基于目标控制器的分布式列车控制系统研究

卡斯柯信号有限公司 陈小猛 韦启盟

传统铁路存在安装调试周期长、风险集中、工程造价高、维护困难等诸问题，随着我国铁路发展，对设备可靠性、安全性提出了更高的要求，网络化、智能化已经成为当今铁路信号系统的发展趋势。为了契合国内铁路的发展趋势，提出了一种新型的基于目标控制器（Object controller，OC）的分布式列车控制系统。本文从国内外目标控制器应用现状、分布式列车控制系统结构、OC组成及功能、网络结构等多个维度进行研究，论证基于OC的分布式控制系统可以作为既有系统补充，为铁路控制系统提供一种新思路。

传统列车控制系统通过继电器组合实现轨旁设备的控制，具有：结构复杂、电缆多、维护成本高、故障影响范围大等特点。近年来，国内轨道交通事业的发展日新月异，对列车控制系统也提出更高的要求，随着计算机产品处理能力不断提高、电子产品可靠性不断提高、通信技术日趋成熟，也为下一代列车控制系统的网络化、电子化、智能化、集中化提供了强有力的技术基础。

1 目标控制器应用现状

上个世纪70年代开始，国外西门子、庞巴迪、阿尔斯通、安萨尔多、泰雷兹、日立等厂商开始在干线铁路使用目标控制器。各国外厂商的目标控制器具备以下共同特点：逻辑运算层与目标控制器采用网络结构；目标控制器满足室外分布式布置要求；目标控制器采用二取二架构设计，多采用非冗余设计。

国内从1996年开始研究目标控制器（全电子执行单元），并于2001年在信阳电厂、襄樊北机务段整备场投入使用。目前国内目标控制器仍主要应用在地方铁路或支线铁路上，主要厂商有：卡斯柯、铁科院、通号院、兰州大成等。正在规划研究的列控-联锁一体化系统，已经明确可通过目标控制器对轨旁设备进行控制，为目标控制器的推广带来了新的契机。

2 基于OC的分布式列车控制系统结构

将分布式控制原理应用于计算联锁系统中，如图1，将车站计算机联锁系统按结构层次划分为：人机会话层、逻辑运算层、网络通信层、执行层以及轨旁设备层。各层级间即相对独立，又有一定联系，各层均有相应的计算机或微处理器来运算处理，从而使系统形成层级式分散结构。

图1 基于OC的分布式控制系统结构图

基于既有OC的分布式列车控制系统，保留了原计算机联锁系统的人机会话层和逻辑运算层，人机会话层与逻辑运算层可根据工程需要布置于车站信号楼内，或布置于控制中心便于实现集中控制和管理。室外采用OC控制轨旁设备，OC设备根据工程需要，灵活布置于轨旁，完成对所辖区域轨旁设备的驱动和状态采集等功能，每个OC均可根据现场实际情况，灵活控制若干轨旁设备。

本文提出的基于OC的分布式列车控制系统，由于OC设备直接布置于室外，大大减小了室内设备的占地面积，减少了室内配线以及电缆的用量，从而大大降低的工程造价和施工难度。OC设备具有独立的诊断功能，能够将诊断信息实时发送至维护诊断设备，大大提高了设备故障诊断的准确性和维修效率。

各OC设备相互独立，直接从逻辑运算层获取控制命令，并将轨旁设备的状态信息发送给逻辑运算层。为了提高设备的可用性，降低对行车作业的影响，OC中每个模块均采用冗余配置，OC中每个模块均实时自检，保证不会产生错误输出。同一个车站，OC中同类的模块软件及硬件应相同，工程应用过程中可根据实际需求灵活搭建联锁系统。

3 OC设备组成及功能

每一个轨旁信号设备都应在其相应的OC的控制之下完成指定动作或给出相关状态信息。如图2所示，OC采用模块化设计理念，每种控制模块为一套完整的电路，完成一个独立的功能。按功能OC控制模块主要有：通信控制模块、轨道电路模块、信号机控制模块、转辙机控制模块以及各种方向电路控制模块。

图2 OC结构示意图

二取二、双断、冗余、故障导向安全等原则贯穿于OC各控制模块的设计当中。各模块采用双CPU结构设计，控制电路采用双断原则设计，控制命令经过2oo2校核，确保双CPU收到相同的控制命令后，模块才能完成对轨旁设备的控制；同样，模块的2路模拟量采集电路也各自独立，经过双CPU进行“与”处理，确保双路采集状态一致后，才能发送给逻辑运算层，提高了系统的安全性。各模块均采用冗余方式布置，任何一个模块故障后整个OC的功能不受影响，提高了系统的可靠性；各模块均具备完善的自检机制-上电自检、实时自检、周期自检，自检不通过时模块会采驱安全措施，实现了模块级的故障导向安全。

3.1 通信控制模块

通信控制器采用安全冗余结构，主要完成与逻辑子系统及控制器间的通信功能。其功能和相关要求如下：

（1）通信控制器接收逻辑子通信控制模块应采用冗余的通信通道；

（2）通信控制器与逻辑子系统通信中断时，应导向安全侧；

（3）采用标准化、开放式网络接口完成与逻辑子系统间信息交互，实现通道的网络化数字化。

3.2 转辙机控制模块

转辙机控制模块采用二乘二取二结构设计，采用冗余布置方式设置。如图3，转辙机控制模块直接与转辙机接口，国内常用转辙机主要有46线制转辙机、5线制转辙机，转辙机控制模块主要功能如下：

图3 转辙机控制原理示意图

● 接收辑运算层道岔动作控制命令，控制转辙机转动；

● 采集并上传转辙机动作状态信息和道岔表示信息，且能够保障道岔表示信息与道岔实际位置一致；

● 采集并上传道岔电流值、报警等维护信息；

● 道岔启动时先切断道岔表示，道岔转换完成后方可给出道岔表示；

● 当道岔启动电路已经动作后，可保证转辙机继续转动到底；

● 当道岔转换完毕时，自动断开道岔启动电路；

● 当电机无法转动或超时未转到位时，自动切断道岔启动电路；

● 若采用三相交流电源控制的电动或电液转辙机时，设置断相保护装置，一旦出现断相能够切断道岔启动电路；

● 当外线发生混线时，能够保证不能形成错误表示；

● 当道岔发生转换、挤岔等情况时，道岔为无表示状态。

3.3 信号控制模块

如图4，信号控制模块直接信号机接口，由信号控制器直接控制站内列车信号机、调车信号机和区间通过信号机。其功能如下：

图4 信号机控制原理示意图

● 信号控制器收到逻辑子系统点灯命令后，控制信号机相应灯位点亮。

● 采集并上传各灯位状态信息。

● 采集并上传各灯位的实时点灯电流、报警等维护信息。

● 具备列车信号机的点/灭灯控制功能。

● 当信号控制器模块故障、断电或被拔出时，其对应的信号机应能点亮禁止灯光或灭灯。

3.4 轨道电路模块

如图5，轨道电路控制模块用于JZXC-480型交流轨道电路、25Hz相敏轨道电路等典型轨道电路占用/空闲状态判断。轨道电路模块直接与轨道电路受电端接口，将接收的轨道电路信号转换为占用/空闲状态。其功能和相关要求如下：

图5 轨道电路模块原理示意图

● 轨道电路接口器实时采集轨道电路相位、电压等信息采样，并转换为占用/空闲状态。

● 采集并上传各轨道区段的轨道参数，报警等维护信息。

● 轨道电路接口器应符合相应制式轨道电路的技术要求。

3.5 半自动闭塞控制模块

半自动闭塞控制模块实现与邻站闭塞设备接口，用以代替半自动闭塞电路实现半自动闭塞逻辑功能。当半自动闭塞控制模块可获取到区间的占用/空闲状态时，该控制模块也可实现自动申请闭塞以及列车到达自动复原的功能。其功能和相关要求如下：

● 半自动闭塞控制模块收到闭塞控制命令（闭塞/复原/事故）后，由控制模块实现半自动闭塞电路逻辑功能，并输出半自动闭塞电路要求的控制信号至方向电路。

● 采集闭塞电路输入条件，按照半自动闭塞电路逻辑要求转换为规定码位信息，并上传至逻辑子系统或通信控制模块。

● 半自动闭塞控制模块实现的逻辑功能及相邻半自动闭塞接口应符合相关电路的要求。

3.6 场联控制模块

当与相邻场不具备直接通信功能时，由场联接口器实现与邻场场联电路接口。其功能和相关要求如下：

● 场联接口器接收来自逻辑子系统的场联信息驱动命令，对外输出适合电压；

● 采集输入条件，转换为开关量信息并上传至逻辑子系统或通信控制模块；

● 应具备正电、负电输出以及正电和负电的输入采集，兼容既有的场联连接方式。

4 网络结构

通信网络是OC与逻辑运算单元之间安全信息传输的媒介，构建高可靠性、高安全性的通信网络，是保障分布式控制系统的安全、可靠工作的关键。本文中列举两种组网方式：冗余双环安全信息传输网、基于多模通信网关的安全信息传输网。

4.1 环形结构安全信息传输网

图6为采用冗余双环安全信息传输网的结构示意图，为了保证安全信息传输的稳定性和可靠性，安全信息传输网采用冗余环网结构，双环网间物理隔离，网络设备间采用专用光纤连接，各设备均采用工业以太网络设备，环网使用4芯光纤，并预留2芯备用。利用交换机的环网协议，当环网中发生一处中断时，不影响网络中的设备通信。为了提高信道及通信设备的冗余性，两个环网在布置时可采用不同的物理路径，最大限度保障数据传输的可靠性。

图6 冗余双环安全信息传输网结构示意图

OC与逻辑运算单元均属于安全设备，它们之间的通信采用铁路信号安全通信协议，通过在应用程与通信功能模块之间增加安全功能模块来实现信息的安全传输。

4.2 基于多模通信网关信息传输结构

我国广大西部和边远地区幅员辽阔，但自然环境恶劣、交通不便，本着以最少化轨旁设备、集中运营、智能维护的原则，增加了基于多模通信网关进行安全信息传输的网络结构。如图7所示，逻辑运算单元布置于控制中心，通过多模通信网关与现场设备建立通信。

图7 基于多模通信网关信息传输结构示意图

采用多模网络通信时，如图8所示，OC设备通过冗余以太网口接入轨旁通信网关，轨旁通信网关通过GMS-R、LTE-R或公共移动网络将数据发送至逻辑运算单元接入的多模通信网关。采用多模通信，当主用链路故障时能够快速切换至备用链路，保证数据传输的可靠性。

图8 多模通信网关

结束语：基于目标控制器的分布式控制系统是一种新型的控制体系，本文结合国内外目标控制器应用现状，从系统的系统结构、OC设备组成、OC功能、网络结构等维度对基于目标控制器的分布式控制系统进行研究分析。该系统具有智能化、网络化、电子化、灵活度高等优点，能够大幅度降低工程造价、缩短施工周期、降低运维成本，该系统可以作为既有系统补充，为铁路控制系统提供一种新思路。