计算机联锁控制系统的研究与发展趋势
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【摘要】随着科技进步，电气联锁系统正被计算机联锁系统取代。文章介绍和分析了国内计算机联锁运用的现状和存在的问题，从容错技术方面讨论了容错的一般方法和在计算机联锁系统中的应用。描述了国产计算机联锁的发展概况，探讨了计算机联锁系统的发展趋势。
【关键词】计算机联锁系统;故障-安全;容错;嵌入式系统
1.引言
目前的计算机联锁系统主要是双机热备系统，这种系统在长期应用和发展中已经暴露出许多软件和硬件设计上的缺陷。随着火车的提速、客运专线、大型客运站、重点车站、重载线路的建设和改造，对于计算机联锁系统的可靠性、安全性提出了更高要求，以便适应铁路跨越式发展形式的需要。
2.中国计算机联锁系统现状
随着计算机软硬件技术的高速发展，按照引进、消化、提高的技术方针，中国的联锁机从最初的通用单板机发展到目前的联锁专用计算机，安全性、可靠性有了大幅度的提高，功能得到加强。计算机联锁也由少量运用发展成为铁路车站信号联锁的主力设备，铁路干线车站联锁基本上全部实现了计算机联锁控制。目前的主流机型是硬件专门为铁路车站联锁功能设计的专用安全型联锁计算机。
3.国内计算机联锁系统
3.1 双机热备联锁
双机热备联锁机在设计中采用多种方法来提高安全性和可靠性。软件采用两个不同设计方法的联锁软件保证可靠性和安全性。硬件采用动态电路提高安全性，采用热备冗余机制提高可靠性。硬件的安全性是靠设备的可靠性和反馈监测，靠输出结果的事后反馈保护来保证。
软硬件产生错误的反馈、硬件错误的判断及防护电路启动、错误输出结果的纠正都需要一定的时间。虽然错误结果输出时间很短，只是瞬间，概率也较低，但是安全性相对较低。所以，双机热备型联锁机不能运用于繁忙的干线铁路和运行速度较高的铁路区段，只能运用于支线和厂矿企业车流密度较小、运行速度较低的铁路区段。
3.2 三取二容错联锁
容错型计算机联锁系统选用Linux作为系统的运行环境，使用C语言、GTK+/GNOME函数库、RTLinux函数库以及GCC编译器进行系统软件的开发。硬件平台是4台工业控制计算机，通信方式采用以太局域网。
三取二容错型联锁机是采用软硬件双重表决机制，输出结果要求任意两个软硬件的输出一致性达到较高的安全性，用任意一个软硬件作为冗余系统提高可靠性。根据计算，三取二容错型联锁机的安全性和可靠性是目前所有联锁机中最高的。三取二容错型联锁机的关键技术是硬件表决和软件同步。软件同步相对容易解决，硬件表决依赖硬件比较器的可靠性和安全性。硬件比较器是特殊的定制器件，具有很高的技术含量，目前用于进口联锁机。目前国内主要是采用半定制器件制作硬件比较器。
三取二容错型联锁机接口采用工业总线，方便与各种驱动/采集电路和外设结合。采用光纤传输时，可以提高传输速率和抗干扰性，方便组成区域性计算机联锁系统。三取二容错型联锁机是区域性计算机联锁系统的最佳系统结构。
3.3 二乘二取二联锁
二乘二取二结构计算机联锁系统由操作表示机、联锁计算机、驱动采集机及驱动/采集接口、控制台相关设备、组合架、电务维修机以及微机监测系统等子系统构成。其中，联锁计算机和驱动采集系统采用了二乘二取二容错技术。所谓二取二即在一套系统上集成双套CPU系统。双套系统严格同步，实时比较。以联锁机为例，采用两套共四个CPU构成二乘二取二容错系统。只有双机运行一致时才对外输出运算结果。
二乘二取二型联锁机分为两个系统，一系和二系，一个系统工作，另一个系统处于热备冗余状态，两个系统互为主备。一个系统有两套软件和硬件，比较一致后驱动外部设备工作，采集的状态分送两个系统。二乘二取二型联锁机是一种安全型的联锁系统，关键技术是系统同步和系统切换。二乘二取二型联锁机是目前国内既有干线铁路提速区段运用最多的联锁机。二乘二取二型联锁机满足中国铁路的高密度列车运行情况下频繁的既有线技术改造。可以在联锁设备一个系使用状态下，在另一个系上进行软件调试。
二乘二取二型联锁机的接口采用工业总线，方便与驱动/采集电路和外设结合。方便与各种驱动/采集电路和外设结合。采用光纤传输时，可以提高传输速率和抗干扰性，方便组成区域性计算机联锁系统。
3.4 PLC联锁
PLC联锁机是采用PLC可编程逻辑控制器进行逻辑运算和I/O控制器件搭建的联锁机。PLC有大量成熟的各种电路控制/采集硬件模块和通信接口模块，硬件设备有较高抗干扰性和可靠性，有大量的系统软件和控制软件，编程过程简单清晰，易于掌握。
PLC设备简单，故障率低，施工周期短，维护方便，备件来源广泛，造价是各种联锁机中最低的。PLC联锁机目前只用于厂矿企业铁路站场，没有进入国铁系统。
3.5 模块化计算机联锁
模块化计算机联锁系统是一种概念，它的定义是：“由功能分类组成的独立模块单元，在开放的平台上组合构成系统整体功能的联锁机系统”。它有统一的接口协议，可以即插即用。模块化的好处是可以工厂化施工，站场变化时修改施工简便，室内主要为软件工作量，可以在短时间内完成施工。设备维护方便，故障可以指示到位，可以直接进行模块级更换，工厂化维修，减少故障延误时间。
模块化计算机联锁系统有多种形式，目前各种双机热备、三取二和二乘二取二结构的联锁机都可以成为模块化联锁机，联锁系统的模块化主要是执行电路的模块化。
4.计算机联锁系统发展趋势
自1984年来，车站计算机联锁系统技术得到空前的发展。现在，它正朝着高可靠性与高安全性、区域化、综合自动化的方向发展。
4.1 计算机联锁系统通信总线由实回线向光纤通信总线发展
计算机联锁系统结构的发展，控制设备数量的增加，控制范围和设备类型的增加，对设备循环控制周期和传输速率提出了新的要求，设备数量和驱动功率的增加，电磁环境更加恶劣也对抗干扰冲击能力提出了要求。
解决的方法就是将系统总线由实回线改为光纤传输，提高传输速率、带宽和抗干扰能力。实际上国外的一些计算机联锁系统总线已经应用了光纤总线多年。
4.2 联锁机由通用工业控制计算机向专用联锁控制计算机发展
铁路联锁计算机对安全性和可靠性有着特殊的要求，它的要求仅次于航空航天控制系统，在欧洲和日本有严格的技术标准。因此，采用通用控制计算机的联锁机很难达到技术标准的要求。应当采用专用联锁控制计算机。
国内的计算机联锁生产厂家为达到安全型计算机联锁标准，基本上都是用高昂的价格引进国外的专用计算机联锁系统硬件。国内几乎没有自己的安全型计算机联锁系统。中国有着巨大的联锁机市场，因此应当发展自己的专用安全型计算机联锁系统。
国内联锁软件系统已经有了较高的水平，硬件系统受国内制造水平限制。国内联锁系统从业人员几乎都是铁路信号专业人员，由于专业的原因，他们可以把握正确的需求，却不能良好的实施。严重缺乏的联锁计算机硬件设计人才，限制了联锁技术的发展，使国内计算机联锁制造业处于一个较低的水平。我国应当在计算机联锁硬件设计和制造方面增加研发投资和人才，发展自己的专用安全型计算机联锁系统。
4.3 计算机联锁软件的发展
计算机联锁软件增加CTC、列控信息化的功能，起到CTCS车站控制中心的作用。探索联锁软件适应模块化联锁硬件既插即用功能的可能和可行性。探索联锁软件新的模块化软件结构，研制适应中国铁路运输新的控制系统的联锁逻辑和新流程，全面超越6502电气集中的联锁逻辑和控制流程。
4.4 计算机联锁系统向着高可靠性与高安全性方向发展
当前的计算机联锁系统虽然已经处于可用阶段，但是在可靠性和安全性方面都有待提高。以双机热备计算机系统为例，它在长期应用和发展中已经逐步成熟和稳定，但由于其先天的不足，仍然暴露出许多软、硬件设计上的缺欠。随着提速、客运专线、大型客运站、重点车站、重载线路的建设和改造，它们对计算机联锁系统的可靠性、安全性提出了更高的要求，以适应铁路跨越式发展形式的需要。
我国目前的研究成果主要为三取二冗余系统，但国外更多的是四机冗余系统，多为二乘二取二冗余结构。在国内，由于有现场脱机模拟联锁测试的需求，造成三取二冗系统不适应于这种模式，因而有其发展的局限性。因此实现计算机联锁在双机热备上的突破，向多重冗余/校核方向发展，采取二乘二取二模式是一个必然。
4.5 计算机联锁系统向着全电子化方向发展
目前广泛使用的计算机联锁系统，其执行部分，也就是信号机和道岔的控制器件仍然是由继电器来完成的，且保留了轨道电路。而电子单元具有体积小、功能强大等特点，便于组网、远程管理和远程诊断，还可以为铁路自动化、信息化提供基础信息。因此，取消继电器，实现全电子化控制，是我国计算机联锁系统发展的一个方向。在国外，只有西门子、ABB京山、瑞典等少数国家有全电子计算机联锁技术。
4.6 计算机联锁系统向着站区一体化、区域化的方向发展
站区一体化、区域化信号安全技术代表了当今世界铁路信号安全控制技术的发展方向，并已在法、日、德、意等铁路发达国家得到实际应用。它是我国既有线提速、客运专线、高速铁路、地铁、城市轻轨交通建设所急需的信号安全控制技术。随着我国计算机联锁技术、列控技术的进步以及网络通信技术、数字信号处理技术的飞跃发展，大大推动了计算机联锁系统向着一体化、区域化的发展进程。
计算机联锁系统可以通过各种制式的通信网络实现多层次控制，使控制范围扩大，可由一个枢纽站控制周边若干站及区间的道岔控制点，优化了控制，减少了投资和运营成本。
5.结束语
由于铁路计算机应用的飞速发展及其计算机网络应用的普及，未来的联锁系统应该是高可靠、强容错、网络化、分布式和高度可裁剪的。容错型计算机联锁系统可以认为是朝着这个方向的一个尝试，也符合我们国家目前关于大力推广发展国产软件的方针政策。
分布式计算机联锁系统结合了分布式控制系统和多Agent系统，充分利用了计算机、通信、人工智能以及自动控制等技术，是一种新型的计算机联锁体系。该系统的突出特点是多个智能体通过CAN通信总线联合协作实现联锁功能，以及现场设备的状态采集和驱动，从而取消了传统计算机联锁系统中的联锁机和继电器组合架。真正实现了计算机联锁系统的分布式控制，提高了计算机联锁系统的可靠性和安全性，为铁路信号设备的升级换代提供了一种新的思路。
参考文献
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