁系统的执行电子模块的故 障- 安全性的理论和实现方法应加强研究和试验验证2. 6 数据传输的故障- 安全性对运输不太繁忙、车流密度低的区段, 或有需 求、符合条件的枢纽地区实施区域计算机联锁控制系统区域计算机联锁是网络化、智能化、集成化的信号控制系统, 系统中心站和区域控制站之间要传 输数据, 这些数据为安全数据, 如何保证传输的故障- 安全性是新一代计算机联锁系统需要解决的课题之一在综合化信号控制监测系统和运营管理 系统中, 计算机联锁系统和其它系统之间需要大量数据交换, 从发展角度看, 这些交换的数据将会被定义为安全数据, 采用什么方法和技术保证数据的 安全交换也是计算机联锁系统需要解决的课题2. 7 面向高效率、高品质服务的安全检测和维修系统6502 继电电气集中内在的故障- 安全保证是 由重力式安全型继电器来实现的, 计算机联锁的故障- 安全性能除与联锁的应用功能软件相关外, 还 取决于系统制式结构、系统软件的故障- 安全性 能, 输入、输出硬件