計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)具有實時性、經(jīng)濟性、功能可擴展性的特點，成為車站進路自動化控制所使用的主要技術(shù)手段。該系統(tǒng)通過計算機程序?qū)φ緢鲈O(shè)備的工作狀態(tài)和操作人員操作指令進行邏輯運算，完成對信號機、道岔和進路的聯(lián)鎖及控制，保障列車在車站按照既定計劃安全通過或?？?。

隨著站場規(guī)模的擴大，車站作業(yè)情況更加繁雜，在這種情況下進行模塊化站場通信結(jié)構(gòu)、數(shù)字化建模對象、簡潔化計算機程序等方面的研究，對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)降本增效具有重要的意義。

謝保峰提出計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)具有可編程進路控制功能，以提高列車通過能力、快速運算更大容量信息的能力、信息響應(yīng)更快速實時的控制能力。王峰采用Java語言編寫了聯(lián)鎖控制軟件，提出在控制進路時使用進路搜索算法實現(xiàn)進路選擇。Fatih Mecito?lu基于面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，通過創(chuàng)建軟件庫來開發(fā)具有仿真、控制和監(jiān)視功能的車站信號控制系統(tǒng)。

采用標準建模語言（unified modeling language, UML）用例圖、類圖、順序圖、狀態(tài)圖等建模圖形來描述系統(tǒng)的動靜態(tài)元素及模型，以期客觀展現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制層的進路控制業(yè)務(wù)，提高系統(tǒng)設(shè)計模型的可讀性；嘗試使用Python語言來實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)進路控制的功能，并使用wxPython進行系統(tǒng)界面設(shè)計。

根據(jù)《鐵路車站計算機聯(lián)鎖技術(shù)條件》等規(guī)范，進行進路控制作業(yè)機理與規(guī)則分析，利用UML用例圖描述鐵路車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能，構(gòu)建鐵路車站聯(lián)鎖系統(tǒng)模型以及聯(lián)鎖設(shè)備對象屬性數(shù)據(jù)庫，設(shè)計信號機、道岔和軌道電路等聯(lián)鎖設(shè)備與絕緣節(jié)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系表，使用UML狀態(tài)圖描述進路建立和進路解鎖階段的動態(tài)模型，給出基于絕緣節(jié)坐標邏輯的聯(lián)鎖設(shè)備位置推斷算法。

1 鐵路車站面向?qū)ο蠼?/h1>

1.1鐵路車站聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

監(jiān)視和控制進路上相關(guān)設(shè)備按照一定約束和程序動作進而自動完成進路控制業(yè)務(wù)的設(shè)備分為室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備。信號機、道岔、軌道電路為主要室外設(shè)備，室內(nèi)設(shè)備主要為人機交互層、聯(lián)鎖控制層以及I/O接口層，如圖1所示。進路控制依靠信號機、道岔和軌道電路之間的聯(lián)鎖關(guān)系完成。

圖1 車站聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

人機交互層接收操作人員下達聯(lián)鎖命令，并實時顯示站場設(shè)備的位置和狀態(tài)。聯(lián)鎖控制層接收人機交互層的指令和來自I/O接口層所傳遞的關(guān)于室外設(shè)備的狀態(tài)信息，通過聯(lián)鎖機進行邏輯運算和發(fā)送控制指令。I/O接口層將電路板采集的繼電器電路工作狀態(tài)發(fā)送給聯(lián)鎖機，接收聯(lián)鎖機操作指令來驅(qū)動繼電器，進而控制電路的工作狀態(tài)。

1.2 進路控制作業(yè)機理與規(guī)則

進路控制分為進路建立和進路解鎖。進路建立是系統(tǒng)根據(jù)操作人員所下達的指令，邏輯推斷進路的類型（調(diào)車或列車進路）以及列車或車列行進方向（上行或下行、到達或出發(fā)），由進路選擇得到進路上相關(guān)信號機、道岔和軌道電路區(qū)段等信息。轉(zhuǎn)轍機將相關(guān)道岔轉(zhuǎn)換到進路所約束的狀態(tài)，確認道岔的位置無誤后將其鎖閉，使進路始端信號機開放允許燈光，保持指示列車或車列的運轉(zhuǎn)。

可將進路解鎖階段分為多種情形：①列車或車列未進入進路階段，可以取消進路或人工解鎖；②列車或車列進入進路階段，有正常解鎖和故障解鎖。其中，正常解鎖，即隨著列車或車列的向前并出清后方的軌道區(qū)段后，后方區(qū)段將自動分段解鎖至整條進路全部自動解鎖完畢。車站聯(lián)鎖的進路控制過程如圖2所示。

圖2 車站聯(lián)鎖的進路控制過程

1.3 系統(tǒng)功能

鐵路車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)具有顯示并記錄站場設(shè)備實時狀態(tài)和邏輯運算并控制站場設(shè)備狀態(tài)的功能。使用UML用例圖描述的聯(lián)鎖系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 UML系統(tǒng)功能用例圖

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的人機交互界面由元素圖標標識的鐵路站場設(shè)備圖、輸入/輸出文本框及進路控制業(yè)務(wù)功能等部分組成。選擇建立進路時，系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制層將接收到該指令，然后進行進路選擇等邏輯運算，并給I/O接口層發(fā)送相應(yīng)的操作指令。

若是需要進路解鎖，則選擇相應(yīng)功能按鈕，聯(lián)鎖控制層將會先根據(jù)站場設(shè)備狀態(tài)進行邏輯判斷再去指令解鎖。而且，在人機交互界面的鐵路站場設(shè)備圖中，可以顯示站場設(shè)備實時狀態(tài)，輸入/輸出文本框可以顯示當前操作結(jié)果。

1.4 鐵路車站面向?qū)ο蠼?/strong>

車站聯(lián)鎖系統(tǒng)是依靠正確地執(zhí)行進路控制來實現(xiàn)的，而進路控制又是依靠信號機、道岔和軌道電路之間的聯(lián)鎖關(guān)系來完成的。因此，將面向鐵路車站聯(lián)鎖系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制層及三大關(guān)鍵聯(lián)鎖設(shè)備對象分別命名為interlocking system（聯(lián)鎖系統(tǒng)）、signal（信號機）、point（道岔）、track circuit（軌道電路），并分別命名進路控制中的邏輯元素為joint（絕緣節(jié)）、route（進路）、subroute（子進路）。

signal指揮列車或車列在車站進路上運行，被設(shè)置在每段軌道區(qū)段始端，防護該段子進路。車站內(nèi)signal分為列車signal和調(diào)車signal，具有開放、關(guān)閉和滅燈3種狀態(tài)。在開放狀態(tài)時，允許列車或車列進入signal內(nèi)區(qū)段；在關(guān)閉狀態(tài)時，禁止列車或車列進入；在故障狀態(tài)時，signal必須滅燈。

signal處于開放狀態(tài)時有多種情形，進站signal的開放狀態(tài)為綠燈（列車通過）、黃燈（正線到達）、雙黃燈（側(cè)線到達）。出站兼調(diào)車signal的開放狀態(tài)為綠燈（允許列車出站）和月白燈（允許調(diào)車作業(yè)）。站內(nèi)signal關(guān)閉為定位狀態(tài)即默認工作狀態(tài)，如出站signal定位狀態(tài)顯示紅燈，調(diào)車signal則顯示藍燈。

point確保列車或車列能夠進入不同進路狀態(tài)，包括正常工作和非正常工作狀態(tài)。正常狀態(tài)中經(jīng)常開通的位置是定位，其他情況則為反位。非正常工作狀態(tài)是既不在定位也不在反位的四開狀態(tài)。

track circuit包括不含point的無岔區(qū)段track circuit和包含point的道岔區(qū)段track circuit，其狀態(tài)包括調(diào)整狀態(tài)、分路狀態(tài)和斷軌狀態(tài)。調(diào)整狀態(tài)即為無車占用，而有列車或車列占用時則為分路狀態(tài)。對象的命名及其對應(yīng)屬性見表1。

表1 對象命名及其對應(yīng)屬性

joint位于track circuit兩端，起絕緣作用。一般在出站信號機處設(shè)置joint，而joint之間是無岔區(qū)段或是含有point的道岔區(qū)段。為使聯(lián)鎖設(shè)備繼承絕緣節(jié)的坐標屬性，定義Joint作為基類。

基于進路控制作業(yè)機理，系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制層能夠?qū)崟r獲取三大設(shè)備對象的工作狀態(tài)、指令鎖閉和解鎖，由此設(shè)計了設(shè)備對象的功能和方法。UML類圖如圖4所示。

圖4 UML類圖

其中，currentState（id）表示可獲取對象當前工作狀態(tài)，setState（newstate，list）為進路建立階段根據(jù)指令將對象狀態(tài)屬性鎖定到newstate，在進路解鎖階段可使用unsetState（list）將設(shè)備對象恢復(fù)至默認工作狀態(tài)。利用設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系UML序列圖描述進路控制過程中有關(guān)設(shè)備對象的行為，如圖5所示。

在interlocking system的聯(lián)鎖控制層中，基于始終端signal與其父類joint之間的繼承關(guān)系，邏輯判斷signal所防護的route類型，即droute（調(diào)車進路）還是lroute（列車進路），若是lroute再作進一步類型判斷，結(jié)果包含ddroute（到達）、cfroute（出發(fā)）或tgroute（通過）。

在進路建立階段，使用currentState()方法對有關(guān)設(shè)備對象的工作狀態(tài)進行判斷，若該route同時滿足point未被鎖閉、track circuit空閑和signal conflicted（敵對信號機）當前未開放，則選擇該條route。當所排進路被確定時，利用方法setState()，將point轉(zhuǎn)換到規(guī)定的位置并鎖閉、切換track circuit的工作狀態(tài)并將敵對進路鎖閉，最后開放signal并顯示相應(yīng)的顏色和數(shù)目，以實現(xiàn)route setting。

進路解鎖階段，在列車或車列前進方向上，在其出清后方track circuit后，使用方法unsetState()關(guān)閉signal、解鎖track circuit即route，并將point恢復(fù)至定位，以完成route release。

圖5 UML進路控制序列圖

2 鐵路車站數(shù)字化

基于面向?qū)ο蟮慕＿^程，將室外設(shè)備對象signal、point、track circuit、joint、route的屬性和關(guān)系分別進行數(shù)字化建庫，以此為接下來的車站業(yè)務(wù)實例化提供數(shù)據(jù)庫，進而實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系。

2.1 設(shè)備對象屬性數(shù)據(jù)表

對象signal、point、track circuit、joint都有對應(yīng)的ID及name屬性。根據(jù)signal的顯示類別，設(shè)計狀態(tài)字段stateS。設(shè)定signal在開放綠燈時stateS為1、開放黃燈時為2、開放雙黃燈時為3、顯示白燈時為4、滅燈時為5。由于不同性質(zhì)的signal顯示的燈光顏色和數(shù)目不同，所以需設(shè)計性質(zhì)字段property。又由于信號燈所防護的進路分方向，所以需設(shè)計字段direction。

signal數(shù)字化建庫見表2。point的位置狀態(tài)用stateP標識，設(shè)定其處于定位狀態(tài)時，stateP取0；反位狀態(tài)時，取1；四開狀態(tài)時，取2。point數(shù)字化建庫見表3。stateTC代表track circuit的工作狀態(tài)，設(shè)定其調(diào)整狀態(tài)時，取值0；分路狀態(tài)時，取值1；斷軌狀態(tài)時，取2。track circuit數(shù)字化建庫見表4。為了在三大聯(lián)鎖設(shè)備之間建立位置上的關(guān)聯(lián)，數(shù)字化基類即設(shè)定PositionJx表示joint的坐標，以作為進路分析過程中邏輯推斷的依據(jù)。joint數(shù)字化建庫見表5。

表2 對象屬性表signallist

表3 對象屬性表pointlist

表4 對象屬性表trackcircuitlist

表5 對象屬性表jointlist

2.2 設(shè)備對象關(guān)系數(shù)據(jù)表

為避免列車或車列在敵對進路中發(fā)生正面或尾部撞車，signal、point、track circuit必須按照相關(guān)的程序以及制約條件進行聯(lián)鎖。joint的坐標對聯(lián)鎖設(shè)備構(gòu)成了位置上的約束，因此首先分別數(shù)字化joint與signal、point、track circuit聯(lián)鎖設(shè)備間的關(guān)系。

根據(jù)signal與joint的對應(yīng)關(guān)系（表6）表jslist，若選排進路上包含某joint，則通過jslist可找到該進路上相關(guān)的signal。當point處于定位時，道岔區(qū)段始末端對應(yīng)兩個joint，分別是jIDStart和jIDEnd；而point處于反位時，對應(yīng)另一對jIDStart和jIDEnd，由此建立jplist關(guān)系表（表7）。

若作業(yè)所選排進路上包含道岔區(qū)段的jIDStart、jIDEnd，則通過jplist可推斷該道岔區(qū)段的point處于定位還是反位。由各個track circuit始末端對應(yīng)兩個joint，建立jtclist關(guān)系表（表8），通過jtclist可找到該進路上相關(guān)的track circuit。

表6 joint與signal的位置約束關(guān)系表

表7 joint與point的位置約束關(guān)系表

表8 joint與track circuit的位置約束關(guān)系表

route為列車走行的路徑，包括lroute（列車進路）和droute（調(diào)車進路）。每條route的始端有一架signal防護進路；route由至少一段的track circuit組成，且包括含有point的track circuit。lroute數(shù)字化庫見表9，記錄了車站作業(yè)所排每一條列車進路上相關(guān)設(shè)備的ID及其聯(lián)鎖關(guān)系。

表9 對象屬性表lrlist

3 鐵路車站業(yè)務(wù)實例化

3.1 鐵路車站示例

一個單線雙向半自動閉塞的小型鐵路車站的信號設(shè)備平面布置示意圖如圖6所示，圖中圓圈序號代表signal的ID，三角序號代表track circuit的ID，序號代表point的ID。

圖6 鐵路車站信號設(shè)備平面布置示意圖

依據(jù)此示例，將鐵路車站對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中聯(lián)鎖控制層的進路業(yè)務(wù)程序?qū)嵗?/p>

3.2 進路業(yè)務(wù)實例化

構(gòu)建進路建立和進路解鎖業(yè)務(wù)的動態(tài)模型，使用UML狀態(tài)圖描述，依此模型編寫Python程序。

1）進路業(yè)務(wù)的動態(tài)建模

進路建立階段的動態(tài)模型如圖7所示。首先記錄起止端signal的ID即myslist，查詢數(shù)據(jù)庫中jslist表所對應(yīng)joint的ID，根據(jù)對應(yīng)的jID推斷route的xors（上下行方向）及其類型0（到達）、1（出發(fā)）或2（通過）。

圖7 UML進路建立狀態(tài)圖

由于joint對point和track circuit有位置約束，方法
panduanjinluxiangguanshebei（slist）獲得與該route相關(guān)的設(shè)備ID，即pID和tcID。方法panduanzhuangtai（id）將route中相關(guān)設(shè)備ID的列表放在數(shù)據(jù)庫中，以檢驗設(shè)備的實時狀態(tài)是否滿足進路建立的條件。

若滿足，則在方法startSet（routename，target1，target2，target3）中實現(xiàn)進路鎖閉并完成進路建立。方法panduanjinlumingcheng（jid，sid，pid，tcid，xors）推斷routeName，并在表9中將所有routeName行數(shù)字化激活。

進路解鎖階段的動態(tài)模型如圖8所示。記錄需要解鎖的進路得到routenamelist，先判斷該進路是否處于激活狀態(tài)，連接數(shù)據(jù)庫的表9找到對應(yīng)的routeName行，獲取stateRoute值，若該值為1，則記錄相關(guān)設(shè)備的ID列表，即listSet，分別在表2—表4中對應(yīng)設(shè)備對象ID，利用方法unsetRoute()將設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)至其定位狀態(tài)，同時恢復(fù)該route至未激活狀態(tài)，即stateRoute值取0，完成解鎖工作。

圖8 UML進路解鎖狀態(tài)圖

2）基于面向?qū)ο蟮臉I(yè)務(wù)實現(xiàn)

基于絕緣節(jié)的坐標positionJx，可以查詢與route相關(guān)的三大聯(lián)鎖設(shè)備的ID，即sid、pid、tcid，從而在Signal類、Point類、TrackCircuit類中進行對象狀態(tài)設(shè)置，也可以在表2—表4中進行對象狀態(tài)獲取。因此，關(guān)于由絕緣節(jié)的坐標邏輯推斷三大聯(lián)鎖設(shè)備位置的算法是核心內(nèi)容，程序偽碼如圖9所示。

圖9 判斷進路相關(guān)設(shè)備的算法

變量start-signal和end-signal代表著起始信號機和終止信號機的ID。查詢jslist關(guān)系表可得到對應(yīng)位置的jid[0]和jid[-1]。由于track circuit兩端對應(yīng)兩個joint，每處joint有一架signal，所以基于joint的坐標查找和記錄start-signal與end-signal之間所有與進路相關(guān)的joint及其對應(yīng)的signal、track circuit的ID，得到j(luò)id、sid和tcid列表。

4 系統(tǒng)運行測試與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)運行測試

車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的人機交互界面如圖10所示，共有5項業(yè)務(wù)功能選項：①排列車進路；②排調(diào)車進路；③解鎖列車進路；④取消列車進路；⑤車站狀態(tài)查詢。

圖10 人機交互界面

以排下行接車至1股道為例，說明聯(lián)鎖控制層執(zhí)行建立列車進路業(yè)務(wù)流程：當前處于待排進路狀態(tài)，收到起始信號機sid為1、終止信號機sid為3的進路請求，連接jslist關(guān)系列表查詢對應(yīng)位置的jStartID=2和jEndID=3，對應(yīng)的position（坐標）分別為100和300，通過邏輯判斷出列車運行方向為下行，進路上相關(guān)的設(shè)備ID是，tcID為1和5、pID為1以及signalID為1，所以根據(jù)聯(lián)鎖程序。

先在表3中將ID為1的stateP轉(zhuǎn)換至1（反位）并鎖定，再在表4中將ID為1和5的stateTC更新至1（分路狀態(tài)）并鎖閉，最后在表2中將ID為1的stateS開放且顯示3（雙黃燈）；同時根據(jù)表2判斷終端信號機X1的類型是出站信號機，推出進路名稱為1xdd（下行1股道到達），再在表9中數(shù)字化激活該stateRoute以作標識。進路建立如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)建立1xdd列車進路的測試結(jié)果

以解鎖1股道下行接車進路為例，說明聯(lián)鎖控制層解鎖列車進路業(yè)務(wù)流程：系統(tǒng)當前處于待解鎖進路狀態(tài)，收到交互層解鎖指令，連接表9，由routeName判斷該進路處于激活狀態(tài)，然后根據(jù)查詢到的相關(guān)設(shè)備ID：tcID為1和5、pID為1以及signalID為1，同樣根據(jù)聯(lián)鎖程序，先在表2中將ID為1的stateS關(guān)閉且顯示0（紅燈），再在表4中將ID為1、5的stateTC更新至0（調(diào)整狀態(tài)），最后在表3中將ID為1的stateP轉(zhuǎn)換至0（定位）；同時在表9中恢復(fù)該route至未激活，完成解鎖動作。進路解鎖如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)解鎖1xdd列車進路的測試結(jié)果

4.2 結(jié)果分析

判斷鐵路車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是否安全可靠，就要確保其他列車或車列不會從正面、尾部或側(cè)面闖入該進路而發(fā)生撞車事故。因此，需要根據(jù)該鐵路車站模型繪制聯(lián)鎖表，并在系統(tǒng)中進行逐一測驗。表10所示是本文鐵路車站模型的列車進路聯(lián)鎖表。

表10 列車進路聯(lián)鎖表

為了敘述方便，假設(shè)車站下行方向是指北京方向至天津方向。

當兩條進路存在共用道岔或是共用股道時，會存在敵對或是抵觸關(guān)系，在同一咽喉區(qū)中，對向重疊的列車進路、順向或是對向重疊的列車和調(diào)車進路、對向重疊的調(diào)車進路之間存在敵對關(guān)系；迎面咽喉區(qū)中，同一到發(fā)線上對向的列車與列車進路、同一到發(fā)線上對向的列車與調(diào)車進路、信號機設(shè)在侵限絕緣處時禁止同時開放的進路構(gòu)成敵對進路。

以“當同一到發(fā)線上對向的列車進路與調(diào)車進路構(gòu)成敵對關(guān)系”為例。鍵入編號1、3排下行接車至1股道的列車進路，再鍵入編號2、8排停車至1股道的調(diào)車進路，得到系統(tǒng)提示：“No.1股道正被占用，請稍后再排！”如圖13所示，說明該系統(tǒng)能夠準確可靠地判斷敵對進路。

圖13 當列車進路與調(diào)車進路構(gòu)成敵對時的系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)論

基于UML描述鐵路車站面向?qū)ο髷?shù)字化建模過程；定義絕緣節(jié)作為基類，使三大聯(lián)鎖設(shè)備對象能夠繼承其坐標屬性；利用Python程序?qū)嵗?lián)鎖控制層中進路控制業(yè)務(wù)模型；使用數(shù)據(jù)庫模擬I/O接口層信息的輸入輸出；基于wxPython設(shè)計人機交互層可視化界面。

其中，在進路建立階段，系統(tǒng)能夠根據(jù)操作人員的指令，準確快速地查詢對應(yīng)絕緣節(jié)的坐標，進一步邏輯推斷出進路的類型、進路的方向及進路的相關(guān)設(shè)備等信息；在進路解鎖階段，同樣基于父類絕緣節(jié)的坐標屬性，最終成功實現(xiàn)解鎖業(yè)務(wù)。

在系統(tǒng)測驗時，是通過聯(lián)鎖表仿真部分重要的進路作業(yè)進行結(jié)果測評的，缺少說服力。因此，在今后的學(xué)習(xí)研究中，將繼續(xù)改進該系統(tǒng)，使其能夠被放入模型檢驗工具當中，以證明它所建立的每條進路都是安全可靠的。