1、铁路连锁系统信号控制模式的通用设计方法摘要：现今基于继电器的铁路连锁系统正在转变为可编程的软件连锁系统。就硬件方面而言，安全认证组件可以达到铁路连锁系统的安全要求。但为了满足软件要求，连锁系统的设计和编程必须使用规定的方法。这样一来，为每一种区间设备配置的功能块都可以是实现铁路连锁系统的一种方法。本文旨在利用标准方法为信号功能块设计一个可编程逻辑控制器（PLC）程序，同时对二者做一比较。关键词： 铁路连锁系统 自动化 PLC Petri网 自动机绪论：当今世界，铁路客货运输在发达国家十分重要。土耳其作为一个发展中国家，铁路使用率在2025年预计会从当前的3%增长到20%。现代的铁路信号和多线铁
2、路让铁路运输的快速安全发展成为可能。土耳其现在运营的铁路85%都是单线，而且仅仅24%的线路是有现代化的铁路信号的。这种现状给土耳其铁路的安全性能带来质疑。2004年至2008年间共发生了1443起事故，包括撞车、越轨等，重新引起了人们对安全问题的质疑。鉴于这些数据和信息，土耳其计划提升铁路质量，必须增加信号现代化线路比例，同时要对系统升级。在铁路信号系统中，起决定作用的是连锁系统。连锁系统的作用是对来自列控中心的进路请求进行判断和开放。在这个判断过程中，连锁系统会综合考虑当前的进路请求和其他区段的设备状态。最终通过将区间设备调整至准确状态，进路请求被允许同时不会造成撞车等事故。如果出现任何非
3、安全因素，进路请求都不会被允许。很明显，在信号系统中主要部分连锁系统对避免碰撞事故起决定性作用.正因如此，由CENELEC机构制定的安全标准，例如 EN50126，阐明了铁路连锁系统安全的一般性要求。连锁系统必须同时满足软件和硬件的标准。就硬件方面而言，几个主要的公司已经完成了硬件设施的鉴定，从而使连锁软件可以实现。由于软件的要求，开发连锁运算的算法就十分重要。标准的算法必须用于满足连锁系统的软件要求。本文旨在使用标准方法为信号锁闭功能开发出一种软件算法，并对之进行比较。为了达到目的，构成整个铁路信号系统的各模块的一般信息将会在第二部分给出。在第三章，将以标准方法设计信号闭塞功能，而在第四部分
4、，我们将集中讨论使用标准方法的利与弊。二 铁路信号系统一般来说，铁路信号系统由列控中心（TCC ),连锁系统和轨旁设备组成。A：列控中心（TCC）列控中心是执行和监督列车运营情况的地方。TCC和连锁模块通过双工通道通信。由TCC产生的进路请求送至连锁系统，同时由连锁模块收集到的轨道信息送至TCC。轨道信息则在列控中心的图形界面上显示出来。B：轨道设备轨道设备是铁路上的基础设备，由连锁系统控制和监督。轨道设备可以分为三部分，即转辙机、轨道电路和信号机。1）转辙机：在铁路中，列车通过转辙机转换行车方向。转辙机是由电动机控制的机械装置。多数转辙机有定向和反向两种选项。转辙机状态的数据通过传感器存放在
5、连锁系统中。在土耳其铁路中有三种主要类型的转辙机，分别是基本型、联合型以及英式转辙机。2）轨道电路：轨道电路是一种电子设备，主要是用于向连锁系统传递特定线路中的列车占用信息。轨道电路可以细分为AC和DC 两种子电路。当区域内没有列车占用时，轨道电路向连锁系统发送逻辑“1”信号。而当有车占用时则发送逻辑“0” 。这种设计可以对断线起到很好的预防作用。3）信号机：一般来说，信号机是通过连锁系统来通知列车司机的灯光显示器。要做到安全运输，司机必须读懂信号机灯光颜色组合的含义，并且严格遵循信号的指示。在土耳其铁路中，信号机被安置在线路方向的右侧，显示一下一个活多个信息：接近轨道是闭塞还是出清状态列车司
6、机是否有前进的许可接近轨道有岔还是无岔列车速度限制到下一个车站的距离下一个信号机的可能状态最早的铁路信号机是用电动机或液压传动机控制的机械信号机。机械信号机的使用在逐渐减少，现在大多已被色灯信号机取代。信号机可以分为四种，即四显示高柱、三显示高柱、三显示矮柱和二显示矮柱。和转辙机相似，信号机由连锁系统控制同时也向系统传送状态信息。对于一个标准转辙机，有两种控制方式和两种指示信号。另一方面，三显示高柱信号机有六种控制方式和七种指示信号。考虑到这种情况，我们立马就意识到在连锁系统中，控制信号显示的部分要远比控制转辙机的部分复杂。此外，信号机也在司机和连锁系统之间形成了接口。因此，就安全层面讲，信号
7、机是铁路信号系统中最重要的部分。C.连锁系统连锁系统是铁路信号系统的决策机构。如今在土耳其，基于继电器的连锁系统已经在使用中。在一些地方，仅仅构建在故障安全型继电器上的逻辑电路起着判定决策的功能。然而，除了继电器外，在一些地方，特殊的电子电路也在使用中。此外，现在这一类软件也可以用PLC实现。不管是由继电器还是软件控制，连锁系统都是由连锁表来评估。连锁表决定允许特定进路请求的条件。连锁系统的主要任务就是评估来自TCC的进路请求，并找出一个合适的进路方案，而且不会引发冲撞事故。在判定过程中，连锁系统会综合考虑线路请求和轨道设备的所处状态。正如【4】中所指明的，为特定的列车建立进路，进路以及相关进
8、路的轨道电路状态必须明确。相关的转辙机必须正确的动作以及锁定。敌对信号和冲突信号必须封锁。除此之外，进路上的有关信号机必须设置在正确的显示状态。连锁表正确表示了开放进路所要求的轨道设备所处状态。图1和表1，分别是站场和与1BT-2ST进路相关的连锁表的实例。实现基于PLC 软件连锁系统的一种方法就是为所有轨道设备生成连锁功能块。这种智能连锁系统通过相关设备的连锁功能块可以接受和开放进路请求。根据土耳其TCDD的技术规范，红灯表示下一区段占用，黄灯表示下一区段出清但下下区段占用，绿灯则表示下两个区段都空闲。有时候列车必须谨慎行驶，随时准备停车（例如在没有信号的区段等）在这些情况下必须显示红黄灯信
9、号。这一部分将考虑三显示矮柱信号机。通常有三种常规方式（异步时序电路法、基于自动机的设计法和基于Petri网的设计法）用于生成负责控制信号机的功能模块。A：异步时序电路法异步时序电路法用于数字电路的设计。利用这种方式设计算法要经过两个步骤。第一步是设计转换图和转换表，这也是设计流程中最重要的部分。在设计状态流图的时候，首先要注意减少等价状态，可能的竞争危害也必须设法消除。然后，为了获取从状态流图获得输入输出功能，利用卡诺图或奎因-麦克拉斯基法进行状态缩减可以减少相同的状态。 【5】转换表中与三显示矮柱信号机相关的状态见表2。在这个表中， “A”表示开始状态， “B”表示转换状态， “C”、 “
10、D”、 “E”分别表示黄、绿、红黄信号显示。在这种设计里，任何命令未能成功输出都会导致信号机显示红灯。在表2里x,v,y和z分别表示开始、无信号显示轨道、下一轨道区段电路状态和下下区段轨道电路状态。通过对转换表中所有q1, q2, q3 值的换算，可得到输入-输出功能：B、基于自动机的设计法自动机是一个图形模型，用于设计和分析离散事件系统。为了应用自动机模型，首先要定义事件的属性，同时生成状态转换图。对于我们要处理的三显示矮柱信号机，事件和状态转换图分别对应在图2和表3中。在【6】中，转换函数的一般表达式可由下式给出：进而可得图2中转换函数的表达式：利用这些函数，就可以方便地写出信号功能模块的
11、PLC程序。 【8】C、基于 Petri网的设计法另一种用于离散事件系统的设计与分析的模型是Petri网。基于这种模型的方法，利用已经生成的状态图，可以对系统的逻辑功能进行创建和编程。使用Petri网的设计方式很多【9】 ，本文里将使用【10】中推荐的方法。为了编写程序，我们要用到触发器的表达式以及状态。触发器的表达式如下：状态搜索功能的一般表达式，由下式给出：式中，I（Pi （k） ）是加入的转换集，O（Pi（k） ）是去除的转换集。通过一般表达式，可以给出图3中Petri网的状态功能表示：IV.各种方法的比较设计阶段和最终成果的评估可以采用多种标准，从而可以对各种既有方法进行比较。当我们评
12、估一个铁路连锁系统时，程序的内存占用，循环时间，可观测性，设计精简性以及适用性是最重要的指标。PLC的工作内存占用十分重要，主要有两个原因。首先，如果工作占用内存高的话，就必须使用内存更大的硬件组合，因而成本更高。第二，工作占用内存与CPU的循环时间直接相关。工作内存占用的升高会导致CPU的循环时间也相应增加，从而使设备性能降低。在表IV中给出了通用方法的工作内存占用状况。从表4中可以看出，利用基于自动机的方法设计出的程序其工作内存占用最低。各种方法之间的差异并不大，但考虑到一个中等规模的车站通常有20-25个信号机以及其他轨道设备，因而这些差异也显得比较重要。考虑到每种常用方法的设计时期，我
13、们建立了一种通用的状态转换图。但为编写PLC代码而建立的逻辑功能模块会有一些不同。基于自动机和基于Petri网两种方法步骤相似。另一方面，异步时序电路设计方法很难实现。使用这种方法，输入量和状态量的增加使得在无主要竞争情况下建立状态转换表更加困难。这种数量的增加，同样也使得用卡诺图或者奎恩-麦克拉斯基法则对逻辑功能进行化简变得十分困难，甚至是不可能。尽管用异步时序电路设计法也可能设计出简单的模型，但在具有信号机反馈信号的复杂模型中，这种方法是不可能实现的。在调试阶段预备程序的可追踪性至关重要。自动机模型和Petri网比异步时序电路近似法在可追踪性上更高端，这是因为所有的状态都可以单独追踪。在特
14、大特复杂型的情况下，自动机模型和Petri网模型的可追踪性都会下降。这种情况下，通过获取状态转换矩阵可以使Petri网模型得到更好的可追踪性。V.结论总得来说，由于在设计和应用阶段的一系列问题，异步时序电路法在铁路信号系统中是不适应的。而基于自动机和基于Petri网的设计方法，两者在简化设计和提高适用性方面比较相似，可以根据设计者的熟悉程度和经验，作为铁道信号系统的合适的设计方法。由于工作内存占用率不到20%，因而基于自动机的方法相比较其他通用方法而言，是最适合铁路信号系统的。图一 举例站场表一 连锁表举例表二 状态表图二 自动机（状态转换图）事件 表述E1 覆盖信号E2 下一信号机红显示E3 下一信号机亮黄灯或绿灯E4 下一区段无信号显示E5 返回初始状态E6 返回初始状态E7 返回初始状态E8 返回初始状态E9 下一信号机亮绿灯或黄灯E10 下一信号机亮红灯表三 自动机事件定义图三 Petri网模型致谢：本文的撰写得到了来自土耳其科技研究委员会(TBTAK) 第108G186号项目国家铁路信号研究项目的大力支持。
