我國鐵路列控聯鎖系統發展趨勢研究

賈春肖， 張宏韜， 齊志華

（中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081）

近年來，隨著我國經濟實力不斷增強、科學技術水平不斷提高，鐵路建設正在經歷一個迅猛發展的階段。截至2019年底，我國鐵路營業總里程達到13.9萬km，高鐵營業總里程3.5萬km，超過世界高鐵總里程的三分之二，位居世界第一。列車能夠安全平穩地運行依托于一個龐大的鐵路系統技術網，其中聯鎖系統和列控中心對于保障行車安全發揮著至關重要的作用。為了更好地解決列控中心、聯鎖系統獨立設置時傳輸數據冗余、接口復雜等問題，我國各大廠商都開始研制列控聯鎖一體化系統。在此，對列控聯鎖一體化系統的發展現狀、發展必然性以及發展趨勢進行探討。

1 國內外列控、聯鎖發展現狀

1.1 我國發展現狀

目前我國站內信號設備和區間設備分別由聯鎖系統和列控中心控制，2個系統獨立設置，通過安全數據網進行信息交互，保障行車安全。

聯鎖系統在我國的發展經歷了一個由機械式聯鎖、電氣機械聯鎖到電氣聯鎖，再到如今普遍使用的計算機聯鎖系統的過程。電氣聯鎖以繼電電氣集中聯鎖為主，相較于機械聯鎖，其采用動力轉轍機、色燈信號機和軌道電路三大電氣基礎設備，使用安全型繼電器構成聯鎖邏輯自動處理系統，使車站控制和聯鎖功能得到空前改善［1]。至20世紀70年代，由繼電器構成的6502 電氣集中聯鎖系統開始逐步推廣并大面積使用，推動了聯鎖系統的快速發展。

20 世紀80年代，隨著計算機技術的不斷提高，計算機聯鎖開始逐步替代6502 電氣集中聯鎖。計算機聯鎖以繼電器接口方式集中操縱動力式道岔及色燈信號機，以軟件方式實現聯鎖邏輯處理功能，相較于電氣集中聯鎖，繼電器數量減少約2/3，具有可維護性高、占地面積小等優點，且施工更加方便，有效縮短施工周期。截至2017年底，計算機聯鎖車站投入運營6432個，已超全國車站總數的70%。

列控系統由地面子系統和車載子系統2 部分組成。地面子系統由列控中心（TCC）、無線閉塞中心（RBC）、臨時限速服務器（TSRS）、應答器等組成，其中，列控中心是我國獨有的列車運行控制設備［2］。2007 年我國鐵路第6 次大提速時，為了適應高速鐵路運行需求，在地面信號系統中獨立設置了列控中心。由列控中心實現臨時限速處理及有源應答器報文控制。其后10 多年間，列控中心的功能不斷擴展并發展完善［3］，目前列控中心通過與計算機聯鎖系統、軌道電路、調度集中系統、地面電子單元等的通信，實現了對有源應答器報文發送和接收、閉塞分區運行方向控制、軌道電路設備發碼控制、異物侵限信息采集、區間信號機點燈控制、區間軌道電路狀態采集等功能。地面信號系統結構見圖1。

圖1 地面信號系統結構

1.2 國外發展現狀

在國外主流信號系統中，地面控制系統通常僅由聯鎖系統和RBC 組成，由聯鎖系統完成對站內以及區間設備的控制，由RBC發送行車許可及列車控制信息。目前國際上比較典型的聯鎖系統有：SIMIS-W 聯鎖系統、SEI 聯鎖系統、OCS950 聯鎖系統、SMRTLOCK400聯鎖系統、SAINT一體化系統。我國京津城際鐵路引進SIMIS-W 系統，秦沈客運專線和石太客運專線引進SEI聯鎖系統［4］。其中，SEI系統是比較典型的列控聯鎖一體化系統，其在站內上下咽喉各設置1套聯鎖設備完成聯鎖功能、軌道電路編碼和譯碼、有源應答器報文控制、與鄰站SEI 系統安全信息傳輸、臨時限速等功能，中繼站設置1 套聯鎖系統，完成中繼站相關控制功能［5］。SIMIS-W 系統屬于另一種類型的列控聯鎖一體化系統，是一種具有區域聯鎖功能的全電子計算機聯鎖系統，通過完全電子化的電子執行單元直接控制道岔、信號機等軌旁設備，其聯鎖功能不僅包括站內聯鎖而且包括區間聯鎖，同時該系統還能夠控制有源應答器報文發送、接收，為列車提供行車許可，為列車的安全運行提供保障，實現列控地面設備的功能［2］。

2 列控聯鎖一體化發展的必要性

在2007 年既有線大提速時，既存在計算機聯鎖系統，又有6502 電氣集中聯鎖系統，采用疊加列控中心的系統設計，可以盡量減少對既有聯鎖系統的影響，保障聯鎖系統的安全性，在我國高鐵建設初期是一種最優的選擇。經過10 多年的發展，我國鐵路已積累了豐富的建設、運營以及運用列控、聯鎖系統的經驗，有能力對列控、聯鎖設備進一步優化，尤其是將列控中心和計算機聯鎖系統一體化后，具有以下優勢。

2.1 減少數據交互，提高通信效率

列控中心與計算機聯鎖系統并不是完全獨立的，為了實現相關功能，2系統在每一通信周期內都需要進行大量的數據交互工作，2系統間的耦合度十分高。例如，計算機聯鎖系統的接、發車進路需要從列控中心獲取允許發車繼電器的狀態、區間方向等信息，同時列控中心也需要從計算機聯鎖系統獲取進路數據來完成軌道電路編碼以及區間信號機的點燈邏輯功能。這些系統間數據需要通過鐵路信號安全數據網進行傳遞，在數據的發送和接收方均需要進行安全協議（RSSP-I）處理后才能收發，并需要考慮通信不穩定以及對方系統倒機切換等異常情況時不能影響系統的正常功能，實時性和通信穩定性受到制約。

而列控聯鎖一體化后，只需要在系統內部直接調用相關數據，這將有效提升系統的運行效率和準確率。同時，數據傳輸也不再受到傳輸媒介的限制，降低了獨立設置時因通信延時、通信畸變等原因導致的數據滯后、數據錯誤等風險，保證輸入信息的一致性［6］。此外，一體化系統還能將復雜的接口信息傳遞過程轉變為內部數據處理，使系統運行時的關鍵數據能夠在內部共享，有利于提高數據的利用率，降低軟件開發復雜度。列控、聯鎖獨立設置與一體化后數據交互對比見圖2。

2.2 降低數據傳輸迂回性

列控聯鎖一體化后能夠降低數據傳輸的迂回性。

目前，列控中心與計算機聯鎖系統都存在數據代傳現象。例如，因列控中心不與RBC 直接通信，閉塞分區占用信息、異物侵限信息、區間方向信息需要由計算機聯鎖系統代傳。聯鎖開放USU 信號時，需要獲取大號碼道岔的限速情況，因計算機聯鎖系統與臨時限速服務器之間無通信接口，該信息需經由列控中心進行代傳。列控聯鎖一體化后能夠解決數據迂回傳輸問題，提高系統的實時性［7]。列控、聯鎖獨立設置與一體化數據傳輸對比見圖3。

圖2 列控、聯鎖獨立設置與一體化數據交互對比

圖3 列控、聯鎖獨立設置與一體化數據傳輸對比

2.3 優化系統架構

列控聯鎖一體化后還能優化信號系統架構、減少系統接口。本站列控中心和計算機聯鎖系統除了與2個相鄰列控中心、2 個相鄰計算機聯鎖系統進行接口外，有時還需要與RBC、TSRS 等設備接口。在典型的復雜信號系統中，列控中心和計算機聯鎖系統至少需要與16 個外部設備進行接口。在這些外部接口設備中，調度集中控制系統（CTC）、鐵路信號集中監測系統（CSM）是2 個系統共同的接口設備。通過將列控中心和計算機聯鎖系統合并為1 個系統，能夠將2 個系統獨立的接口進行統一和優化，降低系統接口復雜度，便于系統設備間更好地協調和配合（見圖4）。

2.4 降低系統維護工作量

當前，每個列控中心、計算機聯鎖系統都需要設置獨立的主機柜、綜合柜和維護終端。列控聯鎖一體化后將2套設備進行合并，有效減少信號設備數量。同時，因為一體化后不存在因列控中心、計算機聯鎖系統屬于不同廠商而導致的互聯互通問題，系統維護更加簡便，可減少現場維護人員的工作量。

3 列控聯鎖一體化發展趨勢

3.1 全電子列控聯鎖一體化系統

縱觀國外列控聯鎖一體化系統的發展，全電子化系統成為總體發展趨勢。例如，西門子公司的基于IP網絡的數字聯鎖系統、日立公司的ATC·聯鎖一體化地面設備（SAINT）、龐巴迪公司的OCS 950 系統等無不采用全電子聯鎖系統，并且這些系統多采用目標控制器結構控制軌旁設備。特別是IEC 61508、EN 50126/128/129 等標準的提出，使電氣/電子/可編程電子相關系統在鐵路信號領域的應用有標準可依，安全性、可靠性、可維護性得到有效保證。因此，發展全電子列控聯鎖一體化系統時機已經成熟，符合國際發展趨勢，有利于推動我國高鐵技術在世界范圍的全面推廣。

3.1.1 全電子聯鎖系統的優點

與傳統計算機聯鎖系統不同，全電子聯鎖系統采用電子模塊取代了執行層的I/O驅采電路和繼電器，用電子手段控制電氣電路上的開關通斷。在系統施工階段，能夠有效減少接口配線數量，并且配線不需要焊接而是采用壓接式端子，縮短了施工時間。系統取消了大部分繼電器設備，不必在機械室中設置大量的繼電器組合架，具有占地面積小、節省設備存放空間的優點［8]。

圖4 列控、聯鎖獨立設置與一體化系統結構對比

在系統運行中，電子模塊能夠杜絕使用封連線的可能，降低了混線、斷線、繼電器故障導致的信號設備風險。在日常維護中，電子模塊采用熱備冗余設置，并且具備系統自診斷功能，當執行層與軌旁設備接口故障時，模塊能夠定位到板卡級，現場維護人員僅需更換掉故障模塊，免去了對繼電電路排查的時間，提高了維修效率［9]。

在站場改造時，全電子聯鎖系統模塊化程度高，通過增減模塊能夠滿足不同站場的需求，具有良好的擴展性，更有益于站場改造的實現，節約了改造成本。

3.1.2 目標控制器

目標控制器一般由通信模塊及若干電子模塊組成，既可集中設置在車站，也可分散設置于遠端車站。電子模塊直接控制軌旁設備并實時采集設備狀態信息。通信模塊作為系統邏輯部與電子模塊的通信橋梁，完成控制命令發送、采集信息接收和通信管理功能。

基于目標控制器的控制結構非常適合我國鐵路各種復雜的運行環境。特別是青藏鐵路、川藏鐵路自然環境惡劣、值守困難，部分車站為無人值守站，并且橋隧占比非常高，這就要求軌旁控制設備可靠性高、小型化、占用空間小。當沿線環境不利于設置車站時，可不設置車站，將目標控制器分散設置于軌旁，由集中站系統統一控制目標控制器。

3.2 智能化維護

列控聯鎖一體化系統不僅將列控中心和計算機聯鎖系統簡單合并，而且推動信號系統向著更高的智能化、網絡化方向發展。為此列控聯鎖一體化系統應具備智能的維護診斷功能。

系統能夠實時采集和記錄站內和區間的設備狀態信息、一體化系統的運行狀態、與外部設備接口通信狀態等。通過獲取站內和區間維護信息，對數據進行綜合分析，具備更加完善的故障預測、診斷分析功能。設置綜合維護終端遠程監測各站的運行狀態，提供多級查閱、回放、管理和故障處理等功能［10]。

維護系統還應具備設備供應商遠程顯示和診斷功能。目前設備故障后，設備供應商通常采取電話技術指導，通過電話遠程撥號調取維修機數據提供即時遠程技術支持，如果故障無法排除，還需派專業維護人員至現場維修。設置遠程顯示終端后，設備供應商能夠及時獲取設備狀態信息，有利于維護人員在短時間內迅速對故障進行判斷，提供更加精準的技術支持，極大縮短了故障響應和處理時間。

3.3 增強網絡安全防護措施

近年來，隨著互聯網技術的飛速發展，網絡安全問題受到越來越多的重視。鐵路作為國家運輸的重要環節，網絡安全問題不容忽視。列控聯鎖一體化系統作為保障鐵路安全、提升運輸效率的關鍵設備，更應該重視此項內容。

列控聯鎖一體化系統在設計的最初階段就應將網絡安全納入設計重要環節。建立、健全網絡安全系統架構，實行內外網獨立，在關鍵設備應安裝網絡防護軟件，重要接口增設防火墻，能夠對病毒攻擊進行攔截。系統內部通信也應注重網絡安全問題，內部通信應采用封閉的專用網絡，防止病毒攻擊導致數據改變，威脅系統安全。

在智能維護系統中，遠程訪問功能應加強網絡安全措施，設置嚴格的訪問權限，在技術角度控制越級訪問的發生。維護終端應建立完善的賬戶安全管理工作，能夠對賬戶、密碼進行統一的審核和管理［11]。

4 結束語

調研國內外列控、聯鎖系統發展狀況，闡述發展列控聯鎖一體化系統的必要性以及系統發展趨勢，提出研制全電子列控聯鎖一體化系統的設想。全電子列控聯鎖一體化系統將列控中心和聯鎖系統集成為1個系統，減少了設備數量和系統間接口，采用目標控制器對軌旁設備進行控制，取消大部分接口繼電器，同時設置智能化的維護系統，構建安全、低風險的網絡架構，推動列控聯鎖一體化系統向著更簡潔、更集中、更安全、統一化的方向發展。