馬燕妮

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710018）

0 引言

在我國城市化建設(shè)持續(xù)推進(jìn)背景下，城市人口數(shù)量不斷增長，交通壓力隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致城市交通運(yùn)輸水平與城市居民出行需求之間產(chǎn)生矛盾，這一問題將對城市發(fā)展起到嚴(yán)重的負(fù)面影響。當(dāng)前，針對此問題的有效解決方案是：建立健全安全高效的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合實(shí)際情況判斷出，群眾對于城軌交通的安全性更加重視，而城軌列車運(yùn)行控制系統(tǒng)則是確保車輛平穩(wěn)、高效行駛的關(guān)鍵性技術(shù)裝備。在當(dāng)前通信技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐下，城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)信號邏輯正面臨自動化升級的需要，其中還包括負(fù)責(zé)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CBTC。CBTC在原有鐵路信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對定位進(jìn)行更加精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，且不再需要軌道電路，有助于城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動閉塞方式的追蹤運(yùn)行，切實(shí)提高系統(tǒng)自動化水平。

1 城軌交通運(yùn)輸方式特點(diǎn)

城軌交通與傳統(tǒng)鐵路存在較大差異。城軌交通受到地下運(yùn)行條件的影響，使其具備較多特殊化建設(shè)要求。

首先，城軌交通具備較高安全性。受到城軌建設(shè)空間的限制，車輛密度相對較大，致使城軌故障排查任務(wù)難度加大，一旦出現(xiàn)運(yùn)行事故，則會對乘客安全產(chǎn)生威嚴(yán)重威脅。因此，為提高列車行駛安全性，有必要對信號系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步升級設(shè)計(jì)。

其次，城軌交通具備較高精準(zhǔn)度。城市車流量大，一般情況下列車會選擇正線?？?，且先行列車的實(shí)際通過時間與?？繒r間均會對后續(xù)列車產(chǎn)生不同程度的影響。為保證后續(xù)列車正常運(yùn)行，需要對城軌信號系統(tǒng)進(jìn)行更加精準(zhǔn)的控制與設(shè)計(jì)。

再次，城軌列車具備較高干擾信號抵抗能力。當(dāng)前城軌交通主要工作方式為電力牽引，因此，城軌交通信號系統(tǒng)應(yīng)對抗電氣干擾性能展開針對性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

最后，城軌交通具備較高自動化水平。當(dāng)前城軌交通行車流量大、時間段集中，且大多數(shù)設(shè)備處于地下，人工控制方式會加大運(yùn)行成本，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理、高效的運(yùn)行控制，有必要對信號控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化升級與全面性規(guī)劃[1]。

2 城軌聯(lián)鎖CBTC系統(tǒng)分析

■2.1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于城軌交通信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，要求傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)必須具備一下系統(tǒng)：列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、車載控制器、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及區(qū)域控制器。CBTC系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第一，列車自動監(jiān)控系統(tǒng)主要功能在于追蹤并控制車輛的運(yùn)行狀態(tài)，集合收集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將列車位置信息、現(xiàn)場狀況以及設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行有效控制，保證列車能夠按照原本計(jì)劃與調(diào)令進(jìn)行信息傳輸。列車自動監(jiān)控系統(tǒng)基于運(yùn)行計(jì)劃與調(diào)令，有序管理列車自動進(jìn)路任務(wù)，實(shí)時監(jiān)測列車執(zhí)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的人工調(diào)整與管控。

第二，車載控制器利用定位應(yīng)答器與測速傳感器來獲取列車的實(shí)時位置，并將列車位置信息傳輸至自動監(jiān)控系統(tǒng)中，同時，區(qū)域控制器在接收位置信息后，將結(jié)合相應(yīng)移動授權(quán)向運(yùn)行列車提供自動化運(yùn)行與防護(hù)功能。

第三，聯(lián)鎖子系統(tǒng)應(yīng)用范圍主要集中在：建立你進(jìn)路、轉(zhuǎn)換道岔以及信號開放，基于聯(lián)鎖子系統(tǒng)傳輸?shù)倪M(jìn)路控制命令與狀態(tài)信息展開計(jì)算，以此完成信號、道岔以及進(jìn)路的相互聯(lián)鎖，保證列車安全運(yùn)行。

第四，數(shù)據(jù)存儲單元能夠降系統(tǒng)信息進(jìn)行整合調(diào)度，在調(diào)度過程中，車載與地面應(yīng)使用相同數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)存儲單元可以將全線信息進(jìn)行保留，涵蓋所有動態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)，向區(qū)域控制器奠定線路數(shù)據(jù)下載的基礎(chǔ)，并按照規(guī)定周期對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

第五，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要作用在于完成CBTC下屬各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳遞，使各個系統(tǒng)能夠相互配合。通過對列車的監(jiān)督控制與雙向通信，再結(jié)合車速傳感器與地面應(yīng)答系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，測算出列車的實(shí)時位置，利用區(qū)域控制器，完成移動授權(quán)的計(jì)算。基于此，車載設(shè)備就更在實(shí)時數(shù)據(jù)信息的支撐下，安全平穩(wěn)地控制列車行駛。

第六，通過區(qū)域控制器將列車運(yùn)行位置與運(yùn)行情況進(jìn)行收集，并結(jié)合周圍障礙物位置，計(jì)算出管轄區(qū)域內(nèi)的列車移動授權(quán)，并把移動授權(quán)實(shí)時傳輸至列車車載設(shè)備中，向列車運(yùn)行提供安全環(huán)境的保障[2]。

■2.2 CBTC系統(tǒng)功能

城軌交通聯(lián)鎖系統(tǒng)中的CBTC系統(tǒng)通過對車載與地面的信息傳輸，完成數(shù)據(jù)的雙向、高效、連續(xù)交換，這一運(yùn)行方式使城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)更加完善與高效。CBTC系統(tǒng)建立在車—地通信的基礎(chǔ)上，不僅有效提高列車位置識別精準(zhǔn)度，還具備以下優(yōu)勢特征：

首先，CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用使城軌系統(tǒng)脫離傳統(tǒng)軌道電路，能夠?qū)崿F(xiàn)高精準(zhǔn)度的位置判定；其次，此系統(tǒng)具有持續(xù)、大容量的雙向通信功能；最后，此系統(tǒng)的應(yīng)用能夠向車載設(shè)備提供自動化保護(hù)功能、自動化運(yùn)行功能以及自動化監(jiān)控功能。

基于上述優(yōu)勢性功能，CBTB突破了軌道區(qū)段中移動閉塞、間隔追蹤等問題的限制，運(yùn)行方式的改變有效提升了列車的通過能力，且保證速度控制曲線能夠維持在相對平穩(wěn)的狀態(tài)中。同時，CBTB能夠向城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)提供支持后備模型，開啟后備模式后，利用軌道電路與計(jì)軸將列車位置進(jìn)行測算與檢測，并在城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對軌旁信號設(shè)備展開有效控制。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要滿足具備CBTC車載裝置的列車與尚未安裝CBTC車載裝置的列車能夠同時在CBTC中混合運(yùn)營的條件。

3 城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)信號邏輯自動化設(shè)計(jì)

■3.1 聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高列車行駛安全性，需要在技術(shù)手段的支持下，根據(jù)相應(yīng)信號、道岔以及進(jìn)路，建立滿足動作條件且能夠相互聯(lián)系與制約的關(guān)系，事物之間的關(guān)系即為聯(lián)鎖。關(guān)于信號、道岔以及進(jìn)路的主要聯(lián)鎖作用主要包括以下幾點(diǎn)：第一，位于進(jìn)路中的全部道岔，其閉鎖方向都應(yīng)朝向正確的開通路徑；第二，聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建應(yīng)實(shí)現(xiàn)對敵對進(jìn)路的有效阻隔；第三，連鎖信號的設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)與相應(yīng)的進(jìn)路保持一致。

城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)中信號邏輯的自動化處理具有重要意義，應(yīng)嚴(yán)格遵循“故障-安全”的應(yīng)用原則。同時，聯(lián)鎖子系統(tǒng)需要對道岔轉(zhuǎn)換、敵對進(jìn)路防護(hù)、信號管理等一系列邏輯功能進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號邏輯不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的功能應(yīng)用，還能在定位功能與通信功能的支持下，對相應(yīng)信號邏輯進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能與自動化水平。城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

聯(lián)鎖系統(tǒng)與外部信號邏輯之間的關(guān)系描述如下：

聯(lián)鎖系統(tǒng)與ATS：在聯(lián)鎖子系統(tǒng)中，利用ATS系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控全部列車的工作狀態(tài)，ATS系統(tǒng)將對列車運(yùn)行全過程進(jìn)行監(jiān)視，并向在CBTC區(qū)域內(nèi)運(yùn)行、且具備CBTC裝置的列車，提供自動化選物功能，生成運(yùn)行權(quán)限。

聯(lián)鎖系統(tǒng)與ZC：創(chuàng)建ZC需要結(jié)合相應(yīng)的聯(lián)鎖功能，同時，聯(lián)鎖系統(tǒng)與ZC工作需要保持相對獨(dú)立性。在CBTC模式下運(yùn)行的列車，ZC信號系統(tǒng)將對有關(guān)聯(lián)鎖條件進(jìn)行屏蔽，保證對列車運(yùn)行的進(jìn)路控制。在城軌交通系統(tǒng)中，一個ZC系統(tǒng)會涵蓋數(shù)個聯(lián)鎖區(qū)，全線將由一個或多個ZC信號系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此，城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)需要與相應(yīng)的ZC進(jìn)行信息交互。

聯(lián)鎖系統(tǒng)與相鄰聯(lián)鎖:城軌交通通常會采用區(qū)域計(jì)算方式，此方式需要將全線進(jìn)行多個聯(lián)鎖區(qū)的劃分，并通過設(shè)備集中站，對本聯(lián)鎖區(qū)域中的信號、道岔、軌道等相關(guān)地面設(shè)施展開統(tǒng)一化控制。因此，可能會出現(xiàn)一條進(jìn)路被分到不同連鎖區(qū)域的情況。任何一個聯(lián)鎖區(qū)都將獨(dú)立完成邏輯運(yùn)算，這一要求就需要相鄰連鎖區(qū)域展開信息數(shù)據(jù)交換[3]。

■3.2 聯(lián)鎖邏輯的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 梯形邏輯與布爾代數(shù)

梯形邏輯作為圖像化編程語言，主要應(yīng)用與時序系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中。模仿電路控制系統(tǒng)，能夠?qū)⑿盘栠壿嬒胂鬄榕c電流相似的梯形圖，通過相應(yīng)接點(diǎn)，最終到達(dá)梯形圖中的右端。梯形邏輯中的任意梯級都代表當(dāng)前狀態(tài)求下一狀態(tài)的流程。能夠得出梯形邏輯與代數(shù)邏輯的相關(guān)性。因此，梯形邏輯能夠輕松轉(zhuǎn)換為布爾代數(shù)。布爾代數(shù)能夠通過二值函數(shù)展開邏輯運(yùn)算。

同時，布爾變量和布爾表達(dá)式都只能采用True或False。布爾表達(dá)式是根據(jù)某些語法規(guī)則由布爾變量和邏輯運(yùn)算符組成的公式。布爾表達(dá)式主要作用是指示用于邏輯值計(jì)算的明確化規(guī)則。布爾代數(shù)也稱為邏輯代數(shù)，用于邏輯電路中，這一代數(shù)能夠分析并設(shè)計(jì)出具有組合邏輯功能的電路。城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號邏輯設(shè)計(jì)的主要來源就是邏輯電路。與自然語言相比，布爾代數(shù)的描述準(zhǔn)確度更高，且語法模式更加簡單，貼近安全系統(tǒng)的描述條件。因此，布爾代數(shù)是描述聯(lián)鎖系統(tǒng)信號邏輯的理想模式。

3.2.2 聯(lián)鎖軟件

聯(lián)鎖軟件把城軌聯(lián)鎖系統(tǒng)信號邏輯轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序。因此，從處理路徑到解鎖路徑，相應(yīng)的邏輯處理流程即為聯(lián)鎖程序的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。聯(lián)鎖軟件的主要作用是接收外部傳輸進(jìn)來的控制命令，收集運(yùn)行狀態(tài)及周圍信息，根據(jù)設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖規(guī)則對二進(jìn)制邏輯變量展開邏輯計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘栐O(shè)備。 聯(lián)鎖軟件的工作模式是：一次性處理全部進(jìn)路，對于所有進(jìn)路，均需要結(jié)合功能模塊，按階段進(jìn)行處理。當(dāng)進(jìn)入某個階段時，如果達(dá)到相應(yīng)要求，則將繼續(xù)處理后續(xù)階段；如果沒有達(dá)到相應(yīng)要求，則將立即轉(zhuǎn)向下一進(jìn)路。

4 結(jié)語

綜上，在城軌交通迅速發(fā)展的背景下，聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)均應(yīng)在保證列車運(yùn)行安全、平穩(wěn)的前提下，更加注重自動化的信號邏輯優(yōu)化，以此保證列車運(yùn)營效率與控制性能。文章通過分析聯(lián)鎖系統(tǒng)信號邏輯的關(guān)系與實(shí)現(xiàn)，在CBTC后備模式的支撐下，提出實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)信號邏輯開放部分的設(shè)計(jì)，以此使得連鎖軟件的自動生成。