区域计算机联锁与站间安全信息传输一体化研究

张利峰 佘晓丽 张乐平

(北京全路通信信号研究设计院，北京 100073)

1 概述

计算机联锁系统是控制铁路车站信号和道岔，保障行车安全的基础信号系统[1]。区域计算机联锁是在车站计算机联锁的基础上，综合运用网络通信技术、远程控制技术和安全信息传输技术，将整个控制区域视为1个车站，使用1套联锁机完成区域内多个车站的联锁逻辑运算和集中控制，实现车站联锁、区间闭塞和站间联系一体化控制的系统[2-3]。北京全路通信信号研究设计院已先后在临沂北、新丰镇编组站和集二线集贲（集宁到贲红）段开通了区域计算机联锁系统。

站间安全信息传输是车站之间通过安全传输通道，实现站间闭塞信息和相邻站信号设备状态信息的传输。国内站间安全信息传输技术已有成熟应用，如合宁、合武客运专线中，车站列控中心通过站间安全信息传输技术实现中心站、中继站间控制信息的连续传输，完成区间自动闭塞控制，保证列车的运输安全。

在国内，区域计算机联锁系统通信网络和站间安全信息传输网络通常需要分别单独架设，使用不同的通信协议实现安全信息的传输。随着铁路信号系统集中控制、指挥、调度一体化的深入发展，兼具区域计算机联锁和站间安全信息传输功能的控制系统将成为信号系统的发展方向，而架设不同的专用网会大大增加系统的复杂性和建设成本。针对这样的需求，北京全路通信信号研究设计院开发了区域计算机联锁与站间安全信息传输一体化系统。该系统基于设计院自主研发的二乘二取二安全计算机联锁系统，采用高速冗余传输网络，设计了易于配置和扩展的网络结构，运用数字复接－分接通信技术以及网络优化配置技术，实现了基于同一通信网络的区域计算机联锁与站间安全信息传输一体化系统。

2 系统结构

区域计算机联锁与站间安全信息传输一体化系统以二乘二取二结构的DS6-60计算机联锁系统为核心，以抗干扰性强的光纤为传输媒介，构建可供中心联锁相互通信，以及中心联锁与远程受控站相连接的冗余传输网络，实现区域计算机联锁、站间安全信息传输一体化传输。

2.1 DS6-60计算机联锁系统

DS6-60计算机联锁系统是由北京全路通信信号研究设计院研制的新一代故障-安全信号平台。系统按照欧标EN 50126标准开发，安全完整度等级达到SIL4级，并已成功应用于路内外多个车站。

DS6-60计算机联锁系统基于二乘二取二结构，由人机交互（MMI）子系统，联锁（CIL）子系统、输入/输出（I/O）子系统组成。每个子系统均设计为双重冗余结构，3个子系统通过冗余通信网络连接，实现系统的高可靠性和可用性。对于安全相关的CIL子系统和I/O子系统，每一个冗余模块内部均采用二取二结构，实现系统的高安全性。

DS6-60计算机联锁系统结构如图1所示。

2.2 远程传输网络

远程传输网络是为了实现DS6-60中心联锁站间或中心联锁与远程受控站I/O系统通信而构建的高速光通信网络。远程传输网络上的每个节点可以配置为DS6-60中心联锁系统或远程I/O系统。各节点通过远程光通信接口接入高速光通信网络，各相邻节点远程光通信接口的接收和发送端首尾连接，组成1个环形高速光通信网络，本文称这样的1个环形网为1个“域”。不同域之间可通过远程光通信接口互联，连接示意如图2所示。

为提高远程通信网络传输的可靠性，高速环网设计为双重冗余网络，分别连接各节点的I系和II系装置。高速环网结构简单、可靠性高，可通过域之间的通信进行扩展，是实现站间安全信息传输及区域计算机联锁一体化可靠通信的基础。

远程光通信接口采用时分复用技术，将本地节点的下发数据复接到高速环网中。由于所有的远程通信数据在本域内均可见，远程光通信接口接收数据时，根据上层节点的配置对网络数据进行截取筛选。远程通信接口采取了数据分接处理和数据截取设计，根据配置提取上层节点需要的数据，并利用物理分隔的低速光通道，将单一类型的有效数据经不同低速光通道传送到上层节点。

远程传输网络中各个节点不同类型的数据经过复接，在高速环网中可靠传输，由远程光通信接口为本地节点提取可用数据，再分别经不同的低速通道传送有效数据，本文称这样的网络结构为高速复接－低速分接（HMLS）网络。HMLS网络实现了通信数据高速率、高可靠性的传输，同时将上层节点处理数据的复杂度降至最低。

3 HMLS传输网络原理

3.1 远程光通信接口结构

远程光通信接口由远程通信单元、低速光通道和通信接口板组成。远程通信单元实现数据复接－分接功能，并与低速光通道协同工作，实现本地数据的提取和分类。通信接口板实现对不同上层节点的接口支持，完成与上层节点CPU板的数据交互。

1个远程通信单元通过低速光通道可与1个联锁通信接口板连接，或同时最多与8个I/O通信接口板连接。低速光通道采用UART格式通信，通信速率为2 Mbit/s。图3是中心联锁节点和远程I/O节点的单系远程光通信接口示意图。

3.2 数字复接－分接技术

数字复接－分接由远程通信单元实现，目的是将每个上层节点经由多路低速光通道发送的数据重新打包，利用时分复用的思想，通过高速环网可靠地发送到指定的远程节点，并提取高速环网的数据，转换成多路单一类型的低速数据，发送到上层节点。

远程通信单元设计有8路低速光通道接口和2路高速接口，在硬件设计上采用大规模可编程逻辑器件（FPGA）与专用接口芯片的设计方案，包括低速光电转换模块、FPGA、高速SER/DES接口芯片、高速光电转换等模块。复接与分接的实现流程如图4所示。

3.3 数据截取和筛选设计

数据的筛选和截取功能由远程通信单元实现。每一个远程通信单元都设计硬件拨码，用来设置本节点的节点地址ID和屏蔽地址ID。远程通信单元根据硬件拨码的设置，对高速网络中传输数据的附属信息进行判别，对来自不同域、不同站的数据进行筛选，使得只有本站需要接收的数据才能进入本节点的存储区域。

通过远程通信单元筛选的数据由低速光通道发送到上层节点的通信接口板。由于高速通道和低速通道数据通信传输速率存在差异，如果从高速通道接收到的所有有效数据都经1个低速光通道发送到通信接口板，则低速光通道网络将发生严重堵塞，数据传输的实时性无法得到保证。因此在数据传输时，把同一节点不同类型的数据分散到不同的低速光通道并行发送。远程通信单元根据接收数据附属的低速光通道信息，再把数据发送到对应的低速光通道，使得各低速光通道能够均衡分配数据流量，实现数据由高速通道到低速通道传输的连续性和实时性。

高速环网的数据经过以上处理之后，在每个控制周期，上层节点CPU仅能收到发送至该节点的有效数据。

3.4 网络结构配置技术

HMLS网络包括高速环网和低速光通道2部分，其中低速光通道是网络的传输容量瓶颈。网络优化配置技术根据通信需求（如节点数量、各节点的通信数据量等），动态调整网络结构，配置各低速通道的传输对象，达到合理利用HMLS网络带宽的目的。

用户通过辅助配置软件界面输入节点数量和类型、中心站之间的传输数据量、远程站I/O控制规模等信息，可得到域内传输数据流的总集。选择已利用的低速光通道数量作为优化目标，网络结构配置转化为带约束的最优集合划分问题。本文采用了工程上对这类问题常用的贪心法求解，利用最小的计算量得到较优的划分结果，进而得到网络中每一个上层节点的低速光通道连接方案。

4 技术特性

基于DS6-60计算机联锁系统平台的HMLS一体化传输网络具有以下技术特性。

（1）实现了站间安全信息传输与区域计算机联锁一体化信息传输。与单一的站间安全信息传输网络或区域计算机联锁系统相比，一体化系统使得站间安全信息传输和区域计算机联锁可在1个网内并行工作，并可自由选择区域计算机联锁和站间安全信息传输的范围，使得区域计算机联锁系统的设计、多点的站间安全信息传输设计、以及与其他系统的通信都有了更大的灵活性。

（2）实现了高速率的可靠通信。HMLS网络以结构简单可靠的冗余高速光纤环网为基础，采用数字复接－分接技术，辅以信息截取技术和网络动态配置技术，实现了高速率、高可靠性的数据通信。

（3）具有良好的区域可扩展性。HMLS网络每个高速环网可容纳16个节点，支持多个域互联，可满足区域计算机联锁控制和站间安全信息传输的一般需求。

（4）对不同的应用具有良好的适应性。由于对上层应用节点屏蔽了通信细节，所有信息传输的细节都封装在HMLS网络内部，上层节点可当作点对点通信处理。此外，可根据需求自由指定传输数据类型以适应不同的应用范围，也可设计不同类型的通信接口板以适应不同的上层应用节点。

5 总结

基于DS6-60计算机联锁控制平台的区域计算机联锁与站间安全信息传输一体化系统的研制成功，改变了传统的区域计算机联锁和站间安全信息传输的网络架构，减少工程投资，降低施工的复杂度。区域计算机联锁与站间安全信息传输一体化系统的技术特点和优势将进一步促进DS6-60计算机联锁系统在城市轨道交通、国有铁路和地方铁路的推广应用。

[1] 赵志熙．计算机联锁系统技术[M]．北京：中国铁道出版社，2004.

[2] 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.

[3] 王军，吴芳美．区域联锁传输通道的安全性问题及仿真[J]．城市轨道交通研究，2002， 5(4)：52-55.