电子化双线双向自动闭塞系统的设计与实现

张 杰

张 杰:兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室硕士研究生 730070 兰州

由于CTCS-0、CTCS-1级 (以下简称C0、C1)系统的区间控制全部采用继电器组合，维护和排除故障困难，大大降低了自动闭塞区段的通过能力，所以，有必要用一种更简洁、更高效、更安全和易维护的方案来代替。随着电子技术与通信技术的不断发展，区间控制的电子化也更体现出其优越性和可实施性。故提出C0、C1区间双线双向自动闭塞电子化的实现方式。

1 系统硬件整体架构

区间控制系统的主机是核心运算部分，采用二乘二取二计算机硬件平台，由2套联锁主机、冗余光纤网络和冗余热备的实时通信单元3部分组成。CPU主板由2路独立的CPU处理器、总线硬件比较控制器、硬件自检控制器、硬件同步控制器、I/F控制部件、全局冗余时钟和光纤通信接口组成。通过硬件同步控制器、总线硬件比较控制器和软件时间点同步相结合的方式，实现一种新的同步机制。主机通过以太网与车站联锁系统、CTC设备、监测维护终端连接通信，与邻站区间控制系统通过站间2Mb/s网连接通信。主机通过现场CAN总线与全电子执行模块通信，进行相应设备的驱动和数据采集。监测维护终端也从现场采集数据，并上传集中监测系统。

全电子执行单元继电器采集模块 (JCJ)，继电器驱动模块 (JQD)，信号机点灯模块 (LXA)，电码化模块 (ZDM)均采用“二取二”与逻辑控制结构，具有过流保护功能，实现了信号的控制、监测、监督一体化。CAN总线采用广播通信模式，主机将整个总线上所有模块的数据包按地址从低到高依次发送到CAN总线上，然后等待CAN总线上的电子模块返回状态数据。系统整体框架图如图1所示。

2 主机软件设计

主机采用实时多任务操作系统VxWorks。该系统由400多个相对独立的、短小精炼的模块组成，用户可根据需要选择适当模块来剪裁和配置，有效地保证了系统的安全性和可靠性。多任务环境允许一个实时应用作为一系列独立任务来运行，各任务有各自的线程和系统资源，VxWorks系统提供多处理器间和任务间高效的信号、消息队列、管道、网络透明的套接字和最快速的硬件中断处理。主机的主要功能如下。

图1 区间控制系统整体框图

1．根据列车进路状态和轨道区段状态，实现区间轨道电路的载频、低频信息编码功能，并控制区间轨道电路发送方向。

2．实现区间运行方向与闭塞控制逻辑运算。

3．通过2Mb/s端口实现站间安全信息传输，向邻站实时传输区间轨道电路状态、区间方向等安全信息。

4．区间信号机点灯控制逻辑运算。

5．应能实现中继站控制。

区间控制主机软件流程图如图2所示。

2.1 通信初始化模块

主机与车站联锁系统、邻站主机和微机监测通过以太网连接，使用CRC校验保证数据安全。主机与全电子执行模块之间采用CAN通信，该模块也完成CAN卡和通信端口初始化。当所有以太网通信和CAN通信正常时，主程序开始运行并随时检查通信状态，否则监听等待。通信模块流程图如图3所示。

2.2 数据发送与接收模块

根据通信协议，主机要从车站联锁系统得到接、发车进路信息，区间方向控制命令，进站信号机灯丝断丝信息;从邻站主机得到邻站闭塞分区情况及线路改方信息。主机要向车站发送区间方向表示信息、闭塞分区状态信息、信号降级信息、离去区段防护信号机红灯断丝信息;并发给邻站主机本站的闭塞分区情况及线路方向信息。此外，主机还要发给监测维护终端区间控制主机状态记录、区间信号点灯状态、轨道电路编码、方向继电器驱动输出、与ZPW-2000系统的接口报警信息等。

主机要发送的信息都有各自的打包函数，每条信息40字节，有CRC校验信息。对于接收到的数据也有相应的解包函数。打包、解包过程都用关键代码段保护，保证数据安全。

2.3 核心逻辑运算模块

核心运算模块分为改方逻辑模块和自动闭塞模块2个主要部分。改方模块主要完成线路的正常改方和辅助改方;自动闭塞模块主要完成区间的信号点灯和轨道编码。

2.3.1 改方模块

与邻站通信全部采用2 Mb/s以太网，故以前继电改方线路无论四线还是二线，全部被新的通信方式替代，原来改方电路的16个继电器只保留FJ一个实体继电器，其他如GFJ、JQJ、JQJF由于改方逻辑和防止轻车跳动的需求，都用虚拟的方式来实现。新的改方逻辑以四线制改方逻辑为基础，在保证安全和继承其所有优点的情况下，使改方逻辑变得更简捷，更高效。改方模块流程图如图4所示。

图2 区间控制主机软件流程图

图3 通信模块流程图

图4 改方模块流程图

正常改方:当接车站有发车请求时，主机先检查JQJF是否吸起，如果吸起使接车站GFJ吸起，通过站间2Mb/s网传给发车站，发车站接到接车站的发车请求时，检查在没有办理发车进路的情况下，取消发车权，GFJ落下，FJ吸起，改为接车站，并且把改方成功标志置1，代表发车站改方完成，否则改方成功标志置0，然后发回接车站;接车站接到发车站改方成功标志为1后，检查JQJF是否吸起，如果吸起则使GFJ吸起，FJ落下，改为发车站，改方成功。

辅助改方:当区间故障，某个闭塞分区GJ无法正常吸起，虽然区间空闲但却无法正常改方时，由两站值班员人工确认区间空闲后，接车站向主机发出辅助发车请求，主机则跳过检测JQJF直接使GFJ吸起，发往发车站请求改方，发车站检测没有发车进路则取消发车权，GFJ落下，FJ吸起，改为接车站，改方成功标志置1，代表发车站改方完成，否则改方成功标志置0，然后发回接车站;接车站接到发车站改方成功标志为1后，使GFJ吸起，FJ落下，改为发车站，等待排出发车进路，辅助改方成功。

主机实时监测发车站与接车站FJ的状态，一旦出现双发情况，立即导向安全侧并报警。

2.3.2 自动闭塞模块

区间根据模块化设计，以闭塞分区为单位设计相应的类，根据功能不同又分为普通闭塞分区类，一接近、二接近、三接近类和反向一接近、二接近、三接近类。其中的核心方法是点灯和发码逻辑。对于三显示或四显示普通闭塞分区的点灯和发码，都是根据运行前方2个或3个闭塞分区的GJ来判断;对于一、二、三接近不光要根据前方闭塞分区的空闲情况来判断，还要根据车站发来的进路号来判断。对于C0、C1区间，根据进路号判断进站信号机显示，即进站信号机的5个继电器(LXJ，TXJ，LUXJ，YXJ，ZXJ) 的状态，来控制接近区段点灯、发码。反向运行时，所有区间信号灯灭灯，除了反向接近区段正常发码外，其他区段都发白码。

对于不同区间，可以根据具体情况来组装相应的区间，每个闭塞分区为一个独立模块，每条线路各模块都是采用向量的方式来存储，运算和查找都非常高效。自动闭塞模块还可完成红灯断丝转移和降级显示功能。

2.4 执行模块

通过核心运算层后，系统将根据不同模块类型与地址打包信息，下发命令。数据结构片段如下。

执行模块通过CAN A，CAN B返回的状态信息分别存入Status和Status1中，等待程序进行同步和相同性检测。

3 系统安全性分析

1．主机采取二乘二取二安全架构，其软件核心运算层采用多次运算比较结果是否一致的方法，来确保输出的控制命令正确无误。既可以防止计算机的瞬时故障，还可以有效防止尖脉冲的干扰以及接触不良等情况。

2．软件对各任务模块进行实时监测，如果其中有任何一个任务在1 min内没有被调度执行，则系统重新启动。

3．总线上的电子模块只有接收到2次有效命令才会动作。模块在连续3 s内收不到主机下发的任何有效控制命令，则自动实现故障-安全控制输出。2条总线的命令发送时间差小于等于50 ms，如果超时则输出导向安全侧。

4 结束语

既有铁路还有很多线路运行在C0，C1级，本区间电子化闭塞系统采用电子逻辑代替继电逻辑，节省大量继电器，而且也使日常维护和定位故障点变的更加高效、准确。改方电路更加简捷高效，安全性和可靠性也得到提升。为了与CTCS-2和CTCS-3级列控系统更好的衔接，稍加改动可直接应用于CTCS-2，CTCS-3区间控制。在铁路信号电子化的大趋势下，本系统在工程造价、安全性和可靠性及普速铁路与高铁衔接过渡等方面都有重要的参考价值。

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