地铁信号系统联锁技术全解析

知识点：联锁机构

1、引言

地铁信号系统的任务是保证行车安全、协调列车运行、提高运输效率。铁路或地铁车站以及车辆段都有很多线路，线路的两端以道岔连接，根据道岔的不同位置组成列车的不同进路，每条进路只允许一列列车使用。列车能否进入某进路，是否会发生进路冲突，这些都由联锁系统来协调。联锁系统是信号系统中保证列车行车安全的核心设备。

2 联锁的原理

联锁是“通过技术方法，使信号、道岔和进路必须按照一定程序并满足一定条件，才能动作或建立起来的相互关系”。也就是说，为了保证车站行车安全，必须制定一系列联锁规则以制约信号的开放与关闭、道岔转动和进路的建立；必须以技术手段来实现这些联锁规则。联锁系统以电气设备或电子设备实现联锁功能，以信号机、动力转辙机和轨道电路室外三大件来体现联锁功能。

根据系统内各设备在功能上的分工和所在的位置，联锁系统可分解成如图1所示的联锁机构（联锁层）、人机会话层和监控层。联锁机构、监控层都必须符合故障－安全原则，其设备设在车站信号楼的机械室内；人机会话层设在车站值班室。

联锁机构是联锁系统的核心，它除了接受来自人机会话层的操纵信息外，还接受来自监控层所反映的室外信号机、转辙机和轨道电路状态的信息，并根据联锁条件，对这些控制信息和状态信息进行处理，产生相应的信号控制命令和道岔控制命令。

人机会话层的主要功能是：操作人员在该层向联锁机构输入操作信息，接受联锁机构反馈的设备状态信息和行车作业情况信息。

监控层的主要功能是：接受联锁机构的控制命令，通过信号控制电路来改变信号机显示；接受联锁机构的道岔控制命令，驱动道岔转换；向联锁机构反馈信号机状态、道岔状态和轨道电路状态信息。

3 联锁设备的功能

联锁设备具有以下功能：轨道电路的处理、进路控制、道岔控制、信号控制、进路自动设置功能。

3．1 轨道电路处理功能

轨道电路处理功能是接收和处理轨道区段的“空闲、占用”状态信息，并把该状态信息转发给其他相关设备。

3．2 进路控制功能

进路控制功能就是建立和解锁进路的功能。建立进路的过程就是从开始办理进路到防护该进路的信号开放的过程。解锁进路的过程就是从列车驶入进路到越过进路中全部轨道区段的过程，或是操作人员解除已建立的进路的过程。

（1）建立进路

建立进路的过程有四个阶段，即进路选择、道岔控制、进路锁闭和信号控制。进路建立后，一直保持锁闭状态；当发出取消进路命令或有车正常占用又出清后，进路才能取消。

a）进路选择

进路选择的检查条件是：操作手续符合操作规范；所选进路处于空闲状态；进路始端信号机灯丝完好；对进路有侧向防护要求的所有轨道区段都处于空闲状态；在进路中没有轨道区段被占用。 如果进路检查的条件成立，那么联锁设备开始转换道岔，锁闭道岔，开放信号。如果进路检查的条件不成立，或没有在指定点检测到道岔位置，则向控制中心回送一个无效命令停止建立进路的操作。

b）进路锁闭

当进路内有关道岔的位置符合进路要求，而且进路在空闲状态没有建立敌对进路等条件得到满足时，实现进路锁闭。进路锁闭后，进路内的道岔不能再被操纵，与该进路敌对的其它进路就不能建立了。

（2）解锁进路

如果进路和进路的接近轨道区段处于空闲状态，那么控制中心发出取消进路指令，进路立即取消。

当列车接近进路时，若此时由于某种原因需取消进路，则取消进路的操作需延时生效，以确保即使列车冒进，此时进路仍处于锁闭状态，道岔不会转换，列车不会颠覆，不致产生危险。

3．3 道岔控制功能

（1）监测

全天候监控所有道岔的状态，道岔的状态信息反馈到人机会话层。如果发生列车挤岔等不正常情况，可由道岔检测设备反映到控制室，并给出声光报警。

（2）锁闭

道岔锁闭电路接收到控制中心送来的锁定道岔指令，对道岔进行锁闭操作，并返回一个锁闭成功或锁闭失败的状态信息给控制中心。根据需要还可以对每组道岔进行单独锁闭。

（3）错开道岔动作时间

只有当道岔区段空闲、道岔不在指定位置并未被锁定时，才能也才需要对道岔进行转换操作。为了消除操作多组道岔时瞬间电流过大的现象，联锁设备需要错开转辙机转动时间。

3．4 信号控制功能

信号控制功能负责监视轨旁信号状态，并依据进路、轨道区段、道岔和其它轨旁信号状态信息对其进行自动控制。当收到控制中心送来的信号更新指令时，则更新信号状态。

若进路建立的联锁条件得到满足，则点绿灯或黄灯或白灯（这三种灯光为允许行车灯光，其中绿灯和黄灯是列车运行时的允许灯光，白灯为调车情况下的允许灯光），表示进路在锁定状态；若进路建立的联锁条件不满足，则点红灯。如果信号开放后，由于某种原因条件又不满足，则信号自动关闭。直到条件满足后，在收到信号重新开放指令时，才重新点亮允许灯光。

3．5 进路自动设置功能

正常情况下，地铁中只需要开通某一固定进路。根据列车的目的地，进路自动设置功能在适当时间自动请求进路。进路自动设置功能有以下两种模式。

（1）根据列车时间表自动设置进路

根据当前列车识别号和列车位置，由当前时刻表设置进路。自动进路设置功能必须考虑时刻表定义的时间顺序；当进路或轨道电路发生变化时，此功能将检查等待列表，并发送一个请求信息。

（2）根据列车识别号自动设置进路

在某些降级模式下，虽然列车时刻表无效，但自动进路设置仍可根据列车识别号来确保，实际列车识别通过位于每个站台和正线车辆上的应答器来定义进路控制，设置适当的进路。

联锁逻辑和有关的输入、输出的控制及表示，若主要是由继电器来完成的，则称为继电集中联锁；主要由计算机来完成的就称为计算机联锁。

4 继电集中联锁和计算机联锁系统

4．1 继电集中联锁

继电集中联锁由继电器及其电路构成，6502电气集中联锁是继电集中联锁设备的突出代表。它是我国大铁路上使用最广、最具有代表性的联锁设备。电气集中联锁系统的人机会话层设备是专用控制台，控制台盘面上标有站场布置图 。

电气集中联锁系统的联锁机构由继电电路构成，继电电路能够较好地实现逻辑运算。用继电器断电失磁或后接点闭合来表达安全侧信息，具有故障－安全性能。

继电集中联锁电路监控层的控制电路也是由安全型继电器构成的。它除了满足联锁条件外，还控制信号灯泡和转辙机内电动机的动作电源。

继电集中联锁具有以下优点：逐段解锁，提高咽喉道岔使用率；对进路操纵只需按压两个进路按钮就能转换道岔，开放信号，而且不论进路中有多少道岔均能依次转换；组合式电路采用站场型，单元式电气集中，定型化组合，接插件连接，可适应批量化生产，它具有简化设计、加速施工、加速工厂预制和便于使用等特点。

但是继电集中联锁也存在如下缺点：控制台是专用产品，造价较高，兼容性差；无自诊断功能；设计、施工量大，且不利于维护；不利于增加新功能，并且信号设备室建筑面积大；无进路自动设置功能。

正因为存在以上缺点，大铁路上的继电集中联锁不能满足地铁运营的要求。地下铁路除了在车辆段有所运用外，正线上均采用计算机联锁。但不论是计算机联锁还是继电集中联锁，实现联锁的要求是完全相同的。

4．2 计算机联锁

计算机联锁不仅保持继电集中的优点，严密地继承了继电集中联锁的信号逻辑关系，而且对其不足之处作了改进，减少了继电器检修工作量和系统设计，同时便于和列车自动防护（ATP）设备及列车自动驾驶（ATO）设备接口，且便于对整个进路进行监督和管理。

计算机联锁系统人机会话层采用通用计算机人机接口设备，如鼠标器、图形输入板、键盘等，它价格便宜，使用灵活。

计算机联锁系统的联锁机构由计算机、接口和系统软件构成。

国际上保证计算机符合故障－安全原则的措施是采用带有结果比较的计算机2次处理和采用带有结果比较的多机并行处理，即一硬二软方案和一软多硬方案。

（1）一硬二软方案

输入数据经2块输入电路在一台计算机内经过2套彼此独立的程序处理，在正常无故障的情况下，2套程序处理结果相同，经2块输出电路，接点吸起，接通控制电路。在发生故障时，A、B程序处理结果不同，导致比较器电路输出为零，接点落下，切断控制电路的电源。由于联锁逻辑是故障－安全的，所以控制电路失电必然导致安全的结果。

（2）一软多硬方案

通常为二取二系统或三取二系统。

在正常情况下，2台相同的计算机对输入数据的处理结果是相同的，此相同的处理结果经比较器比较确认后，就使同步器的控制脉冲得以通过比较器，于是由输出电路给出控制命令。在发生故障时，双机处理结果不同，比较器通过同步器切断计算机处理过程，并锁住控制命令的发出；同时通过信号转换电路切断控制电流，并给出故障报警。2套计算机在空间上是分开的，可以用相同的程序，即所谓“一软二硬”。而三取二系统是三机并行，有二台计算机输出结果相同就给出输出命令。

若第一台计算机发生故障，则与其相关的比较器12、13、21、31都处于截止状态，比较器23、32导通，经或门A使计算机1的同步器不给出下一步的脉冲，计算机1停止工作。系统从三取二过渡到二取二，并不影响信号系统的使用。而二台计算机同时故障的概率极低，这样设备更安全可靠，从而大大地提高了行车效率。

5 结束语

国产计算机联锁系统主机采用了三冗余或双机双通道冗余控制技术。目前通号公司研究设计院研制的DS6－11型和DS6－20型、铁科院通号所研制的TYJL－II型和TYJL －TR9型等计算机联锁设备符合国家有关规定，允许在大铁上使用。但我国现有的计算机联锁系统，既无与国外地铁ATP、ATO系统成熟的接口，也无与自身相配套的ATP系统接口，因此目前还不能运用于地铁中。国外计算机联锁硬件设备比较完善，软件设计比较规范，都有与本身相配套的ATP系统，但它们要适合我国的铁路联锁及运输要求，软件必须进行修改，而且应由我国联锁专家参与，由于各国文化背景有别及对知识产权的不同理解，中外专家合作非常困难，另外对于引进设备还有售后服务和备品备件的供应问题。因此，借鉴国内外的最新技术，自主开发适合中国地铁信号系统的产品，是联锁计算机的发展方向。

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