我国铁路微机联锁控制系统市场调研报告.doc

我国铁路微机联锁控制我国铁路微机联锁控制 系统市场调研报告系统市场调研报告 吉林铁道职业技术学院铁道运输系吉林铁道职业技术学院铁道运输系 王继有 蔡洪祥王继有 蔡洪祥 2009 年年 3 月月 1 44 目目 录录 一 概述一 概述 3 3 一 微机联锁的功能与特点 3 二 我国微机联锁的现状与前景 3 二 二 微机联锁系统的原理和相关技术微机联锁系统的原理和相关技术 4 4 一 一 微机联锁控制系统原理微机联锁控制系统原理 4 4 1 微机联锁系统的层次结构 4 2 微机联锁系统的硬件组成 5 3 微机联锁系统的软件功能分解 5 二 微机联锁的可靠性保障技术 6 1 技术概述 6 2 系统级保障技术 7 3 设备级保障技术 8 4 网络通信保障技术 9 三 微机联锁的故障 安全保障技术 9 1 技术概述 9 2 系统级保障技术 10 3 设备级保障技术 10 4 I O 通道级保障技术 11 5 信息传输的保障技术 12 三 市场现有联锁系统及其配置三 市场现有联锁系统及其配置 1212 一 双机热备配置的微机联锁系统 12 1 TYJL II 型微机联锁系统 12 2 DS6 11 型微机联锁系统 14 3 JD IA 型微机联锁系统 16 4 VPI 型微机联锁系统 18 5 CIS 1 型微机联锁系统 19 二 三取二配置的微机联锁系统 20 1 TYJL TR9 型微机联锁系统 20 2 TYJL ECC 型微机联锁系统 22 3 DS6 20 型微机联锁系统 22 三 二乘二取二配置的微机联锁系统 23 1 EI32 JD 型微机联锁系统 24 2 DS6 K5B 型微机联锁系统 25 3 TYJL III 型微机联锁系统 27 四 其他基于 PLC 的微机联锁系统 27 1 北京钢铁研究院的双机热备联锁系统 27 2 上海亨钧铁路信号微机联锁系统 28 3 合工大研制的 HJ04A 型微机联锁系统 29 四 联锁系统设备生产厂家四 联锁系统设备生产厂家 2929 2 44 一 铁科研通信信号所 30 二 全路通信信号设计院 32 三 北京交通大学与交大微联科技 33 四 卡斯科信号公司 34 五 和利时系统工程有限公司 35 六 法国 ALSTOM 公司 36 七 法国 ALCATEL 公司 37 八 德国 SIEMENS 公司 37 九 法国 CSEE 公司 38 十 美国 GE 公司 39 十一 日本京三制作所 40 十二 日本信号株式会社 40 十三 意大利安萨尔多公司 40 3 44 1 工作任务的必要性 紧迫性及工作量预测 属于更新的仪器设备要提供原仪器设 备发挥效益的情况 2 先进性和适用性 包括仪器设备适用学科范围 所选品牌 档次 规格 性能 价 格及技术指标的合理性 3 各类工作人员的配备及技术力量 管理能力 安装使用的环境及设施条件 4 软 硬件费用及使用运行经费可靠来源 投资效益预测及风险 同时要预测 年使用发展情况 5 校内 外共用方案 现将论证报告的格式附后 各单位在购置大型精密贵重仪器设备前 请到国有资产管 理处网页下载论证报告格式文档 运输 信号综合实训室建设论证报告运输 信号综合实训室建设论证报告 一 概述一 概述 一 一 微机联锁的功能与特点微机联锁的功能与特点 计算机联锁是用微型机算计的软硬件和其他一些电子 继电器件组成的 具有故障 安 全性能的实时控制系统 其安全可靠 处理速度快 与继电集中联锁相比具有十分明显的 技术经济优势 无论在安全性 可靠性 经济性等方面都是继电集中联锁无法比拟的 而 且设计 施工 维修和使用大为方便 是一套全新的系统设备 微机联锁控制系统的联锁功能包括如下几点 1 联锁逻辑运算 接收 ATS 或车站值班员的进路命令 进行联锁逻辑运算 实现对 道岔和信号机的控制 2 轨道电路信息处理 处理列车检测功能的输出信息 以提高列车监测信息的完整性 3 进路控制 设定 锁闭和解锁进路 4 道岔控制 解锁 转换和锁闭道岔 5 信号机控制 确定信号机的显示 微机联锁控制系统的特点有以下几个方面 1 性能方面 大大减少了系统的设计与施工工作量 并方便系统的功能扩容与完善 提供现代化的声像图文显示 人机交互功能完善 系统可靠性和安全性更高 2 经济方面 性能价格比高 适于大型车站的系统应用 采用分布式系统结构 节省 干线电缆的使用造价 体积小 占地面积小 车站规模越大 面积节省更为显著 3 维护方面 安装 运营 维修费用大幅度减少 具有自诊断 故障定位等功能 可 实现远程实时控制 继电部分结构简单 便于维护 4 其他方面 系统便于联网 为铁路信号系统的智能化和网络化方向发展创造条件 同时 微机联锁控制系统也存在一定的不足 需要在结构和性能上进行近一步的研发 1 系统应用大量的电子元件 需要在抗电磁干扰及防雷害等方面采取防护措施 2 系统中实现联锁逻辑的计算机一旦出现硬件故障 其影响会很大 甚至使系统不能 4 44 工作 因此微机联锁控制系统必须时刻关注系统的结构与性能 提高可靠性和可用性 二 我国微机联锁的现状与前景 二 我国微机联锁的现状与前景 我国第一套微机联锁设备于 1984 年在南京梅山铁矿地下运输线正式开通 而后陆续在 冶金 矿山等铁路试用 1989 年 铁科研通号所研制的微机联锁系统首先在郑州北编组站 峰尾开通 这是微机联锁系统应用于国家铁路的开始 而后 铁科研通号所于 1993 年在哈 局平房站安装计算机联锁 通号总公司于 1994 年在浦口交通站安装计算机联锁 至此 我 国铁路开始在铁路干线采用微机联锁系统 1998 年 铁道部加强了计算机联锁的上道管理 并实行 三证 制度 即制造许可证 制式监测合格证 产品合格证 以确保计算机联锁 系统的积极 稳妥 健康发展 目前 我国已经研制出了多套适合我国铁路和城轨交通特点的计算机联锁系统 以铁 科研通号所 通号总公司 北京交通大学 卡斯科公司等单位为代表的生产厂家相继通过 铁道部的技术鉴定 有的已经达到了国际先进水平 在此过程中 我国还相继引进美国 法国 英国 德国 日本等地的计算机联锁系统 共 20 多个站 但是由于各个方面的原因 主要是不适应我国铁路运输和联锁的特点 实际 运用中大多数效果不甚理想 因此 继续加大在微机联锁系统领域的研究 将国外先进的技术引进并致力于设备国 产化进程是目前我国微机联锁系统的主要发展方向 目前国内已经有近千个车站装配了微 机联锁系统 其中主要采用由通用的工业控制计算机组成的双机热备系统 少部分采用了 由国外专用机组成的双机或多机系统 随着实践经验的积累 系统的性能也会不断的提高 而随着卫星的高精度定位以及通信技术的广泛应用 将给铁路信号系统带来深远的影响 总之 铁路信号计算机联锁控制系统将向着低成本 高效率 高安全 高可靠及信息 化 智能化 网络化和综合自动化的方向快速发展 二 二 微机联锁系统的原理和相关技术微机联锁系统的原理和相关技术 一 一 微机联锁控制系统原理微机联锁控制系统原理 1 微机联锁系统的层次结构 微机联锁系统的层次结构 微机联锁控制系统是实现以进路控制为主要内容的联锁功能控制系统 它主要以色灯 信号机 动力转辙机和轨道电路作为三大室外设备 并以电子设备实现联锁功能对轨道区 段状态 信号状态和道岔状态进行监测 并对信号机和道岔实施控制的系统 图 2 1 为微 机联锁控制系统的整体层次结构示意图 5 44 图 2 1 微机联锁系统整体层次结构示意图 1 人机交互层 操作员通过操作与微机联锁机构进行信息的输入和输出操作 来反 映设备的工作状态和行车作业情况 该层位于车站值班室内 2 联锁层 微机联锁机构是系统的核心 它出了接收来自人机会话层的操作信息外 还接收来自监控层的反映信号机 动力转辙机和轨道电路状态的信息 并根据这些信息进 行内部处理 产生相应的输出信息 即信号控制命令和道岔控制命令 交付监控层控制电 路执行 联锁机构处理的都是二值逻辑信息 大多设在车站信号楼的机械室内 3 I O 接口层 接收来自微机联锁层的控制命令 经过信号机控制电路和道岔控制电 路 改变信号显示 驱动道岔状态转换 向微机联锁机构传输信号状态信息 道岔状态信 息和轨道电路状态信息 4 室外设备 主要包括轨道 轨道电路 道岔 信号机等现场设备 位于室外 2 微机联锁系统的硬件组成 微机联锁系统的硬件组成 由于铁路系统使用的微机联锁控制系统所要控制的对象数量很多 或者控制对象所分 布的地理范围非常广 这时就需要多台计算机完成输入输出功能 并再此基础上进行功能 上的细致划分 图 2 2 是多台计算机参与的分布式微机联锁控制系统的结构框图 其中的 联锁机与多台检测控制机笼通过串行通信网络连接 进行集中监视 操作和分散控制 并 由此构成一套完整的系统 6 44 通信总线 主机板 主机板通信板I O板I O计算机N 现场设备继电器输入 输出接口继电器接口 现场设备轨道 道岔 信号机等现场设备 通信机 通信板A主机板 上位机 监控机 下位机 联锁机 通信板B 工控机1 工控机2 I O计算机1 室内继电部分 室外设备部分 检测控制部分 图 2 2 分布式计算机联锁控制系统结构框图 该系统的应用软件分别再多台计算机内运行 上位机的操作及显示软件再工控机 1 内 运行 联锁机的核心联锁软件再工控机 2 内运行 输入输出软件分别再各个 I O 机笼的计 算机内运行 通信软件运行在所有的计算机中 该系统通过高速数据通道 扩展更多的实 现输入输出功能的 I O 机笼 以实现对较大规模车站信号系统的控制 并可实现区域计算 机联锁 3 微机联锁系统的软件功能分解 微机联锁系统的软件功能分解 一般来说 微机联锁系统的软件应具有以下功能 1 操作表示功能 包括操作信息的处理和表示信息的处理 还包括信息的维护与管理 功能 以及相关信息的自动记录功能 2 联锁控制功能 其中进路建立阶段包括进路选择 进路锁闭 信号开放 信号保持 等四个部分 进路解锁阶段包括自动解锁方式和非自动解锁方式 前者分为正常通过解锁 和调车中途返回解锁 后者分为取消进路 人工延时解锁 故障解锁等等 3 设备控制功能 包括信号操作功能 道岔操作功能 引导操作功能 非进路调车控 制 平面调车溜放 站内道口控制等等 4 设备信息采集与驱动功能 包括信息采集的输入和驱动控制信息的输出 5 接口预留功能 例如与调度集中系统联系的功能 与调度监督系统联系的功能 自 动检测与诊断功能等等 7 44 操作及显示软件模块 输入输出软件模块 联锁逻辑运算软件模块 通信软件模块 通信软件模块 通信软件模块 通信软件模块 现场设备 操作表示层 联锁运算层 I O测控层 图 2 3 微机联锁控制系统软件的总体结构图 由以上的功能划分规则 以及完好软件所必备的层次化 结构化 模块化 标准化特 点要求 铁路信号微机联锁控制系统应分为操作表示层 联锁运算层和 I O 控制层 对应 每层结构都有相应的控制软件 因此 系统必须包括控制显示软件 联锁运算软件和 I O 采集驱动软件 以及完成各个软件模块间相互减缓数据的通信软件 如图 2 3 所示 由此 可知 在只考虑功能安全的情况下 一套完整的微机联锁控制软件系统应该包含以下几个 功能模块 控制显示软件模块 联锁软件模块 采集驱动软件模块和通信功能模块 各个 模块的功能不同 相应的软件安全性要求也不尽相同 需要不同的对待和处理 二 微机联锁的可靠性保障技术 二 微机联锁的可靠性保障技术 上面从功能安全的角度讨论了无故障的情况下 微机联锁系统实现联锁控制的原理 但是任何设备和装置的故障使不可避免的 因此就要对系统的可靠性进行研究 减小不可 预知的故障发生概率 从而最大限度的提高系统的可靠性 本节文章将重点讨论这方面的 内容 1 技术概述 技术概述 为了提高系统的可靠性指标 人们在长期的研究中发展了两类技术 一类使防止和减 少故障发生的技术 叫做避错技术 另一类是当系统的某部分发生故障时 系统仍能保持 正常工作的技术 称之为容错技术 与其他电子系统类似 微机联锁控制系统主要也是通过避错和容错技术来提高系统的 可靠性的 表 2 1 给出了微机联锁控制系统的避错技术和容错技术研究范畴及研究方法 表 2 1 避错技术和容错技术研究范畴及研究方法对照表 分类研究范畴相关技术 8 44 硬件避错技术高可靠性元部件 环境防护 质量控制 避错技术 软件避错技术可靠性程序设计 程序验证 系统级保障技术静态冗余 动态冗余 设备级保障技术硬件保障 软件保障 数据保障容错技术 网络通信保障技术硬件信道冗余 软件重发 数据编码 抗干扰设计 其中 避错技术分为硬件避错和软件避错 前者主要是选择并使用高可靠性的元部件 来组成微机联锁控制系统 并充分考虑到环境的因素 从而提高系统整体的可靠性 而软 件避错技术最基本的是尽量减少软件中的缺陷 确保软件不出错或者少出错 常用的软件 避错技术有 开展软件工程 加强软件可靠性管理 优化程序设计 强化程序验证等等 对于微机联锁控制系统的容错技术 主要是通过系统各部分的冗余来实现的 下面将 分小节重点介绍系统级 设备级和网络通信三个层次的微机联锁控制系统的可靠性保障技 术 2 系统级保障技术 系统级保障技术 为了实现微机联锁系统的可靠性指标 系统设计往往采用可靠性冗余结构配置 其中 广泛研究和使用的冗余结构包括 3 取 2 静态冗余结构 双机热备动态冗余结构和 2 乘 2 取 2 动态冗余结构 本小节主要对前两种结构进行简要介绍 1 3 取取 2 静态冗余结构静态冗余结构 3 取 2 结构配置采用三台构造相同又彼此独立的计算机和表决器组成计算机表决系统 当其中任何两台计算机输出一致时 表决器就产生控制命令并输出 构成三模冗余系统需 要解决表决技术和同步处理两大问题 尤其时同步问题 可以采用共同时钟方式 时钟反 馈调节方式 事件调节同步方式等等 三模冗余系统的平均无故障工作时间 MTBF 不及单模系统 这是因为 MTBF 的计算 与系统的无限期工作有关 而在工作时间增加之后 任何模块的可靠性都会下降 而三模 结构中至少要有两个模块正常 系统才能正常工作 因此没有单模系统可靠 但是系统不 能无限期工作 即存在一个期限 在这之前的三模冗余系统的可靠度是高于单模系统的 而如果在三模系统中增加故障诊断环节 并可以及时得到修复 则三模冗余系统的可靠性 将大大提高 三模冗余技术不仅可以应用到系统级配置 还可以应用到系统中的每个功能模块的冗 余配置当中 从而在提高每个模块可靠性的基础上提高整体系统的可靠性 这在下一小节 中会有所涉及 此外 三模冗余配置不仅仅能提高系统的可靠性 还是保障系统故障 安全性能的有效 措施 这在 2 3 节中会有详细描述 2 双机热备动态冗余结构 双机热备动态冗余结构 双机动态冗余是最基本的二模动态冗余系统 它包括三种工作方式 热备方式 冷备 方式 温备方式 它们各自有各自的特点 适用于不同的场合 而对比这三种方式 热备 方式能够满足控制的连续性 瞬时控制能力的要求 因此 双机热备冗余配置成为目前微 机联锁控制系统广泛采用的结构之一 其基本思想是 单机保证安全 双击提高可靠性 双机热备系统由两个独立单元组成 其硬件结构相同 能独立完成规定的同样功能 正常工作两个单元均上电工作 同时采集并处理数据 不过只有工作单元的输出有效 并 经过切换单元输出 两个模块均有故障检测功能并进行自检 当工作单元发现自身故障后 就发出控制信号给切换单元 由后者驱动热备单元工作 并驱动原工作单元停机维修 若 9 44 是热备单元故障 则自动停机进行维修 双机热备冗余系统的结构如图 2 4 所示 模块A 模块B 检测 检测 切换 单元 输出 输入 工作单元 热备单元 图 2 4 双机热备冗余系统的结构框图 经计算表明 双机热备动态冗余系统的可靠度要比单模系统高出很多 如果能够及时 修复故障模块 那么双机热备动态冗余系统的可靠性将会进一步提高 3 设备级保障技术 设备级保障技术 要保证系统整体的可靠性 需要采取各种软硬件措施 保证各个模块能够可靠的工作 设备级的保障技术主要包括三种 分别是硬件可靠性保障 软件可靠性保障 数据可靠性 保障 下面分别简要介绍 1 硬件可靠性保障 硬件可靠性保障 硬件的可靠性保障技术主要从故障检测技术以及故障屏蔽技术两个方面着手 故障检 测技术是实现容错计算 提高系统可靠性的基础 只有检测故障模块才能进行故障屏蔽或 者系统重组 其中常用的故障检测技术包括自检法 比较法 仲裁法 自检互检法等等 故障屏蔽技术包括元件级屏障 逻辑级屏障和模块级屏障等等 其中 元件级故障屏 蔽技术应用最多的包括二模冗余 四模冗余和桥接冗余 逻辑级故障屏蔽技术用于那些不 宜放在功能模块一级上进行容错设计的关键硬核 包括交织逻辑 编码状态机逻辑等 模 块级故障屏蔽技术是通过构成 N 模冗余系统来实现的 其模型实际上就是 NMR 模型 此外 微机联锁系统还可以根据站场的实际情况针对相应模块采用 N 模冗余 从而提 高局部的可靠性 有效的保障系统可靠性 2 软件可靠性保障 软件可靠性保障 软件可靠性保障技术包括容错设计基本技术 容错算法以及减少程序失控的编程技术 等等 其中 容错设计基本技术包括 NVP 静态冗余结构设计 恢复块技术等 容错算法设 计可以涉及到数值运算容错设计 逻辑运算容错设计等 而减少程序失控的编程技术包括 单字节指令的采用 减少多字节指令的使用 慎用堆栈操作指令 指令冗余 关键指令双 重化 指令复执等等 此外 为了提高软件设计的可靠性 还可以在程序设计过程中采用程序失控的捕捉技 术 还可以将容错设计体现在接口软件的设计过程 包括 I O 接口设计和模拟量接口设计 等 3 数据可靠性保障 数据可靠性保障 实现数据的容错 实际上就是对检错码和纠错码的应用 利用编码技术进行检错和纠 错 是一种基于信息冗余的容错技术 凡是具有检错纠错能力的可靠性编码 都具有一定 数量的冗余校验位 这样踩可以在数据的传输 存储和处理过程中 根据信息位和校验位 之间的相关性进行检查 从而判断信息的出错并进行纠正 10 44 4 网络通信保障技术 网络通信保障技术 这里主要讨论局域网的可靠性保障技术 其主要方式是采用各种冗余技术 即通过链 路的冗余 节点的冗余 通信协议的冗余来提高整个局域网的可靠性 1 网络拓扑冗余 网络拓扑冗余 网络拓扑冗余技术是根据不同的要求采用不同的网络拓扑结构 包括环形网 树状网 总线网结构等结构 2 网络节点冗余 网络节点冗余 节点冗余包括网络接口板和节点计算机的冗余 而且要求各个节点都是二重化的 节 点的冗余可以采用两种方式 网络上所有的节点都冗余化 只对特别重要的节点进行冗余 化 3 数据链路差错控制 数据链路差错控制 数据链路差错控制技术包括自动重复请求和前向纠错系统 用以保证数据在网络链路 上可靠的从发送节点传到接收节点 从而提高设备的可靠性 4 传输通道的抗干扰设计 传输通道的抗干扰设计 常用的抗干扰技术有开关触点抖动抑制 负逻辑传输方式 提高输入墙的门限电压 线间串扰抑制 提高数字信号电压等级等等 三 微机联锁的故障 三 微机联锁的故障 安全保障技术安全保障技术 故障 安全是指在系统故障时 设备应该导向安全状态 即系统在任何部分发生故障及 系统处于任何可能的外界环境中时 系统的输出要求处于安全状态 对于铁路信号联锁系 统来说 确保不危及行车安全 并称这一原则为故障 安全原则 本节将重点讨论铁路信号 微机联锁系统的故障 安全原则及保障技术 1 技术概述 技术概述 安全侧分配方法是实现铁路信号故障安全的重要方法 其要点在于给微机联锁设备粉 扑体安全侧 并在设备发生故障时 采用故障 安全技术使设备导向安全侧输出 目前 常 用的几种安全侧分配方法包括如下几种 1 基于能量的定义 定义低能量的状态为安全侧 其中最常用的是定义物体释放位能 后所处的状态与安全侧对应 例如重力法等等 2 基于闭路法和串联法的定义 例如继电器的衔铁吸起 将这个闭路状态与被控对象 的危险侧对应 而电路断电后衔铁落下 将这个开路状态与安全侧对应 3 基于时间的定义 在规定时间内为安全侧 如接近锁闭 延时解锁等 通过信息延 时处理来防止短时间错误信息和错误控制造成的不良后果 4 定义设备故障时维持现状为安全侧 此外 为了提高系统的故障安全度 还可以采用一些常用的技术 例如危险侧故障率 最小化技术 故障弱化技术等等 这里不再赘述 11 44 2 系统级保障技术 系统级保障技术 微机联锁控制系统是一个复杂的系统 因此首先要在系统级层面上满足故障 安全的原 则 目前构成故障 安全计算机的方法主要有如下 3 种 1 基于单机闭环自诊断的故障 安全计算机构造方法 2 基于单机采取软件冗余的故障 安全计算机构造方法 3 基于多机采取硬件冗余的故障 安全计算机构造方法 1 基于单机闭环自诊断的故障 基于单机闭环自诊断的故障 安全计算机构造方法安全计算机构造方法 该方法的核心在于依靠自诊断程序实现计算机的故障 安全特性 它主要采取了如下的 关键技术措施 1 安全条件电源电路 受微处理器输出的安全时钟信号的控制 系统正常工作时 电 路向输出器件供电 反之则停止供电 2 输出口的闭环校验 并行逻辑出口向外输出的同时 向微处理器反馈输出信号 并 与期望值进行比较 当比较结果不一致时切断对输出器件的供电 3 输入电路的闭环校验 采用闭环检测方法 微处理器发出某种检测信号 同时通 过采集经过器件 导线和继电器接点环路后的检测信号 校验环路上各器件及导线状态 2 基于单机采取软件冗余的故障 基于单机采取软件冗余的故障 安全计算机构造方法安全计算机构造方法 在一台计算机内配置两套功能相同 版本不同的程序 这两套程序按照独立的格式一 次对输入数据进行处理 并对结果进行比较 其中 这两个版本的程序采用 不同指令序列 具有相异数据定义的独立的数据资料 不同数据结构和寄存器 在正常情况下 两套独立程序处理的结果应该是相同的 比较一 致后接通控制电路 发生软硬件故障时 由于两个版本程序的独立性 致使处理结果不一 致 则切断控制电路供电 保障系统故障 安全性 3 基于多机采取硬件冗余的故障 基于多机采取硬件冗余的故障 安全计算机构造方法安全计算机构造方法 目前 基于多机硬件冗余的故展 安全计算机系统是微机联锁系统最受关注的保障技术 其中应用比较多的是 3 取 2 表决系统和 2 乘 2 取 2 表决冗余系统 用三台或者两台构造相同 彼此独立的计算机组成计算机表决系统 它们运行相同功 能的程序 接收相同的输入信息 并行的对数据进行处理 并且对各个阶段的信息进行两 两比较 当至少其中两台计算机的结果一致时 则产生控制命令并输出 从而实现表决系 统 对于 3 取 2 表决系统 如果一台计算机出现故障 则整个系统转换为 2 取 2 系统 并 不影响系统使用 当两台或两台以上计算机出现故障后 系统就锁住控制命令 并切断控 制电流 从而实现故障 安全 对于 2 乘 2 取 2 冗余系统 如果其中一个 2 取 2 计算机出现故障 则系统切换到另一 个 2 取 2 计算机系统 并不影响系统使用 两台计算机都出项故障时 系统就锁住控制命 令 切断控制电流 从而实现故障 安全 3 设备级保障技术 设备级保障技术 设备级别的故障 安全保障技术需要考虑以下三个方面的问题 数据保障 软件故障 输入输出故障 1 数据故障 数据故障 安全保障技术安全保障技术 计算机联锁系统中参与联锁运算的数据被称为联锁数据 它可能会应为硬件故障 外 12 44 界干扰而产生错误 也可能因为程序出错而派生错误 联锁数据的错误可以导致联锁运算 的失效和错误 并导致危险的产生 因此 微机联锁系统必须采取相应措施 使系统数据 出错后导向安全侧 主要有以下几种方法 1 采用不对称编码表示涉及安全的信息 2 关键数据异地多份存储 3 规范化数据结构与数据生成方式 4 数据完好的正确性检验 2 软件故障 软件故障 安全保障技术安全保障技术 在计算机系统中 软件系统扮演着十分重要的作用 如果软件出现差错 则可能通过 接口使硬件发生失效或者误动 严重者会产生安全事故 并造成灾难性的后果 因此 计 算机系统的故障 安全还需要软件系统来近一步保证 软件故障 安全性的主要研究内容包括 1 软件故障 安全性需求分析 2 软件故障 安全性设计 3 软件故障 安全性验证 4 软件故障 安全性评估 在软件系统程序的设计阶段 必须要遵循以下措施 从而实现软件系统的故障 安全性 1 编制正确的规格说明书 并按照说明书进行高可靠性和高安全性软件的开发 2 采用模块化程序设计原则 从而实现研制工作的简化 3 采用结构化程序设计原则 4 采用正确的数据结构和良好的设计风格 3 输入 输入 输出故障输出故障 安全保障技术安全保障技术 该保障技术又称为输入 输出数据去向正确性保障 其考察重点在于计算机内所用的各 种地址译码器 这里主要存在两个问题 1 最终驱动输入输出接口电平变化以形成动作命令的软件程序无法用双套程序比较等 办法实现安全性保障 2 处于输出口位置的地址译码器故障将导致数据去向错误 而数据由于对应一个标准 的驱动对象 因而起对象错误将导致危险的结果 4 I O 通道级保障技术通道级保障技术 微机联锁控制系统涉及安全的信息必须要由故障 安全接口输出 并完成对现场设备的 状态采集和控制 而由于常规的接口电路一般不具备故障 安全特性 因此必须在软件和硬 件两个方面采取相应措施 使当接口电路及其前端逻辑电路出现任何故障时 系统不能读 入错误的危险侧信息 或者输出危险侧的驱动信号 对于故障 安全的输入接口 其任务时将室外设备的状态安全的采集并传送进来 因此 故障 安全的输入接口要做到采用静态输入或动态输入方式 或者采用编码输入或者过程输 入的方式 来有效的实现故障 安全原则 对于故障 安全的输出接口 为了避免因某些电路故障而导致输出常 0 状态 其设 计一般采用动 静态变换电路实现安全输出 这样的电路总处于某种稳定状态 都不会引起 继电器的错误动作 从而做到故障导向安全 13 44 5 信息传输的保障技术 信息传输的保障技术 在微机联锁控制系统中 通信网络担负着铁路信号安全信息的传输使命 因为传输设 备的故障或者传输通路的噪声使传输的信息发生错误是不可避免的 所以计算机联锁控制 系统的安全信息通信网络必须是故障导向安全的 为此 首先要采用避错技术和冗余技术提高安全信息通信网络的可靠性 并尽可能检 测出传输设备和通路所发生的传输错误 然后 采取软件和硬件容错措施 确保在传输设 备故障或者传输通路的噪声使传世的信息发生错误的情况下 确保通信信息的安全性 三 市场现有联锁系统及其配置三 市场现有联锁系统及其配置 我国的微机联锁系统经过多年的发展 目前已经成为铁路信号领域的重要设备 也是 关系到列车安全稳定运行的关键设备 目前国内市场上各种类型的微机联锁系统有很多种 从事微机联锁领域研究工作的厂家也有很多 为此 铁道部自 1998 年起加强了项目管理 开始对各种产品设备进行严格的技术质量评估 并制定了诸多规章制度来规范微机联锁系 统领域的研究 从系统配置的角度来讲 目前市场上应用最为广泛的有三种 分别是双机热备配置 三取二冗余配置 二乘二取二冗余配置 属于这三种配置的产品也有很多种 本章将以这 三种配置为框架 系统介绍各种微机联锁控制系统产品的原理和应用 并对各种产品的特 点和优势进行了详细介绍 一 双机热备配置的微机联锁系统 一 双机热备配置的微机联锁系统 双机热备配置是目前技术比较成熟的硬件冗余配置方式 同时也是我国铁路使用的计 算机联锁系统较多采用的硬件配置方式 这里将重点介绍具有双机热备配置特点的微机联 锁系统 主要包括 TYJL II 型 DS6 11 型 JD IA 型 CIS 1 型等等 1 TYJL II 型微机联锁系统型微机联锁系统 TYJL II 型微机联锁系统是由铁道部科学研究院通号所研制开发的微机联锁系统 也 是第一个在我国铁路投入使用 第一个实现双机热备 第一个通过铁道部科技成果鉴定的 国产计算机联锁系统 该系统全面采用高可靠性的工业控制产品 其关键核心部分采用专 门研发的高可靠专用控制系统 全面和多层次的故障 安全设计 再加上多年积累的经验 和坚持不懈的努力确保了系统的高安全性 TYJL II 型系统采用可灵活配置的系统结构 具有远程和区域控制能力 可满足从特大型枢纽站场到城市轨道交通等不同规模和不同功 能的需求 具有优良的性能价格比 符合铁道行业标准和各项 管理规范 首批获得铁道 部颁发的生产特许证 被列为国家重点新产品 TYJL II 型微机联锁系统集信号联锁 计算机 网络通信和数字信号处理等先进技术 于一体 可以在城市快速轨道交通的新线建设和旧线改造中替代进口设备 实现联锁设备 的故障在线诊断和状态维修 大大减少了故障恢复时间和维修工作量 降低运营成本 该 项目的研制为我国城市轨道交通行车指挥和列车运行提供了必不可少的先进基础设备保障 14 44 从而进一步推动了城市轨道交通国产信号设备的技术进步 TYJL II 型微机联锁系统为分布式多微机系统 其主要设备包括监控机 上位机 控 制台 联锁机 执行表示机 继电接口电路 维修机 电源屏 人机接口设备和室外设备 等 其中监控机 联锁机和执行表示机均为双机热备结构 具有自动切换和保护功能 并 具备脱机试验维修使用的能力 TYJL II 型微机联锁系统的结构框图如图 3 1 所示 从中可 以看到系统硬件设备的组成与关系 TYJL II 型微机联锁系统的系统软件包括人机对话层 联锁逻辑运算层和执行层三个层次 并采用 C 语言和汇编预言进行程序编写 采用通信软 件进行数据的传输 实现微机控制联锁的功能 控制台 监控机A监控机A维护终端 远程诊断 执 表 机 A 联 锁 机 A 执 表 机 B 联 锁 机 B 综 合 柜 电源屏组合架 接口柜 轨 旁 设 备 操纵室 微机房 机械室 室 外 图 3 1 TYJL II 型微机联锁系统的结构框图 图 3 2 是 TYJL II 型微机联锁系统的设备布置示意图 从中可以看出该系统的实际设 备在现场的实际分布 此外 不仅仅是 TYJL II 型微机联锁系统 其他 TYJL 系列的微机 联锁系统的设备分布都是按照这种方式来设计的 在后面的该系列产品介绍时就不再赘述 操操作作室室远远端端 机机房房 机机械械室室 现现场场 数字化仪器 控制台 电务维修机 监控机A 监控机B UPS 微 机 检 测 系 统 双 机 热 备 联 锁 机 继电组合电源屏 远程诊断 调度监督 天线 15 44 图 3 2 TYJL II 型微机联锁系统的设备布置示意图 TYJL II 型微机联锁系统的硬件优势主要包括以下几点 1 为地铁行车组织和安全运营提供了先进 可靠的设备保障 2 提高了城市快速轨道交通国产信号联锁设备的技术水平 3 为提高地铁信号联锁系统设备管理和检修作业水平创造了必要条件 4 减少了地铁信号联锁设备安装 调试和维护的工作强度 5 为城市快速轨道交通新线建设和旧线改造在联锁设备上节约大量外汇和资金 6 可节约联锁设备维修备品和功能扩展软 硬件修改所需经费 7 降低了运营成本 为近一步降低信号系统的设备投入创造了条件 TYJL II 型微机联锁系统的软件按照硬件的结构划分为三个层次 人机对话层 联锁 逻辑运算层和执行层 各个层次又可以根据功能划分为几个模块 其系统软件的结构如图 3 3 所示 各种软件包之间由专用通信软件实现沟通 人机接口模块通信模块信息提示模块 基本联锁模块自诊断模块特殊联锁模块与替他系统联锁模块 调度系统按优先级实时调度 现场设备状态输入模块现场设备控制命令输出模块 现 场 设 备 人机对话层 联锁运算层 执行层 图 3 3 TYJL II 型微机联锁系统的软件层次结构 此外 TYJL II 型微机联锁系统还可以与 ATS 试车线和正线联锁等设备良好的结合 并可以向 ATS 中央系统提供进路 信号机 道岔 轨道电路 股道等状态信息 并采用可 靠的隔离措施确保不影响联锁设备的正常工作 在市场应用方面 国内特大型枢纽站场 如沈阳 长春 哈尔滨等 全部采用 TYJL II 型计算机联锁系统 该系统在大型复杂站场方面具有绝对的优势 同时 TYJL II 型计算 机联锁系统也是第一个在国内城市轨道交通投入使用的微机联锁系统 1999 年开通北京地 铁四惠车辆段 2002 年开通北京西直门 东直门快速轨道交通全线 16 个车站 重庆轻轨 较新线全线也采用了该制式的计算机联锁系统 目前 TYJL II 型计算机联锁系统已在全国 铁路 地方铁路 城市轨道交通以及厂矿专用线 500 多个站场开通使用 市场占有率全国 第一 2 DS6 11 型微机联锁系统型微机联锁系统 DS6 11 型计算机联锁系统是根据铁道部科技发展计划的要求 由通号总公司设计研究 院研究开发取得的成果 该系统是双机热备计算机联锁系统 采用具有高可靠性的工业控 制计算机 运用网络通信技术构成多机分布式控制系统 DS6 11 型计算机联锁系统在我国 的国铁和城轨系统都有了比较广泛的应用 16 44 DS6 11 型计算机联锁系统具有如下特点 1 联锁子系统采用动态冗余的双机热备结构 具有故障自动切换和人工切换功能 满 足系统高可用性要求 2 联锁软件采用双份编码 模块化和结构化设计 程序设计标准化 3 安全输出采用动态驱动方式 表示信息输入采用动态编码方式 满足故障倒向安全 要求 4 系统具有完善的自检测和故障诊断功能 并可提供远程监视 为设备维护提供及时 有效的技术支持 5 系统人机界面全部为汉字显示 具有多种可选择的操作方法和表示方式 6 系统设置统一的标准时钟 可通过统一控制段的微机监测网络实现时钟的统一校正 7 系统具有远程通信接口 具备与其他信息系统联网交换信息的能力 DS6 11 型计算机联锁系统为多机分布式结构 系统由控制台子系统 网络通信子系统 联锁子系统 监测子系统 输入输出接口电路组和继电器接口电路组成 如图 3 4 所示 其中 控制台子系统是调度集中 CTC 分机接口和车站值班人员的人机界面 由控 制显示分机 行车控制台 站场显示设备 控制显示机转换机箱 CTC 通信接口设备等组 成 联锁子系统由热备的联锁双机组成 通过网络接受控制显示机发来的控制台操作命令 进行联锁和 ATP 速度控制逻辑运算 并通过采集接口驱动继电器工作 实现对道岔 信号 机和 ATP 速度的控制 监测子系统的作用在于帮助系统管理和维护人员分析事故原因 查 找设备故障 以实现故障设备的及时修复 网络通信系统是一个局域网络 实现各个子系 统之间的信息传输与交换 输入输出接口是微机系统与继电器接口电路之间的界面 其设 计采用闭环工作方式和动态编码信号 继电器接口电路是微机系统与室外设备之间的接口 主要由信号点灯电路 道岔控制电路等等 采用 AX 系列继电器 17 44 道岔 信号 ATP接口电路 备 机 大屏幕图 形显示器 控制台 分机 列车运行 控制台 大屏幕图 形显示器 鼠标 监 测 分 机 鼠标 键盘 打印机 远程监视 接口 控制台子系统监控子系统 双重冗余局域网络 联锁机 A 联锁机 B 双机同步网络 联锁子系统 采集 接口 驱动 接口 驱动 接口 采集 接口 输入输出接口 热备用输出 继电器接口电路 动态编码输入动态编码输入 图 3 4 DS6 11 型微机联锁系统硬件配置图 DS6 11 型微机联锁系统的软件部分分为两个层次 内层为系统软件 外层为应用软件 系统软件是各个子系统的管理和控制软件 它由实时多任务处理程序 设备管理程序和软 件调试工具三部分组成 应用软件由站场数据库和应用程序两部分组成 系统的软件程序 全部采用 C 或 C 语言编写 包括控制显示软件包 监测软件包 接口通信软件包 系统 通信软件包 联锁软件包 输入 输出软件包 安全检查程序 辅助设计工具 8 个部分组成 其结构如图 3 5 所示 DS6 11 型微机联锁系统于 1995 年研制成功 1997 年起开始上道使用 并于 1999 年 1 月通过铁道部技术鉴定 批准推广使用 目前 该设备已经在我国铁路系统中有了较多 的运用 与此同时 在城轨交通领域该产品也有较多的运用 例如在大连快轨 3 号线的正 线采用的就是 DS6 11 型计算机联锁系统 改系统投入使用多年 系统运行稳定 安全可 靠 18 44 控制显示 软件包 接口通信 软件包 系统监控 软件包 操作层 软件 系 统 通 信 程 序 通信 软件包 联锁 软件包 输入输出 软件包 联锁程序1联锁程序2 输入程序A输入程序B输出程序 辅助设计工具 安 全 检 查 程 序 图 3 5 DS6 11 型微机联锁系统软件程序结构图 3 JD IA 型微机联锁系统型微机联锁系统 JD IA 型计算机联锁是北京交大微联科技股份有限公司研制的双机热备系统 它采用 最新的计算机技术 总线技术 网络技术 实现了一套性能可靠 具有 故障 安全 性能 功能完善 操作简单 维护方便的车站微机联锁系统 JD IA 型计算机联锁系统保留了 6502 电气集中的执行电路 包括道岔启动电路 信号 机点灯电路 轨道电路 各种联系电路等成熟的继电器电路 其它电路则由计算机联锁系 统代替 计算机联锁系统的关键部分均采用双套热备 保证故障时不间断使用 JD IA 型 计算机联锁系统的维修机可以实时监视车站运行情况 联锁系统的运行情况 记录车站值 班员的操作情况 车站运行情况 及联锁系统故障 故障原因 为事故分析 电务人员维 修计算机联锁系统提供帮助 JD IA 型计算机联锁系统属于分布式计算机控制系统 其特点是分散控制 集中管理 系统包括人机对话层 联锁运算层 执行表示层三大层次 系统结构如图 3 6 所示 其中 人机对话层包括操作表示机和电务维修机 为车站值班人员和电务维修人员提 供操作和显示界面 联锁运算层包括联锁机和总线转换电路 根据接收的操作命令和采集 的站场信息进行联锁运算 发出控制命令 执行表示层包括了采集电路 输出电路 检测 电路 接口配线 通道防雷和接口继电器 完成驱动任务 进行设备的连接和防雷 此外 系统还保留了继电集中联锁的执行电路 包括道岔控制电路 信号点灯电路 轨道电路及 各种联系电路 JD IA 型计算机联锁系统的通信为双通信网络 采集 输出 检测电路采用外部控制 总线方式 通过总线转换板与计算机 ISA 总线交换信息 并通过电缆与接口继电器组合架 连接 JD IA 型计算机联锁系统的操作表示机 联锁运算机 总线转换电路 采集电路 输 出电路 检测电路均为双套 构成双机热备型计算机系统 19 44 电务维修机操作表示机A操作表示机B 快速以太网交换机 电务维修网 联锁机A联锁机B 总线控制器A总线控制器B 上下位机间 1网2网 人机对话层 运转室 联锁运算层 微机室 外部控制总线 采集 电路A 输出 电路A 检测 电路A 采集 电路B 输出 电路B 检测 电路B 执行层 微机室 接 口 配 线 通 道 防 雷 继 电 器 组 合 架 32芯电缆 执行层 机械室 图 3 6 JD IA 型计算机联锁系统体系结构图 JD IA 型计算机联锁系统具有如下的结构特点 1 采用分离式总线控制器 提高了微机联锁整体的抗干扰能力和外部总线的扩展能力 2 独有的上电自动跟踪能力 备机上电 10 秒左右自动与主机同步 无须人工干预 3 完善的冗余结构 系统全部资源均采用双套结构 其中采集板为 4 倍冗余 提高硬 件自诊断能力 4 CAN 网络双网并用 采用 CAN 网络的双网并用结构 提高系统稳定性 5 直接驱动偏极继电器 联锁机内部实现动态驱动 提高可维护性 6 动态驱动电路的双备份 双套驱动板能实现对输出电压进行回读检测 增加输出电 路的自诊断能力 7 强大的故障诊断能力 联锁系统通过电务维修机对故障进行记录 为维修人员提供 参考 JD IA 型计算机联锁系统的技术特点如下 1 采用独特的外部控制型总线控制器 实现计算机总线和控制总线的分离 系统抗干 扰能力提高 兼容 扩展能力增强 2 联锁机 操作表示机之间采用双通讯网进行通信 双网同时工作 一旦其中一网故 障 另一网仍可保证系统正常通信 3 联锁计算机通过故障安全型动态采集电路采集组合架继电器接点状态 每个采集接 点通过两套电路同时采集 提高硬件自诊断能力 4 联锁系统具有强大的故障诊断能力 并通过维修机记录下来 供电务维修人员参考 5 电务维修系统可向其他系统提供本站的开关量信息 供监测系统 调监系统等使用 JD IA 型计算机联锁系统已经通过了铁道部技术鉴定 交大微联也成为国内仅有的四 20 44 家可为铁路系统提供联锁产品的厂家之一 该系统目前已经应用于国内的铁路系统 客运 专线系统 城市轨道交通系统之中 运行状态良好 4 VPI 型微机联锁系统型微机联锁系统 VPI 型微机联锁系统是由卡斯柯公司与 ALSTOM 公司合作 开发出的一种安全型双机 热备配置的车站联锁设备 该系统是一种 故障 安全 的 以多处理器为基础的车站联锁 信号控制系统 具有综合的控制和管理功能 能确保行车安全 提高运输效率 改善劳动 条件 并为实现管理和信息现代化创造条件 在工程实施中 可以以计算机联锁系统 VPI 为核心 构成包括计算机联锁和调度集中 调度监督 信号微机监测等子系统的综 合信号系统 VPI 型计算机联锁系统于 1993 年 4 月 10 日通过了中国铁路通信信号总公司 的技术鉴定 被授于 科学技术成果鉴定证书 并于 1999 年 8 月通过了铁道部评审 也使 卡斯柯信号公司成为铁道部指定的四家计算机联锁研制生产单位之一 同步 通信 双通道 值班员PCMMI 1MMI NMMI N 1 调制解调器 远程诊断台 调制解调器 微 机 监 测 系 统 电 话 线 系统维护台 联锁 系统A 联锁 系统B 电源及网 络子系统 A网 B网 接口电路 图 3 7 VPI 型微机联锁系统结构示意图 图 3 7 是 VPI 型计算机联锁系统的结构示意图 该系统由联锁处理子系统 IPS 人 机界面子系统 MMI 系统维护子系统 电源及网络子系统 室内接口电路子系统等构 成 在功能上 VPI 系统除了能够实现所有联锁的基本功能之外 还具备与其他系统设备 接口的功能 具体包括 与买方设备的结合 与调度集中 调度监督系统的结合 与道口信 号结合 与 ATS DMIS 等其它系统接口等等 VPI 的双机热备按照下列原则设计 联锁机双机热备 MMI 双机 多机 热备 UPS 双机热备 双机故障后自动旁路 双网冗余 任一 UPS 网络设备 联锁机和 MMI 正常 应该保证系统自动重组时 系统仍可以继续工作 同时这也是 VPI 系统的一个显著特点 VPI 系统实现了硬件模块化 软件标准化 采用开放式系统结构 能与调度集中系统 CTC 超速防护系统 ATP 数字轨道电路等信号系统接口 并能与其它信息管理系统 交换数据 VPI 系统具有很高的可靠性 从人机界面 MMI 网络系统 电源系统到联锁 机等设备均按冗余设计 在主机发生故障的情况下 将自动无缝切换到备机工作 VPI 联 锁机具有全面的