轨道交通信号联锁列控一体化系统软硬件设计

摘 "要：该文主要探究联锁列控一体化系统的软硬件设计内容。该系统的软件部分使用VC++6.0开发，包含4个功能模块，分别是进路选排、进路锁闭、信号开放与进路解锁，可以实现车站与区间范围内信号设备的一体控制，并处理进路命令和控制地面设备；该系统的硬件部分包括STM32主控芯片和PCI版驱动采集板，以及CAN通信接口等，在保证通信速率与通信质量的基础上，实现上位机与下位机的信息共享与可靠交互。该系统以轨道交通信号为基础数据，在数据采集、分析的基础上为监控列车运行和保障行驶安全提供帮助。

关键词：轨道交通信号；联锁列控一体化；进路锁闭；PCI驱采板；通信接口

中图分类号：U284 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2024）20-0134-04

Abstract： This paper mainly discusses the hardware and software design content of interlocked train control integrated system. The software part of the system is developed by VC++6.0， including four functional modules， which are route selection， route locking， signal opening and route unlocking， which can realize the integrated control of signal equipment in the station and the range， and process route commands and control ground equipment. The hardware part of the system includes STM32 main control chip， PCI driver acquisition board， and CAN communication interface. On the basis of ensuring communication speed and communication quality， the information sharing and reliable interaction between the upper computer and the lower computer are realized. Based on the data collection and analysis of rail transit signals， the system provides help for monitoring train operation and ensuring driving safety.

Keywords： rail transit signal; interlocking train control integration; route locking; PCI driving board; communication interface

现阶段多数铁路干线的车站与区间采用2套控制系统，即车站联锁系统和区间列控系统。这种控制模式不仅存在信号传输延时，而且容易出现接口故障或不兼容等问题，导致2套系统之间的信息共享能力不强，对车站区间管理造成了负面影响。轨道交通信号联锁列控一体化系统则是取消联锁和列控系统之间的接口，在每个车站均设置一套一体化系统，提高了本站左右区间及本站与临站之间的信息共享能力，在提升车站区间管理效率以及保证列车运行安全等方面发挥了重要作用。

1 "轨道交通信号联锁列控一体化系统的整体架构

联锁列控一体化系统的工作流程为：公布行车计划后，调度集中系统（CTC）发出2条指令，一条是发送至无线闭塞中心（RBC）的临时限速信息，另一条是发送至联锁中心的进路命令。联锁中心接收该命令后，利用传感器获取车站轨道的占用信息、道岔的位置信息，然后根据调度集中系统下达的进路命令，控制信号机、道岔排列进路。列控中心将当前的区间轨道电路占用信息同步传输给联锁中心。联锁列控一体化系统汇总上述信息，向无线闭塞中心申请信号授权。无线闭塞中心根据申请可以了解列车状态、位置参数、轨道占用等信息，并基于上述信息生成控制命令，通过无线通信系统将该控制命令发送给车载设备，从而控制列车安全进站、出站。整个流程如图1所示。

2 "联锁列控一体化系统的软件设计

2.1 "进路选排与道岔控制模块

进路选排的作用是判断联锁条件是否满足，在满足的前提下选出预办理进路，并生成进路控制指令。执行该指令后，可以从进路中选择各个道岔的位置，实现道岔控制。进路选排流程如图2所示。

由于存在多条进路，因此在进路选排操作中最为关键的是选出一条符合要求的进路。为了实现这一目的，本文在软件设计添加了进路搜索程序。在进入进路选排环节后，搜索程序首先利用联锁关系检查操作指令是否合规以及是否满足进路条件。如果2个判断程序的判断结果均为“是”，利用“直股优先策略”进行搜索，直到搜索到目标节点。重复搜索过程，直到将所有与该进路相关的节点全部检索出来，并将这些节点存入堆栈中，然后添加一个占用标志，确保不会被其他进路占用。然后在搜索任务结束后，在轨道交通信号平面布置图上绘制出对应的进路，并开放信号机[1]。

2.2 "进路锁闭模块

在预选出符合条件的进路后，将进路闭锁。闭锁流程如下：首先执行一个判断程序“敌对信号机是否开放？”如果判断结果为“是”，则进路存在冲突，无法建立进路，直接结束程序；如果判断结果为“否”，说明进路不冲突，满足进路锁闭的前置条件，但是还需要进一步判断。再执行一个判断程序“道岔是否规定位置？”如果判断结果为是，继续下一步；如果判断结果为“否”，需要重新置位使道岔回到规定位置。然后检查锁闭继电器是否正常锁闭，如果能够正常锁闭，即可完成进路锁闭操作，程序结束；如果不能正常锁闭，则道岔无法转动，锁闭失败，程序结束。进路锁闭流程如图3所示。

2.3 "信号开放模块

在进路正常锁闭后，该进路对应的信号机正常开放，此时列车能够正常驶入该进路。基于安全方面考虑，本文在设计信号开放模块时嵌入了5个验证条件，在信号机发出开放命令之前需要进行验证。只有全部满足才能正常发出开放信号。验证条件如下：

1）该进路当前为“空闲”状态；

2）该进路中没有被占用的区段；

3）敌对进路未建立或敌对进路建立但是敌对信号未开放；

4）道岔位置正确并且被锁定；

5）灯丝状态正常；

当上述条件全部满足后，信号机发出开放信号。

2.4 "进路解锁模块

该模块可以将锁闭的进路解锁，在铁路运行中需要解锁的情况有若干种，除了进路正常通过解锁外，还包括故障解锁、人工延时解锁、调车中途折返解锁等，本文只研究正常解锁情况。根据解锁触发条件的不同，可以将正常解锁分为2种方式，一种是“一次解锁”，只有当列车完全通过进路后才会触发解锁；另一种是“分段解锁”，是根据列车的按压顺序逐段解锁进路[2]。正常解锁流程如图4所示。

3 "联锁列控一体化系统的硬件设计

3.1 "主控板设计

本系统采用STM32F103ZET6芯片作为主控板，该芯片最高工作频率72 MHz，额定电压3.3 V，内置高速存储器和CRC计算单元，包含64 kB的随机存取存储器（RAM）和512 kB的FLASH，以及8个定时器、12个串口、1个控制器局域网（CAN）总线接口和84个通用I/O口。主控板电路中包括电源模块、CAN模块、RS232和锁存电路，主控板与驱采板之间采用CAN总线通信，主控板与PC机（下位机）之间采用RS232串口通信。由于CAN总线电平无法直接接入STM32芯片，本文在系统硬件设计中加入了一个电平转换单元TJA1050，其作用是在CAN协议控制器与物理总线之间充当接口，从而满足CAN总线多样化的发送和接收需要。另外，TJA1050外接一个电流限制电路，可以保护发送器的输出级，保证了在发生短路故障后不会烧毁TJA1050，从而保证了CAN总线正常通信[3]。

3.2 "驱采板及其电路的设计

在联锁列控一体化系统中，主控板与驱采板采用“一对多”的方式进行通信，由于该系统中包含了若干块驱采板，并且每块驱采板上收集、传输的信号数据较多，很容易因为带宽不够而出现信道拥堵的情况，导致信号传递出现明显的延迟，不利于信号的实时采集。此外，主控板与驱采板之间，以及驱采板与驱采板之间均需要进行通信，任何一个环节出现通信故障，都有可能对一体化系统的运行产生干扰。基于上述问题，本文在联锁列控一体化系统的硬件设计中，使用了PCI总线设计驱采板，负责室外监控目标的驱动与采集任务。PCI版驱采板结构简单，只包括输入电路和输出电路，前者用于采集信号（如道岔状态、区段状态等），从而实现对监控目标状态的实时跟踪，为联锁运算提供基础数据；后者则是根据上层控制单元发送的控制指令，驱动前端执行设备完成指定动作（如道岔动作、信号动作等）。

站场内的所有PCI版驱采板通过CH365接口芯片与上位机应用软件实现通信，流程如下：PCI版驱采板采集信号后，利用地址选择电路和地址比较电路确定需要上传的信号，然后由CH365进行读写。成功读写后，驱动信号设备将数据发送到锁存电路，完成数字信号的锁存，保证信号在传输过程中不会出现顺序错乱、丢失等问题。考虑到锁存后的数值信号在传输过程中仍然可能受到外部干扰，因此，本文设计了光耦隔离电路进行隔离，设计了放大电路进行信号放大，最后将信号输入到计算机中[4]。CH365接口芯片不仅速度快、实时性好，而且支持存储器与I/O端口映射。CH365接口芯片与PCI总线之间的信号线有PCI_AD[31_0]、PCI_RST等，CH365与本地8位总线之间的信号线有IOP_RD、INT_REO等，信号线具体说明见表1。

3.3 "通信接口设计

考虑到联锁列控一体化系统中各个模块之间的通信要求存在差异，因此，本文在设计中选择了不同的通信方式，例如主控板采用CAN总线通信，驱采板采用CPI总线通信等，见表2。

CAN总线中传输的所有信息都是以固定格式发送，只要CAN总线当前处于空闲状态，任意单元都可以发送消息，这种特性决定了CAN总线的通信速度更快，不容易出现信道拥堵情况，适用于信号传输流量较大的主控板[5]。另外，CAN总线还具有检测与错误恢复等功能，也在一定程度上保障了系统的通信安全。

本系统使用PCI总线连接上位机与下位机，相比于传统的ISA总线、VESA总线，PCI纵向的带宽更大（133 MBps）、数据线更多（32条），因此，信号传输速率更高。将PCI总线作为CH365芯片的通信载体，很好地满足了即时通信需求。

4 "结束语

联锁与列控是铁路信号系统的2个关键子系统，两者只有做到相互配合、信息共享才能使列车运行安全。联锁列控一体化系统处理前端采集和发送的临时限速报文、轨道电路编码等信息，然后生成相应的控制指令发送给下位机。通过PCI版驱动采集板执行指令，实现了对道岔、信号机等前端设备的控制，解决了通信延迟、稳定性差等问题，可以实现列车精准定位、灵活控制和安全运行，具有推广应用价值。

参考文献：

[1] 蔡昌俊，陈搏，陈壁东.面向多网融合的列控系统双套车载控制模式切换方案探讨[J].铁道通信信号，2022（3）：58-60.

[2] 刘小龙，朱今朝，龙飞.城市轨道交通信号与车辆融合控制技术研究[J].铁路通信信号工程技术，2023（9）：71-76.

[3] 郜洪民，李克.双碳战略驱动下城市轨道交通信号技术创新实践[J].现代城市轨道交通，2022（8）：7-9.

[4] 李畅.基于Apriori算法的城市轨道交通运行设备动态监测方法[J].交通世界，2023（24）：11-13.

[5] 黄春生，张愿宁.CTCS2-200K型列控车载设备掉码原因分析[J].铁道通信信号，2023（10）：91-95.