车站计算机联锁系统高职实验室建设方案研究
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摘要：文章首先分析铁路车站信号控制电子联锁系统的现状及发展趋势，然后结合轨道交通高职院校人才培养模式、社会需求，增强学生的职业技能，着重从功能需求、方案设计、软硬件设计、室内外设备安装、联锁程序功能性模拟测试、室内设备联锁实验、室内外联锁设备系统的单点测试、系统联调联试等方面提出一种基于分布式、嵌入式QNX操作系统的全电子、模块化铁路车站信号控制系统的实验室建设的技术方案并有效的应用于教学、科研实验中。
中图分类号：TP39 文献标识码：A
职业教育是国家中长期发展规划纲要中重点研究的课题，又恰逢铁路、地铁等城市轨道交通大发展时期，且铁路信号系统设计、安装、操作维护人员又是铁路、城轨现场紧缺的人才。所以，为满足职业教育需求，建设一套集科研和教学为一体的铁路信号计算机联锁系统尤为必要。
一、研究的必要性
现有的电子联锁控制系统结构大多采用在联锁核心层以计算机软件运算简单地替代原有6502的联锁逻辑功能，而继电器接口层仍然保留了近30%继电器作为接口电路，所以存在大量配线、大量插接件等，设计、施工、维护的工作量大且设计周期长，对专业技术人员的专业技术素质要求很高。所以一种模块化的全电子铁路车站信号控制系统成为一种发展趋势，且国内外各大公司都在纷纷研制中。然而作为为铁路、地铁及轻轨等城市轨道交通行业培养专业技术人才的轨道交通职业院校，更有必要研制、建设一套集学生实训教学、职业资格认证、企业岗前培训及教师等科技人员科研开发的综合平台，为学生提供了与企业零距离接触的实习、实训、信号工职业资格认证环境，从而能更快地适应企业运营生产的技术需求，更好的为企业服务，同时又为教师等科研人员提供科研开发的平台，具有较高的实用价值和发展前景。
二、国内外研究现状分析
近年来，铁路、地铁及轻轨等轨道交通行业企业对专业人才的能力要求日益提高，而且对毕业生的需求量日益剧增。一些高职院校购买了能全面提高学生专业能力的铁路车站信号控制系统，但都仅停留在继电式6502电气集中联锁或以信号大继电器作为接口电路的计算机联锁车站信号控制系统，研究一种基于分布式操作系统的全电子铁路车站信号控制系统，并应用于教学、科研中，在国内尚属首例，国际上也处于领先地位。
三、技术方案
理论结合现场实际应用，提出基于分布式操作系统的、模块化、全电子铁路车站信号控制系统的功能需求。
（一）功能需求
联锁关系和技术条件满足中华人民共和国铁道部行业标准TB/T·3072-2002《计算机联锁技术条件》，并具有监测（轨道电压、道岔电流等）、历史记录和回放、远程诊断和维护及与CTC等接口结合功能，同时受安装的现场场地及设备数量限制，采取车站信号联锁控制全部功能在计算机上的铁路标准站场Ⅱ中模拟实现，部分功能在室外真正的铁路小站场实现（铁路小站场按照单向接发车，由一组9#单动道岔、5个轨道区段组成，设置一架进站信号机、一架出站信号机、四架调车信号机，单动道岔分别由一台ZD6-D型转辙机驱动，轨道电路由铁路常用的480轨道电路和25周相敏轨道电路组成），既满足现场实际应用又满足教学要求，并有二次开发功能。
（二）方案设计
根据此项目的功能需求结合铁路车站信号联锁控制系统的相关理论知识，并在充分调研、广泛听取铁路信号控制系统的专家的建议的基础上，设计出切实可行的基于分布式、嵌入式操作系统QNX的车站信号控制系统。该铁路信号联锁控制系统网络层次采用3层网络结构：人机对话层、控制层（又称联锁层）及监控对象层3个物理层次，最下层为监控对象层即室外各种信号设备，主要包括安装在轨旁的轨道电路、转辙机、信号机。分布式、嵌入式QNX操作系统安装在联锁控制层，此层也是系统核心层，完成车站信号的所有联锁逻辑运算，并通过双重联锁总线与接口模块进行通信控制来监控对象层；通过双重以太网与人机对话层进行通信。并利用QNX操作系统具有的高效、模块化、简洁、多任务、优先级占先的进程调度以及快速的程序(上下文)切换时间等几个特性，联锁软件就是在这样一个操作系统平台上，实现铁路车站信号联锁控制，QNX系统这些特性是通过如下两个基本的设计原则取得：微内核结构和基于消息的进程间通信，在QNX微内核环境中各个信号机、道岔和进路间通过基于消息的进程实现各受控对象状态及命令的信息传递。同时该车站信号控制系统取消以往信号控制系统的室内计算机联锁核心层到室外信号设备等受控对象之间的传统接口大继电器，用全电子的接口IO组合模块代替，具体有四种IO组合模块，即轨道电路组合模块、信号机组合模块、道岔组合模块和零散组合模块，每个IO模块采用进口小型继电器及可控硅实现强弱电转换控制，通过电压或电流传感器串接在IO模块电路中，能够回采室外受控对象的表示信息，并集成在一块PCB板上，每个模块均具有两套电路，采用二取二的安全原则实现故障安全。
（三）软、硬件设计在保证系统安全、可靠的前提下，系统的硬件、软件方面采用“模块化”的思想设计开发计算机联锁系统，并采用双机热备工作方式。按照方案要求设计硬件及工程焊配线图纸，车站信号控制系统硬件由电源屏、控制台、主机柜、扩展机柜及室内外防雷分线盘组成。根据方案要求使用QNX开发系统的专用软件mcCAD绘制车站站场图，生成该车站信号控制系统联锁数据库，在另一台虚拟机上安装QNX操作系统，并把设计好的联锁应用软件安装在该虚拟机上，把站场数据库加载到该联锁软件上，通过编译后生成几个支持联锁系统运行的可执行文件，如IO接口文件、联锁进程管理文件等。然后把开发系统开发的文件等装载在QNX目标系统，即这些可执行文件安装在人机对话层以及联锁控制层的上位机、电务维修机和联锁机中进行软硬件联调联测，并针对具体案例不断修改。联锁控制软件设计满足功能需求及铁路行标，如道岔有开通定位和开通反位及“四开”三种状态，信号机根据设置的位置、作用不同有不同的显示状态，如调车信号机有蓝灯或灭灯禁止调车状态和白灯允许调车状态，轨道电路有空闲和占用状态以及进路是否有敌对进路等。另外软件应时时监测受控对象，发现故障及时关闭信号并报警，联锁软件不断通过回读、软件双编码实现板级故障自诊断及覆盖率高的自检、随时回应高级中断申请等多任务执行。
（四）室内外设备安装为增强教师的动手能力，从施工单位借安装工具，进行室外信号机、转辙机、轨道电路的安装、布线等。既节省开支又给职业教育的老师提供现场动手操作能力，必要时带领优秀的学生一起安装配线施工。
（五）实验测试模拟测试联锁程序功能、室内设备联锁实验、室内外设备系统的单点联锁测试的先后顺序。最后进行系统联调联试，即在室内联锁系统控制台上排列进路，然后在室外模拟压车进行测试，查看是否按预定方案完成车站信号控制系统功能，如有出入则要继续进行反复修改，最后试运行，逐步将系统完善。
四、本实验教学系统改变传统的高职院的车站信号控制系统中信号大继电器作为接口层的联锁控制结构或室内外接口部分保留继电器的计算机联锁系统，而把全电子、模块化接口结构、并采用一种基于分布式操作系统QNX的联锁控制系统引入高校教学科研系统，具有创新性，并更好地应用于教学、科研中。全电子的联锁控制系统使设计、施工、维护、扩容更加方便灵活，是铁路、城市轨道交通控制系统的车站联锁的发展方向，具有一定的前瞻性和实用性。
主要参考文献
【1】M. A. McHutchon ；W. J. Staszewski ；F. Schmid , Signal Processing for Remote Condition Monitoring of Railway Points [J], Strain 2005,41(2)
【2】铁路信号联锁实验暂行办法[S] 铁运〈2010〉149号 中国铁道出版社 2010。