基于网络通信的地铁线路相邻联锁站间闭塞技术研究

　　摘  要：为保障地铁线路相邻站间的行车安全，文章提出一种基于网络通信的站间闭塞方式。分析了线路 相邻联锁站相互发送的信息和闭塞原理，提出通过设置时间戳、序列号、校验码等安全技术实现闭塞故障导向 安全的解决方案，设计了冗余网络以增加系统可靠性，并通过延时解决了非预期进路不解锁故障。通过在长沙 地铁 4 号线信号系统的实际应用表明，不同运营场景下该网络闭塞技术实用、有效。  

　　关键词：地铁;联锁;站间闭塞;故障导向安全;网络通信

　　0  引言

　　城轨信号基础控制由多个联锁站构成，相邻站间 的行车组织不仅关系到运营效率，而且关系到行车安 全。为保证相邻站间的行车安全，传统上采用继电器 方式互相复示对方站的进路、区段和道岔等信息，以 实现站间的闭塞关系。为减少互相复示信号设备的数 量，需要在边界处设置分隔信号机，而对于无信号机 的线路则需设置虚拟信号机来实现，增加了信号系统 的复杂性，而且采用继电器方式需要在两站之间铺设电缆，增加了工程成本和维修量。

　　因此，相邻联锁站 间闭塞通过网络通信实现，不仅能保障行车安全和运 营效率，在节约工程成本和简化信号系统的复杂性上 也具有重要意义。随着地铁线路的增多和线路的增长， 网络闭塞技术逐渐得到推广，也得到用户的认可。当 前网络闭塞面临着网络信息丢包、乱序、被干扰、通 信闪断等问题，可能导致闭塞信息不可用，甚至出现 错误表示，影响站间列车运行安全和行车效率。另外， 网络延时导致联锁系统采集到的列车轨迹与实际不符， 从而造成进路不能正常解锁，需要人工干预，影响行 车效率和加大调度员的工作量和紧张度。本文针对网络闭塞所遇到的问题进行研究，提出可行的解决方案， 阐述了在传输通道不可信的状态下闭塞反应机制，并 解决了时延对运营效率的影响。

　　通信工程师论文投稿刊物：《铁道通信信号》(月刊)创刊于1957年，由铁道科学研究院、通信信号研究所主办。主要任务：以科学技术为主线，面向国家铁路、地方铁路及城市轨道交通领域，宣传党和国家的技术、装备政策;报道科技成果、新技术、新产品;交流设计、施工、维护经验;介绍国外相关技术资料等。服务对象：各级管理人员、科研人员、工程技术人员、生产运营人员、维护人员，以及大专院校的师生等。

　　1  基于网络通信的闭塞方式

　　为保证相邻站间的行车安全，须通过站间联系实 现行车闭塞。基于网络通信的站间闭塞方式是通过设 备信息和命令交互处理来实现站间联系的，以下对其 所要传送的信息、闭塞原理和网络方案设计进行分析。

　　1.1  站间闭塞交互信息

　　相邻联锁站通过交互设备状态信息获取分界区域 信号设备的状况，并对其进行控制以管理站间进路， 避免出现迎面列车冲突。站间闭塞需交互的信息和命 令主要有： ①信号机——点 / 灭灯、接近锁闭、灯丝、灯位、 封锁。 ②区段——占用 / 空闲、锁闭、锁闭方向、区故解、 封锁。 ③道岔——位置、单锁、封锁。 ④逻辑区段——占用 / 空闲、锁闭、锁闭方向。 ⑤保护区段——锁闭、建立、延时解锁。 ⑥站台状态——扣车、站台门(PSD)。 ⑦零散信息——防淹门(AFD)等。

　　1.2  站间闭塞原理分析

　　相邻联锁 A 站和 B 站在虚线处进行 分界，列车从 A 站驶入 B 站或从 B 站驶入 A 站时需要 办理本站到临站(对方站)的站间进路。相邻站从发车站(本站)向对方站办理发车，须 保证对方站没有向本站已办理或正在办理发车进路， 检查进路所涉及的设备应完好并没有被征用;若对方 站已向或正在向本站办理发车、进路的设备有故障或 被征用，则禁止本站办理发车进路 [1]。

　　本站向对方站 办理的发车进路(站间进路)能够随着列车正常运行 自动解锁 [2]，站间进路与普通进路的解锁方式相同; 本站向对方站办理的站间进路也可以通过人工方式解 除进路的锁闭状态，通过总取、总人操作把进路解除 从而释放设备;因设备故障或列车非正常走行导致进 路没有解锁，本站或对方站通过区故解解除锁闭释放 设备 [3] 。

　　在实际运营中，若因为故障导致相邻站间的通信 中断，则会对站间进路的各阶段产生不同影响，但进路所有的反应必须导向安全侧。通信中断使发车站不 能获取临站的设备状态和发车状态，不能够保障列车 的运行安全，联锁系统通知已停车的列车继续保持停 车、正在运行的列车紧急停车。

　　若站间进路排列命令 正在下达，联锁系统拒绝执行，允许信号不能开放， 列车停车;若站间进路已在执行排列，联锁系统立即 停止执行，允许信号不能开放，列车停车;若站间进 路已排列成功且允许信号已开放，联锁系统立即关闭 允许信号，并通知列车紧急停车;若站间进路已排列 成功且列车已进入进路，联锁系统立即通知列车紧急 停车;若站间进路已排列成功且列车已进入进路并驶 入临站，联锁系统保障列车没轧过的线路设备元素不 解锁，列车可不停车通过。

　　1.3  网络方案设计

　　通信网络是站间闭塞的核心部件，其性能的好坏 和方案的合理性对系统的可靠性、可用性和安全性产 生很大影响。为此网络方案设计需要遵循如下原则： ①网络设备需要选用高可靠性、高可用性、模块化、 标准化的成熟产品。 ②网络需要采用冗余设计，冗余切换和单点故障 不影响正常行车。 ③需要采用多种防护措施，在受干扰时保障行车 安全。

　　④网络延时应能满足正常行车需求。 相邻站间联锁主机通过网络互相进 行通信，采用封闭的冗余以太网，在每系联锁机中配 置以太网通信板，1 块以太网通信板提供 2 个完全独立 的以太网接口。站间通信采取时间戳、CRC 校验、多重校核、包 序号、数据类型等措施来保证安全传输 [4-6]。双方在规 定时间接收不到正确数据即判断断网，并采取故障导 向安全处理。 通过相邻站的联锁逻辑实现站间进路闭塞的各项 技术条件，通过互相传送信息实现列车在站间运行的 安全和运行效率。

　　1.3.1 通信威胁和安全防护

　　相邻站间联锁主机通过网络进行信息交互的正确 性直接影响到行车的安全，若使用了非法的数据则可 能导致列车直接冲突，造成行车安全事故，如临站向 本站发送的区段占用的信息因网络传输变异成为区段空闲的状态，就会导致后续列车直接撞击此区段上的 列车，造成重大行车安全事故。由此可见，通过网络 实现站间闭塞需要充分考虑通信存在的威胁并进行防 护，在任何情况下都要保障行车安全，满足故障导向 安全的要求。

　　在封闭式通信系统中，数据存在的威胁包括重复、 丢失、插入、乱序、错误和传输超时等。针对这些威 胁需要对数据的真实性、完整性、实时性和有序性进 行甄别，设定机制以保证合法数据得到使用、非法数 据被丢弃。 站间通信总体结构可以分为通信功 能模块、安全功能模块和应用程序 3 个层次。其中， 通信功能模块层实现物理层适配、通信链路冗余以及 数据的可靠、透明和双向传输;安全功能模块层对数 据传输过程中通信受到的威胁进行防护;应用程序层 实现站间闭塞在各种场景下的逻辑处理。

　　3 层模块一般

　　安装在同一设备内，各层之间的通信为程序内部接口， 对受到的威胁在程序内部进行防护。针对通信威胁的防护主要在安全功能模块层和应 用程序层实现。其中，安全功能模块实现对通信协议 威胁的鉴别和处理，应用程序层实现通信超时的安全 应对。 安全功能模块通信协议的设计须考虑数据的重复、 丢失、插入、乱序、错误和传输超时的应对机制，采 用的安全防护技术如下： ①在每条通信报文上加顺序递增的流水号(即“序 列号”)。

　　接收端校验发送端提供的报文顺序，从而 甄别出数据的重复、丢失、插入和乱序的威胁。 ②在每条通信报文上加标识时间的标识号(即“时 间戳”)。接收端校验发送端提供的时间标志，从而 甄别出数据的重复、丢失、插入、乱序的威胁。

　　③在每条通信报文上加标识发送端的地址号(即 “源标识”)。接收端校验发送端提供的源地址，从 而甄别数据的真实性。 ④在每条通信报文上加 CRC 校验码(即“校验标 识”)。接收端校验发送端提供的校验码，从而甄别 数据的错码问题。 ⑤建立超时机制的处理措施。报文从生成时刻起的有限时间段内保持有效，接收端在有效时间段内进 行报文的接收;若没有收到有效数据则双方重新同步。 应用程序层通过安全功能模块层接收到有效数据， 再次校验数据的正确性，数据正确则使用;数据错误 则丢弃。

　　应用程序层主要针对通信超时进行安全防护， 机制如下： ①报文应从生成时刻起的有限时间段内保持有效， 接收端接收有效报文后更新存储并设置新的时间戳。 ②若在规定的时间内没有收到有效报文，原有数 据停止使用，并进行故障导向安全的处理。 站间闭塞中有许多信息需要进行交互，如图 1 中 联锁 B 站需要把 T6 区段实时数据发送给联锁 A 站， 若 B 站向 A 站发送的 T6 信息受到威胁，则在接收站(A 站)进行检测和防护。

　　联锁 A 站安全功能模块收到 T6 区段 数据，进行源地址、CRC、序列号、时间戳的校验， 若全部通过，则把时间戳、源地址等标识符去掉，形 成 T6 区段状态数据送给应用程序层;若其中任一个校 验没有通过，则把数据丢弃并不向应用程序层发送任 何数据。应用程序层收到 T6 区段状态数据，则进行状 态数据的 CRC 校验，若通过则采用此数据;若不通过 则 T6 区段强制设为占用状态，导向安全。

　　在安全功能模块层和应用程序层都设置超时计时 机制。安全功能层在计时过程中若接收到新的合法数 据，则重新计时;若计时结束后仍没有合法数据，则 断开与对方的连接，重新与对方进行握手同步。应用 程序层在计时过程中若有新的合法数据传来，则重新 计时;若计时结束后仍没有合法数据，则使用预先定 义的数据进行计算，此数据为设备安全侧的定义。

　　1.3.2 通信冗余设计

　　站间闭塞通过网络通信来实现时，需考虑网络的冗余，其联锁系统为冗余系统 [7]，站与站之间的网络 也需要冗余设计，这样即使任一个部件故障都不会影 响站间闭塞的功能。 联锁 A 站和联锁 B 站的联锁机Ⅰ , Ⅱ系分别与 CI-A 网和 CI-B 网连接。联锁 A 站的联锁 机Ⅰ , Ⅱ系分别与联锁 B 站的联锁机Ⅰ , Ⅱ系进行实时 通信，每个联锁站都是一系为主、另一系备用，其中 主系实时向临站的双系发送闭塞数据，备系实时向临 站的双系发送心跳数据用于监测连接状态。为保证在 联锁切系过程中不会出现通信中断的情况，联锁备用 系要与主系同步通信实时参数，如时间戳、序列号等。

　　1.3.3 通信延时应对

　　相邻联锁站一般在保护区段处分界，联锁 A 站与联锁 B 站在 T4 一端进 行分界。保护区段的长度一般在 40~60 m 范围内，工 程车高速通过此区段所用的时间比较短。若工程车通 过 T4 区段的时间比 2 站通信延时要小，就会出现 T4 区段占用出清，但因网络延时 A 站还没采集到临近区 段 T6 占用，从而出现列车非正常走行导致的站间进路 不能正常解锁，进而影响行车效率。为解决此类问题 需要监测网络延时具体时间 T1，计算出最短列车通过 最短区段的最短时间 T2，T1 减去 T2 的值再增加 1 s， 该值设定为列车占用延迟出清的时间，从而能够很好 地解决此类问题。

　　2  工程验证

　　通过网络通信实现的站间闭塞技术已在长沙地铁 4 号线得到成功应用，运行效果良好，方便了业主的运 营和维修。下面通过对长沙地铁 4 号线的碧沙湖、树 木岭联锁站的线路分析，来对整个闭塞方式的实际场 景应用进行验证。 虚线为两站联锁分界区。以 S3304-S3402 的站间进路为例，树木岭站向碧沙湖站 发送区段 T3402, T3404, T3406, T3408 的状态信息、 发送信号机 S3402 的状态信息;碧沙湖站重新定义接 收到的区段和信号机名称为 T3402F, T3404F, T3406F, T3408F 和 S3402F，此定义的区段和信号机能够同步反 映原设备的状态。

　　2.1  正常运营场景

　　①碧沙湖站下发 S3304-S3402 的进路建立命令 , 碧 沙湖站对 T3402F, T3404F, T3406F, T3408F, S3402F 等 条件进行检查，条件满足则向树木岭站发送 T3402, T3404, T3406 的区段锁闭命令。 ②树木岭站收到碧沙湖站发送的区段锁闭命令后， 检查 T3402, T3404, T3406 区段无敌对锁闭则进行区段 锁闭，并向碧沙湖站发送区段锁闭信息;碧沙湖站收 到树木岭站发送的区段锁闭信息后，设置进路锁闭并 锁闭 T3306, T3402F, T3404F 和 T3406F。 ③在 S3304-S3302 的进路建立后，碧沙湖站向树 木岭站发送建立保护区段命令;树木岭站收到保护区 段命令后检查 T3408 保护区段建立条件，条件满足则 建立 T3408 保护锁闭，向碧沙湖站发送建立信息。

　　④碧沙湖站收到保护区段建立信息后，设置 T3408F 保护锁闭，S3304 信号开放。 ⑤列车正常出清 T3306，T3306 正常解锁。继续前 行出清 T3402，碧沙湖站对 T3402F 解锁条件进行检查， 条件满足则碧沙湖站解除 T3402F 锁闭并通知树木岭站 T3402 解锁，树木岭站收到后解除 T3402 的锁闭状态。 列车正常运行，完全驶入 T3406 站台轨，树木岭站收 到列车停稳信息并将其发送给碧沙湖站或碧沙湖站检 查保护区段延时时间到，向树木岭站发送保护区段解 除命令，树木岭站解除 T3408 的保护锁闭并通知碧沙 湖站解除 T3408F 的保护锁。

　　2.2  故障解除锁闭场景

　　S3304-S3402 进路建立并开放信号，列车正常驶入 但非正常出清 T3402，造成 T3402 没有正常解锁。 ①树木岭站下发 T3402 区故解命令或碧沙湖站下 发 T3402F 区故解命令，此区段的解锁由发车站(碧沙 湖站)联锁系统执行，若碧沙湖站下发则直接解除; 若树木岭站下发则需通过网络同步给碧沙湖站进行解 除。 ②碧沙湖站收到 T3402F 或 T3402 区故解命令，条 件满足则解除 T3402F 的锁闭状态，并通知树木岭站解 除 T3402 的锁闭状态。

　　2.3  通信中断场景

　　①在列车正常出清T3306但还未解锁时通信中断， 则 T3306 不能解锁且被置为故障锁闭;列车正常出 清 T3402 且树木岭站已收到解锁命令时通信中断，则T3402 可以解锁;列车正常出清 T3402 但树木岭站未 收到解锁命令时通信中断，T3402 保持锁闭。 ②T3408 为进路 S3304-S3402 的保护 区段，T3406 为保护区段延时解锁触发区段。列车正 常运行，未轧上 T3406, T3408 时，延时解锁计时器未 启动，通信中断，保护区段(T3408)保持锁闭;轧上 T3406, T3408且延时解锁计时器启动延时但未结束时， 通信中断，则 T3408 保持锁闭并计时器停止延时。

　　3  结语

　　本文基于长沙地铁 4 号线实际线路并结合不同的 运营场景，阐述了站间闭塞原理和网络通信实现方案， 详细分析了网络传送故障的安全保证措施。通过网络 通信实现站间闭塞，节约大量的继电器，并避免在边 界增设真实或虚拟信号机，大大降低了信号系统集成 的复杂度和维修难度，在轨道交通行业进行推广有重 要的意义。

　　参考文献：

　　[1] 何文卿 . 6502 电气集中电路(修订本)[M]. 北京 : 中国铁道出版社 , 2016.

　　[2] 北京全路通信信号研究设计院有限公司 . 铁路车站计算机联锁 技术条件 : TB/T 3027—2015[S]. 北京 : 中国铁道出版社 , 2015.

　　[3] 赵志熙 . 计算机联锁系统技术 [M]. 北京 : 中国铁道出版社 , 1999.

　　[4] 全国牵引电气设备与系统标准化技术委员会 (SAC/TC 278). 轨 道交通通信、信号和处理系统 控制和防护系统软件 : GB/T 28808—2012[S]. 北京 : 中国标准出版社 , 2012

　　作者：张大涛

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