基于光通信的计算机半自动闭塞系统研究与实现.pdf

2023 年 10 月第 59 卷 第 10 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationOctober 2023Vol.59 No.10基于光通信的计算机半自动闭塞系统研究与实现孙岩华，芦凤来，王立延摘 要：针对既有继电半自动闭塞系统存在的传输电缆老化、可维护性差等问题，提出计算机半自动闭塞系统技术升级方案。该系统采用2乘2取2安全计算机平台架构，实现主、备系间的安全切换；采用安全计算机技术替代既有继电器电路，实现闭塞区间办理功能；采用光纤通信替代以电平信号传输的站间闭塞信息，并通过RSSP-铁路信号安全通信协议保证站间交互数据的安全传输；系统具备维护机功能，可有效缩短故障延时。该系统已通过各项安全性检测，并在实际站场应用，具有良好的稳定性和可维护性。关键词：半自动闭塞；安全计算机平台；光通信；RSSP-协议；二乘二取二中图分类号：U284.42 文献标识码：A Research and Implementation for Computerized Semi-automatic Block System Based on Optical Fiber CommunicationSUN Yanhua,LU Fenglai,WANG LiyanAbstract：Aiming at the problems of aging transmission cable and poor maintainability in the existing relay semi-automatic block system,a technical upgrading scheme of computerized semi-automatic block system is proposed.The system adopts a double 2-vote-2 vital computer platform architecture to realize the active-standby switching.The secure computer technology is used to replace the existing relay circuit to realize the block section handling function.The optical fiber communication is used to replace the inter-station block information transmitted by the level signal,and the RSSP-railway signal safety communication protocol is used to ensure the safe transmission of inter-station exchange data.The system also has the function of maintenance machine,which can effectively shorten the fault delay.The system has passed various safety tests and has been applied in actual stations,with good stability and maintainability.DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-10.23153扫码浏览下载孙岩华：中国铁路北京局集团有限公司 正高级工程师 100860 北京芦凤来：中国铁路北京局集团有限公司 正高级工程师 100860 北京王立延：深圳市长龙铁路电子工程有限公司 高级工程师 518031 北京基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（N2018G063）收稿日期：2023-05-31引用格式：孙岩华,芦凤来,王立延.基于光通信的计算机半自动闭塞系统研究与实现J.铁道通信信号,2023,59(10):23-28.Citation：SUN Yanhua,LU Fenglai,WANG Liyan.Research and Implementation for Computerized Semi-automatic Block System Based on Optical Fiber CommunicationJ.Railway Signalling&Communication,2023,59(10):23-28.23铁道通信信号 2023年第59卷第10期Key words：Semi-automatic block；Vital computing platform；Optical fiber communication；RSSP-protocol；Double 2-vote-2铁路闭塞设备是控制列车区间运行间隔，防止列车追尾碰撞，以保证行车安全的必要基础设施1，可分为人工闭塞、半自动闭塞和自动闭塞等类型。截至2022年底，中国普速铁路营业里程达 11 万 km，其中单线里程超过 5 万 km，从运输效率、经济效益等方面综合考量，这些单线线路大都采用继电半自动闭塞方式。以北京局集团公司为例，采用继电半自动闭塞系统的车站仍有200多个。继电半自动闭塞系统通过继电电路与控制台、联锁设备、轨道电路相连接；以电脉冲的方式，发送、接收各种闭塞操作指令并产生回执，实现半自动闭塞2。其中，64D 型继电半自动闭塞系统从19世纪70年代装备至今，以其简单、实用、价廉的优异特性，为我国铁路运输做出重要贡献。随着继电半自动闭塞系统使用年限的增加，设备老化问题日趋严重，主要表现在：继电器电路结构复杂、故障点多，器件参数离散性大3；站间通信通过电缆或架空明线，以“+”“-”电平信号来传输信息，传输通道电缆劣化严重，易发生断线、混线、接地、外界干扰等问题。为实现半自动闭塞系统的技术升级，基于“故障-安全原则”，且满足轨道交通 通信、信号和处理系统 信号用安全相关电子系统（GB/T 288092012）4规定的 SIL4（安全完整性第 4等级）相关要求，提出基于光通信的计算机半自动闭塞系统（简称“计算机半自动闭塞”）设计方案。在不改变既有闭塞技术条件和行车操作方法的前提下，实现联锁功能、通信接口、人机界面的标准化5。1系统架构1.1硬件组成计算机半自动闭塞系统主要由安全主机（、系）、驱动/采集单元（、系）、通信单元（、系）、维护机、继电器接口电路等设备组成，见图1。安全主机是系统的核心控制设备，负责闭塞逻辑处理功能；驱动/采集单元负责采集闭塞控制台、联锁设备的各种信息，驱动计算机闭塞定型组合继电器，以及发送闭塞指令；通信单元负责站间光纤通信的协议转换和信息传输；维护机由维护主机和键盘、显示器、鼠标组成，与既有的微机监测设备通信，提供设备维护信息。站间传输通道计算机联锁6502继电联锁继电接口电路 系统总线计算机半自动闭塞机柜轨道电路邻站计算机半自动闭塞设备闭塞按钮显示灯显示 电源屏微机监测闭塞控制台 驱动采集系驱动采集系安全主机系安全主机系通信单元系通信单元系冗余供电单元维护主机+KVM图1 计算机半自动闭塞系统架构24Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 20231.2软件组成计算机半自动闭塞系统软件分为核心逻辑层和应用层，核心逻辑层和应用层之间通过系统内部总线交换数据，见图2。其中，核心逻辑层主要由安全计算机软件和基础数据库组成，实现计算机半自动闭塞逻辑和安全切换功能；应用层软件主要由复杂可编程逻辑器件（Complex Programm able Logic Device，CPLD）、通信、维护机等软件模块组成，并与外部设备交换数据，完成命令采集、通信、执行等功能。1）安全计算机软件：通过基础数据库获取站场及线路的基础数据，通过系统总线获取实时信息并发送各种控制命令；与通信软件实现信息交互，完成各种闭塞功能；支持系统检测、应用调度等功能；实现系统2乘2取2安全冗余运算功能。2）CPLD软件：主要包括采集、驱动接口的CPLD软件，涉及控制台、继电器、微机联锁等外部条件的驱采，以及内、外接口转换。3）通信软件：完成系统内、外部通信接口转换，实现站间光纤通信；采用RSSP-铁路信号安全通信协议，保证数据传输的实时性和安全性；对通信过程中可能出现的数据帧重复、丢失、插入、次序混乱、错误、超时等问题进行防范，并采用冗余双通道保障站间信息的安全可靠传输6。4）维护机软件：实时监控设备工作、网络通信等状态信息，若有异常信息可实时报警，并生成设备运行统计日志。2系统功能2.1办理闭塞依据半自动闭塞技术条件（TB/T 1567.32020）7要求，计算机半自动闭塞系统闭塞办理方式与原有继电器半自动闭塞系统保持一致，即根据本站按键事件及站间指令请求事件，结合接口继电器状态，执行闭塞办理及复原功能。1）上电。由于站间没有占用检查设备，计算机半自动闭塞系统仅对接近区段和进站内方轨道电路的状态进行逻辑判断，因此按照“故障-安全”原则，上电时将设备设定为闭塞状态，且必须由人工确认站间是否空闲。此时，发车表示灯为红灯、接车表示灯灭灯、开通条件继电器落下，不能请求闭塞、办理状态复原，不允许向区间开放发车信号，可通过按压事故按钮实现状态复原。人工确认两站间区间空闲后，仅允许开放一个车站的出站信号机，闭塞逻辑与64D继电半自动闭塞系统保持一致8。2）命令执行。发车站发出闭塞请求，并收到接车站同意接车的回执后，接车站由收到请求发车状态转为同意接车状态，发车站由请求发车状态转为收到同意接车状态。完成发车、接车作业后，发车站办理到达状态复原手续。计算机半自动闭塞系统将64D继电器半自动闭塞系统的7个脉冲信号，转换为对应的状态数据；同时，系统又增加了2个状态信息，包括收到同意接车和收到列车出发。3）系统复原。取消复原：在列车出发前，若发车站具备相关条件，可通过按压复原按钮，使发车站和接车站的闭塞状态恢复为区间空闲；事故复原：在系统复位、轨道故障或其他异常情况下，可通过按压事故按钮，使发车站和接车站的闭塞状态恢复为区间空闲。2.2站间光纤通信站间光纤通信由通信板、冗余光纤+2 Mbit/s光纤通道等设备组成，采用冗余双通道连接；信息传递仅限于两站之间，以保证通信线路的封闭性9。站间光纤通信传输示意见图3。核心逻辑层应用层外部设备基础数据库系统总线以太网闭塞控制台继电器组合继电联锁光纤接口微机联锁微机监测维护机软件通信软件安全计算机采集接口CPLD软件驱动接口CPLD软件图2 计算机半自动闭塞系统软件结构25铁道通信信号 2023年第59卷第10期图3中，当甲站需要将信息传输给乙站时，甲站设备将信息打包后通过双通道发送给乙站设备，乙站仅需一个通道接收到信息即可认为通信完成；站间信息传输时延小于 3 s，通道切换时延小于500 ms。采用光纤通道取代既有信号电缆或架空明线，并利用可靠的计算机通信协议，替代64D型半自动闭塞以“+、-、+”不同极性的直流脉冲构成的闭塞信号，完成站间通信10，可有效解决电磁干扰、线路老化等问题。2.3继电器接口计算机半自动闭塞系统继电器接口功能主要包括：3个按钮、接发车锁闭、轨道继电器等条件的采集，以及接发车表示灯、电铃、区间开通等条件的输出驱动，见图4。用计算机逻辑替代原有的继电器驱采电路，满足半自动闭塞办理条件，保留与联锁设备的继电接口，使控制台的操作及站场显示保持不变。2.4系统维护维护机采用工控机，能够实时监控闭塞办理状态、设备工作状态、网络通信状态，并对异常信息实时报警。可通过日志管理设备查询历史数据、与闭塞办理相关的统计信息、设备状态信息及各类报警信息，记录数据不少于30天。3关键技术3.1安全性设计采用二乘二取二安全冗余结构，实现主、备系统冗余切换功能，提高系统的可维护性。当主系故障时，系统会自动切换到备系继续工作，故障系维修不影响系统功能；待故障解除后，恢复系统热备冗余状态。主、备系内采用双CPU共同工作，通过双CPU完成“二取二”的运算比较，只有双机结果相同才输出运算结果11。3.2站间通信通道设计站间通信采用“冗余光纤+2Mbit/s 光纤通道”模式的双通道冗余设计，见图5。站间传输光通道、，分别连接至本站通信单元、，构成冗余通信通道，两通道数据完全一致，可提高通信的可靠性。本站安全主机主控模块，将闭塞命令转换成通信数据，并通过通信单元、实现数据转发功能；根据RSSP-协议实现站间通信，完成通道数据检查、双通道通信管理及冗余切换等功能。光纤甲站通信机房通信板1乙站设备通信板2通信板1甲站设备通信板2协议转换乙站通信机房协议转换光纤光纤2 Mbit/s图3 站间光纤通信传输示意驱动采集采集DLJBSDLJ发车表示灯继电器接车表示灯继电器FSBJJSBJJGJFGJF主控模块（实现64D逻辑）BSAJFUAJSGAJKTTJ二乘二取二安全计算机图4 继电器接口功能示意26Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 20233.3动态采集电路设计在常规设计中，继电器接点状态一般通过单光耦电路进行静态采集，若采集电路出现故障，可能会导致采集数据与接点实际状态不一致，使系统导向设备危险侧，不能满足安全等级SIL4要求。计算机半自动闭塞系统基于动态采集的方式，通过双光耦采集电路准确获取继电器的接点状态；当设备发生故障时，确保采集的信息导向安全侧。动态采集电路见图6。在该电路中，分别使用U1、U2两个光电耦合器来采集继电器接点状态，通过使能/禁能 U2来动态判断U1的输出状态，继电器接点采集功能真值见表1。在U2的一个使能/禁能周期内，如果检测到U1状态有变化，则判断接点闭合；如果状态无变化且U1输出为“0”，则认为接点断开12；如果状态无变化且U1输出为“1”，则认为采集电路故障。4现场试验计算机半自动闭塞系统在获得独立第三方安全完整性等级4级（SIL4）认证基础上，在北京局管内选择三站二区间进行现场试验。实测内容包括闭塞逻辑、安全防护、故障切换、通信通道性能、监测接口等5个方面，共计完成测试序列33个，测试用例 133 项，所有测试项全部通过。系统日志表继电器接点继电器接点INPUT0INPUT1From CPUTo CPUU1U2INPUT(n-1)INPUT VCCVCC24 V24 V-n图6 动态采集电路应用逻辑任务应用逻辑任务应用逻辑任务应用逻辑任务通信转发通道通信转发通道 系CPU-A系CPU-B系CPU-A系CPU-BRSSP-协议RSSP-协议RSSP-协议RSSP-协议相同的主控模块相同的主控模块站间传输光通道站间传输光通道通信单元通信单元图5 站间通信通道表1继电器接点采集功能真值电路状态接点闭合接点断开采集电路故障U2输入010101U1输出10001127铁道通信信号 2023年第59卷第10期明，维护机能够记录并回放运行数据，发生故障时能够自诊断并定位故障位置，有效缩短了故障排查的延时。5结论1）计算机半自动闭塞系统采用安全计算机替代 64D半自动闭塞复杂的继电器及阻容元器件电路，实现半自动闭塞办理的各项逻辑，具备安全输入/输出特性，元器件集成度高，降低了元器件离散性故障率；采用二乘二取二冗余架构，进一步提高了系统的可靠性和可维护性。2）采用光纤通信通道取代传统的电缆或架空明线完成站间信息传输；在站间通信协议中集成数据编码、加密、数字签名等技术，提高了系统信号传输的抗干扰和自纠错能力。该系统于 2022 年 11 月正式投入试用。截至2023年5月，共办理闭塞266列，系统设备工作状态稳定，光纤通道通信正常，实际运用效果良好。参考文献1 开祥宝,张淼,王琳.铁路区间闭塞技术的发展与研究J.铁道通信信号,2019,55(S1):60-67.KAI Xiangbao,ZHANG Miao,WANG Lin.Development and Study of Raiway Section Block TechnologyJ.Railway Signalling&Communication,2019,55(S1):60-67.2 林瑜筠.区间信号自动控制M.北京:中国铁道出版社,2014.3 王自力.分析电子元器件质量及其可靠性管理J.通讯世界,2016(21):216-217.4 中华人民共和国铁道部.GB/T 288092012 轨道交通 通信、信号和处理系统 信号用安全相关电子系统S.2012.5 李文涛.计算机联锁标准化研究与实践J.铁道通信信号,2021,57(2):33-37.LI Wentao.Research and Practice on Standardization of Computer Interlocking SystemJ.Railway Signalling&Communication,2021,57(2):33-37.6 张健.RSSP-安全协议在电子接口模块中的应用研究J.铁道通信信号,2019,55(1):44-47.ZHANG Jian.Study of Applying RSSP-Safety Protocol in Electronic Interface ModuleJ.Railway Signalling&Communication,2019,55(1):44-47.7 中国国家铁路集团有限公司.TB/T 1567.32020 铁路闭塞第三部分:半自动闭塞技术条件S.北京:中国铁道出版社有限公司,2020.8 杨亮.企业铁路区间64D单线继电半自动闭塞故障分析与解决J.科技广场,2017(8):63-68.YANG Liang.Enterprise Railway Interval 64D Single Wire Relay semi-automatic Blocking Failure Analysis and ResolutionJ.Science Mosaic,2017(8):63-68.9 赵杰文,原娇杰.光纤通信的保密及抗干扰问题浅析J.科技信息(学术研究),2008(21):384-385.10王晓武.64D半自动闭塞系统简析及发展趋势探讨J.铁路通信信号工程技术,2018,15(9):87-91.WANG Xiaowu.Discussion on 64D Semi-automatic Block System and Development TrendJ.Railway Signalling&Communication Engineering,2018,15(9):87-91.11张本宏,陆阳,韩江洪,等.“二乘二取二”冗余系统的可靠性和安全性分析J.系统仿真学报,2009,21(1):256-261.ZHANG Benhong,LU Yang,HAN Jianghong,et al.Reliability and Security Analysis of Double 2-Vote-2 Redundancy SystemJ.Journal of System Simulation,2009,21(1):256-261.12李振锋,王渊.计算机联锁驱采回路线缆安全性测试J.铁道通信信号,2022,58(11):38-41.LI Zhenfeng,WANG Yuan.Safety Test of Computer Interlocking Drive Production Circuit CableJ.Railway Signalling&Communication,2022,58(11):38-41.（责任编辑：吴莉珺，温志红）28