适用中老铁路的计算机联锁系统技术研究

1 中老铁路计算机联锁系统概况

中老昆万铁路(昆明—万象，以下简称“中老铁路”)作为泛亚铁路中线的重要组成部分，线路北起云南省昆明市，至中老边境口岸磨憨(中国段)，自老挝中老边境口岸磨丁至线路终点万象市(老挝段)，是首条与中国铁路网直接联通的国际铁路[1-2]。中老铁路老挝境内磨万段(磨丁—万象南)初期开通20 个车站，全长422.4 km，中老铁路老挝段选用中国铁道科学研究院集团有限公司TYJLIII 型计算机联锁系统。为满足海外运输需求，急需在原有成熟产品基础上开发适用于东南亚铁路的核心控制装备[3-4]。计算机联锁设备走向国际，也面临着很多技术难题需要解决。

1.1 多语言功能问题

目前采用中国标准的铁路设备普遍采用单一语言的操作系统，但由于中老铁路代维管理期内有多语言需求，计算机联锁操作控制系统宜具备“中文、英文、老挝文”3 种语言、语音切换功能，因而要解决如何为中老铁路提供安全可靠的多语言切换技术解决方案[5]。作为信号控制最核心的安全控制系统，计算机联锁系统的多语言技术解决方案应该满足以下性能要求。第一，在进行联锁系统多语言功能开发时，不能对系统的底层逻辑产生影响，多语言功能的开发集中在操表机和维修机系统内。第二，要针对不同语言使用习惯人群的需要开发对应操作系统，使用户可以高效、便捷地通过联锁系统对列车进行指挥控制。第三，不同于其他信号系统，计算机联锁系统对于安全性的要求极高。需要针对各语言的音节效率、显示长度差异，在多语言界面下，灵活、准确、完备地交互文字和语音内容[6]。

1.2 软硬件耦合性问题

任何物理实体的复杂程度从低到高依次为材料、元器件/零件、组件、部件、子系统、系统、全机。中老铁路联锁系统的建立是用软件把物理实体数字化的过程。计算机联锁系统作为复杂系统，是软件与多硬件紧耦合的成果，以可视化界面的形式呈现。

为符合老挝的标准和需求，中老铁路联锁系统在国内联锁系统的基础上更换部分软硬件，而作为紧耦合系统，单一硬件或软件的改动会导致系统间的相互影响，需要通过系统分析和试验解决系统开发过程中出现的耦合性问题。

1.3 特殊站型导致运输效率无法满足的问题

A 站位于老挝琅勃拉邦省境内，是琅勃拉邦省首府和嘎西县之间的会让车站，是影响整条线路客货运效率的关键。A 站股道位于桥梁之上，站型特殊且所处位置有6‰下坡道，使得该站的联锁关系十分复杂。为适应特殊地理条件的限制[7]，A 站布置形式采用纵列布置方案，咽喉区正线道岔1 号和2 号均位于两侧的隧道内，由于地形的原因导致正线上的3 号道岔和4 号道岔位于桥梁之上且无法通过移位调整来满足无岔股道的长度要求，不可避免地造成正线股道(IIG)存在中间出岔的情况。因此，需要在满足有限施工成本和计划开通时间的前提下，提出达到线路设计运力需求的解决方案。

2 中老铁路计算机联锁系统技术方案

2.1 多语言功能技术方案

联锁系统多语言功能的开发需同时满足可维护性、可扩展性。可维护性指在联锁后期维护的过程中，如果有站场站型、系统功能的改造，翻译内容可进行相应地修改。同时应尽可能不影响程序源代码，减少编译的次数，缩小改造过程中翻译部分对软件自身产生的影响。可扩展性指此功能的增加可以推广到其他国外铁路项目，预留其他语言翻译的接口，实现联锁系统人机界面的国际化。

为了实现此功能，在UTF-8 编码下对站场界面里的控件按照其类型进行了编码，生成控件ID，信号机、道岔、区段、位图表示灯、文字、按钮等均单独编码，在不同类型间可重复。控件ID 与控件词汇的映射关系如表1 所示。

表1 控件ID 与控件词汇的映射关系Tab.1 Mapping relationship between control ID and control vocabulary

对通用的报警及各站可共用的部分进行通用编码，此部分可复用，在不同车站间和后期的改造中一般情况下无需修改。控件ID 与通用词汇的映射关系如表2 所示。

表2 控件ID 与通用词汇的映射关系Tab.2 Mapping relationship between control ID and common vocabulary

在软件启动时读取文件，在每次站场变动时按照其控件类型，遍历该类型的所有控件ID。如果发现ID 号存在，通过ID 编码索引和中文、英文、老挝文之间的映射关系进行语言切换；如果未发现ID 则忽略，并同时调整翻译后语言的位置，防止因语言长度不一致导致遮挡的情况，满足界面美观的要求。

2.2 软硬件耦合性技术方案

2.2.1 定制主板中蓝屏问题技术解决方案

中老铁路计算机联锁系统可分为联锁机(IL)、操表机(MMI)、维修机(MT)和综合配电柜4 部分。联锁机负责联锁逻辑运算，操表机负责人机交互，维修机负责记录、存储信息以便故障查询。系统中操表机采用为中老铁路全新定制的主板与WIN10系统的电子硬盘，全系统调试的过程中，不定时发生蓝屏现象且故障检查代码不一致。

定制主板上配置有网卡(PCI1)、声卡(PCI2)、多串口卡(PCI4)的接口，在排除了IRQ 冲突的情况下，将独立声卡拔下后无蓝屏现象发生。通过查找类似工控机发现AMOS-6000 工控机声卡在DOS 系统下也存在播音后宕机的情况[8]，怀疑声卡内存存在问题。通过更换独立声卡，试用傲龙、摩羯及声霸等多款独立声卡，均发现有蓝屏的现象，基本排除了单一声卡驱动程序不兼容的可能性。

用Windbg 工具分析，出现较多的故障检查代码1a (memory management)，错误代码41201。在查询虚拟地址的过程中，页帧编号(PFN)和当前页表条目(PTE)指针存在不一致。对故障代码1a 的蓝屏现象分析结果如图1 所示。

图1 对故障代码1a 的蓝屏现象分析结果Fig.1 Analysis results of blue screen of fault code 1a

故障检查代码7e (system thread exception not handle) 和3b (system service exception)参数均显示出现内存访问冲突。故障检查代码109 (critical structure corruption)显示损坏操作类型为函数修改，驱动程序修改了内核代码或硬件损坏。

故障检查代码均指向内存错误，检查当前声卡占用内存地址，怀疑集成声卡和独立声卡存在内存冲突，通过修改定制主板硬件关闭集成声卡后系统日志错误数量明显下降，而用集成声卡替换独立声卡后无蓝屏现象。

2.2.2 定制交换机丢包问题技术解决方案

联锁机和操表机、维修机之间的通信通过以太网交换机实现，交换机故障会影响系统间的正常通信。在中老铁路调试过程中发现，操表机频繁报出联锁机和操表机间序号错误，期望接收序号和实际接收序号不一致的异常现象。操表机接收到的联锁机发送的信息不连续，中间有丢失的现象。

联锁机采用双网交叉冗余结构，通信协议采用UDP 单播协议与操表机、维修机进行通信。在通信异常的情况下有可能出现操表机未能成功接收信息、联锁机未发送连续的数据包、交换机匹配异常等情况。联锁机的双网交叉冗余结构如图2 所示。

图2 联锁机的双网交叉冗余结构Fig.2 Double-network cross-redundancy structure of interlocking machine

相比WIN XP 系统，WIN 10 系统下IL 和MMI，MT 之间以太网通信量需求对交换机的影响更大，对时延、吞吐量、丢包率要求更高。中老铁路联锁系统操表机、维修机、交换机及联锁机ETH 板固定百兆全双工模式，保持最大的网络带宽，交换机设置百兆全双工如表3 所示。按照IPV4 协议，一次传输的数据大于主机MTU 值，即数据传输大于以太网设计的最大长度1 500 字节(除帧首部)，物理层会限制发送数据的最大长度，如果数据包长度大于MTU 值会进行分片或者丢包。拆包后的数据包在目的地端进行重新组包。

表3 交换机设置百兆全双工Tab.3 100M full duplex set by switch

采用Wireshark 抓取网络数据包，接收端设置多个不同终端接收UDP 数据，发现联锁机发送的广播信息通过交换机已经存在丢包的情况，排除操表机端出错的可能。

查看发送方数据包，从Wireshark 里抓取的数据发现，发送方对UDP 数据进行分片，每次丢包都是只收到了第二片数据包，即收到偏移off=1 480 的数据包，第一片数据包丢失。抓取联锁机发送的数据包丢失如表4 所示。长时间有规律的丢包增加了定制交换机匹配异常的可能性。调整定制交换机的通信速率，将交换机的带宽改为自适应模式后，交换机自动适配十兆/百兆速率，无丢包现象发生，通信正常。

表4 抓取联锁机发送的数据包丢失Tab.4 Grabbing packets sent by interlocking machine are lost

2.3 特殊站型软件技术方案

2.3.1 A 站初始信号设计方案

A 站原设计方案如图3 所示。该方案3 号道岔需具备到发线出岔电路逻辑功能，存在下行列车完全进入IIG 后中岔延时3 min 后自动解锁的情况。考虑到道岔所处位置特殊，且运输组织有诸多不可控因素的存在，此时若信号员将3 号道岔操作到反位后，列车继续运行可能引发安全风险。

图3 A 站原设计方案Fig.3 Original design of Station A

2.3.2 不同变更方案的成本及运输效率分析

（1）方案I。对于计算机联锁系统最便捷和稳妥的变更方案就是修改道岔铺设位置。但站前专业已于2020 年完成了A 站桥梁和隧道施工，而A 站股道所在桥梁造价超4 000 万元人民币，两侧咽喉所在隧道总造价超2.4 亿元人民币。如果选择变更道岔铺设位置，不考虑施工工期情况下仍需要超过亿元的变更费用。

（2）方案II。不改变站场布置，选择放弃1 条正线、2 条到发线的站场布局，选择1 条正线和1条到发线的变更方案。该方案可以避免进一步的资金投入，但会使A 站成为整条线路运力瓶颈，浪费前期针对第三条股道的资金投入。

（3）方案III。将站场可能存在的运营风险明确写入《车站行车工作细则》，用人工管控的方式避免因中间出岔导致的异常解锁。但考虑到未来海外铁路运行环境复杂、安全运输压力大的情况，信号专业需要给出既满足运输效率需求，又无挤岔、冒进信号风险的解决方案。

2.3.3 特殊联锁关系的解决方案

受地形条件限制，现在及未来A 站并无货运作业条件。综合各方需求，建议修改设计方案。A 站修改后设计方案如图4 所示，取消IIG 上防护3 号道岔的调车信号机，3 号道岔按接车进路道岔设置，不按到发线出岔逻辑处理，3DG1 和3DG做合并处理，IIG 即为一个道岔区段。此方案的优点是3 号道岔无需具备到发线出岔电路逻辑功能，可通过设置IIG 接车终端按钮的方式，将3 号道岔纳入始端和终端按钮之间的接车进路，避免了中岔延时 3 min 后自动解锁带来的安全隐患。A 站为会让站，由1G 向IIG 的转线调车作业极少，如确有需求，也可通过将1G 车列牵出至D1 外方来完成转线作业。方案提高了作业灵活度，满足现场需求。

图4 A 站修改后设计方案Fig.4 Revised design of Station A

3 中老铁路计算机联锁系统应用效果

中老铁路作为中国与东盟国家合作的旗舰项目，是采用中国标准的普速铁路。联锁系统相关创新性技术方案，可以为中老铁路的高效客货运输提供技术保证，同时也为跨国铁路的运营、管理、维护提供安全保障。

3.1 增加多语言功能，助力降本增效

为适应中老铁路的特殊运营需求，在保证系统可靠运行的基础上，开发了适应中老铁路联锁系统的多语言、语音功能，使联锁系统具备中文、英文、老挝文及对应语音交互功能。多语言功能人机界面的开发有利于我国代理维护期间的技术教学，使老挝第一代铁路人员可以无语言障碍学习联锁系统信号设备的使用和维护。

通过开发操表机和维修机里一键切换语言功能按钮，为不同的作业人员提供了对应的操作界面和语音提示，提高了值班人员作业效率。掌握任何一种语言的专业人员均可便捷操控及维护该系统，减少代理维护后期调整语言导致的二次改造费用，提高信号系统的经济性。

而在未来系统升级时，只需要对文件中新增加的控件进行配置，对删除部分无需改动，大大减少了因翻译工作引起的软件变动。同时按照映射关系可以扩展其他语言，为之后的匈塞铁路等国外项目提供了接口预留。B 站老挝文界面站场局部截图如图5 所示。

图5 B 站老挝文界面站场局部截图Fig.5 Partial screenshot of Lao language interface of Station B

3.2 增强系统耦合性，确保运输安全

为避免紧耦合系统硬件或软件改动导致系统间的相互影响，通过对系统软、硬件的研究，技术上解决了中老铁路联锁系统软、硬件研发及调试过程中产生的耦合性问题，避免定制设备长时间运行中发生蓝屏、丢包、弹窗等情况，减少了信号设备发生故障的风险。

在硬件迭代速率不及软件更新速度的时代背景下，用软件适配有限的硬件必然会导致耦合问题。通过需求和设计方案促使硬件的更新换代，加快硬件的研发和软、硬件的融合是未来软、硬件耦合性问题解决的研究方向。

3.3 开发专用软件，提升运输效率

针对中老铁路特殊联锁关系的技术解决方案，满足了运输组织需求和安全运行的双重要求，保障了线路设计运力和中老铁路的顺利开通，真正做到了提质、降本、增效的有机统一。

首先为节约成本、提高运力，在不改变既有桥梁、隧道的基础上，创新性地将道岔与股道做了融合处理，实现了3DG 和3DG1 道岔区段同时具备正线的接车、发车、车次显示等功能。其次，为保障A 站的运输安全，在已有特殊联锁关系基础上，增加了坡道延时解锁功能。最后为提高运输效率，在1G 办理向上行方向发车时，通过软件开发实现S1 和SII 信号机一次性开放，提升了整条线路的运输效率。

4 结束语

针对适用中老铁路的计算机联锁系统的开发过程进行分析，通过技术升级和定制化系统应用提升了系统设备的稳定性，使计算机联锁设备成为提高中老铁路运输效率、确保中老铁路运营安全的排头兵。采用中国标准的定制化计算机联锁系统为其他海外项目积累了宝贵的经验，中老铁路的安全高效运行正为中老两国人民交往和沿线地区经济发展做出贡献[9-10]。