基于网络通信的地铁线路相邻联锁站间闭塞技术研究

所属分类：电子论文阅读220次时间：2020-08-25 10:14

本文摘要：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

　　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

铁道通信信号

　　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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