摘要：铁路安全控制和防护系统是为保证铁路运输安全而诞生和发展，它在保证行车安全的前提下要为提高铁路运输效率起保障作用，铁路车站信号联锁系统是铁路信号系统的重要组成部分。铁路车站信号联锁逻辑形式化，不管是研发计算机联锁软件，还是测试联锁软件，其本身都极为关键。但是这种逻辑非常繁琐，要实现形式化建模是一项系统性的工作。在微电子技术普及的现在，为了能够全面提升铁路车站信号联锁系统运行效率，逐渐开始以计算机联锁系统代替电联锁设备。
关键词：铁路信号；联锁逻辑形式化；建模
铁路信号的根本功能是保障列车运行安全、提高运输效率，车站联锁系统是铁路信号的核心技术装备，它通过对信号机、道岔和进路的控制来指挥行车、防止列车冲突。随着计算机联锁系统的应用推广，联锁系统对软件的依赖性越来越强，提高联锁软件的质量、确保系统安全是近年来轨道交通领域研究的热点问题。联锁系统安全规范的严格描述与验证对保障软件开发质量具有重要意义。
一、铁路信号联锁系统
现代联锁系统是以色灯信号机、动力转辙机和轨道电路作为室外三大基础设备，以电气设备或电子设备是实现联锁功能以及采取集中控制方式对信号机和道岔进行控制的系统。联锁的基本内容是：防止建立两条会导致机车车辆相撞的进路，即敌对进路；必须使列车或调车车列经过的所有道岔均处于与进路开通方向相符的位置；必须使信号机的显示与所建立的进路相符合。联锁控制功能主要包括进路控制；信号开放、关闭；道岔单独操作、锁闭、解锁。联锁系统必须满足故障一安全原则。当设计者把系统设计成在任何部分发生故障及系统处于任何可能的外界环境中时系统的输出均处于安全状态安全侧，那么就可以说该系统设计成了故障一安全的。具体到联锁系统，包括功能安全，即系统在无故障地正常工作中用保证行车安全的功能；技术安全，即系统发生故障后其后果仍能导致行车安全。
二、铁路信号联锁逻辑Petri 网结构
层次有色Petri 网，即HCPN，是体现了层次结构的有色Petri网，其中包含了若干个非层次有色Petri 网。层次化有色Petri 网主要研究是将多个HCPN 模型进行整合，使其成为更大规模的模型，为大规模、复杂系统描述工作提供支持。层次Petri 网概念的提出与形成，与高级Petri 网相比前者较晚，当前主要使用的结构、方式类似于现代化高级程序设计语言所使用的层次、模块结构与方法。HCPN 内，变迁主要分为源变迁与替代变迁两种。其中替代变迁可以使用CPN 代替，一般是对变迁结构与机理进行描述。具体定义为层次有色Petri 网是一多元组，HCPN=（S，SN，SA，PN，PT，PA，FSPS，FT，PP）。具体体现了如下要求：a.S 为有限页集合，并且满足如下要求：∀s∈S，其中s 为CPN，s=（Σs，Ps，Ts，As，Ns，Cs，Gs，Es，Is）；∀s1，s2∈S：[s1≠s2]（Ps1∪Ts1∪As1）∩（Ps2∪Ts2∪As2）=U]；b.SN⊆T，其本身是由替换节点构成；c.SA 为页指派函数。即SA：SN→S，{s0s1…sn∈S*，U∈N+∧s0=sn∧k∈1…n：sk∈SA（SNSk-1）}=φ；d.PN⊆P 是全部端口节点构成的集合；e.PT 为端口类型函数。即PT：PN→{in，out，i/o，general}；f.PA 为端口指派函数，可以在1、2 元关系中反映SN，满足如下要求：插口节点和端口节点二者关联，即∀t∈SN：PA（t）⊆X（t）×PNSA（t）；插口节点准确性比较高的种类为：∀（p1，p2）∈PA（t）：[PT（p2）≠general]ST（p1，t）=PT（p2）]；相关联的节点颜色集与初始化表达式均相同，即∀t∈SN∀（p1，p2）∈PA（t）：[C（p1）=C（p2）∧I（p1）<>=I（p2）<>]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆g.FSPS 为有限熔合集，在一个熔合集内所有元素均为一个颜色集，且初始化表达式相同，∀fs∈FS：∀p1，p2∈fs：[C（p1）=C（p2）∧I（p1）<>=I（p2）<>]；h.FT 为熔合函数，可以在集合中反映熔合集：{global，page，instance}，其中page 与instance 熔合集在相同的一页，也就是满足：∀fs∈FS：[FT（fs）≠global s∈S：fs Ps]；i.PP∈SMS，为主页多重集。
三、铁路信号联锁逻辑形式化建模
1、信号联锁逻辑属性与特征。铁路中的车站信号联锁系统，主要作用是对行车安全进行保护，通过现代化技术达到进路控制或者联锁的目的。针对系统功能，联锁系统中包含了信号机控制技术、道岔控制技术、进路空闲检测技术、联锁技术、故障-安全技术等。车站技术在实际作业期间，主要被分为列车作业与调车作业。但是不管是其中任何一种，都需要从一个指定地点向另外一个指定地点运行。列车车列位于两点之间的线路空间为进路，所以对车站列车操作与调车操作的安全性进行保证，其实也是在进路范围内对列车、调车车列运行安全提供保障。要想实现这一目的，会在进路入口位置，也就是进路始端放置防护信号机设备。一般铁路车站中线路比较多，线路两端分别连接道岔。按照道岔位置不同可以构成相应的进路，列车与车列是否可以顺利进行到进路，主要是通过信号机来实现。若信号机中所显示信号为指示列车、车列进入股道，但是道岔开通位置却是在另外的股道，便会导致行车事故。鉴于此，为了保证安全，需要充分发挥信号机、进路、道岔的制约关系，也就是所谓的联锁。此外便需要建立进路，将进路中道岔转换至进路指定的位置，随后再开放进路防护信号机。如果道岔位置错误，那么信号机开放则会显示失败。若信号机开放，进路中的道岔就不能随意变换位置，一直到信号机关闭为止，这也就是信号机与道岔的联锁关系。信号机与信号机、道岔与进路、进路与进路、进路与信号机多个主体之间均有联锁关系。
2、建模。铁路信号系统联锁逻辑关系的形成，与其本身的复杂性、车站规模、车站作业种类、车站地理环境等因素有非常紧密的关系。如果规模较小、作业形式单一，并且地理环境简单，那么信号联锁逻辑也就相应比较简单，如果规模较大，作业形式和地理环境繁琐，那么信号联锁逻辑也就相应比较复杂。使用Petri网来描述这一类联锁逻辑形式化，即便是应用CPN 也无法解决模型结构复杂性的问题。所以，可以使用HCPN，展开分层次形式化描述。
第一，根据系统结构基础理论，铁路信号系统所呈现的特征，对车站信号系统内联锁逻辑关系层次结构进行抽象概括，对于各个层面中联锁实体，组建HCPN 模型。第二，按照HCPN 基础理论，针对同层应用的实体HCPN 模型，将其整合之后形成模型。第三，针对全部HCPN 模型整合之后便可以形成联锁系统HCPN 模型。在铁路信号系统内部，信号机、道岔、轨道区段并非只有联锁关系，还有其运行规律。车站信号系统联锁逻辑形式化建模，主要目的是更加精准的通过形式化模式将联锁设备变化规律、联锁设备的联锁逻辑关系进行呈现。基于此，可以将车站信号联锁系统划分层次，第一层是联锁设备层，第二层是联锁设备的联锁逻辑关系层。为了更好的理解以上理论，主要通过某轨道区段案例的方式，对联锁设备层HCPN 建模进行分析。进路轨道区段最为常见的状态是“空闲”，一般以“S-Empty”代表。一旦出现故障，这时轨道区段会变更为“故障”状态，以“S-Fault”代表。根据车站信号联锁系统选排进路的具体形式，其中一个进路中的轨道区段，建立进路期间也包含了“预选”“锁闭”两个状态，以“S-Selected”“S-Locked”代表。区段状态的改变和联锁逻辑关系层传递的联锁命令，和带有联锁关系、联锁设备的列车行驶状态之间的关系非常紧密，区段状态也会对区段带有联锁关系的联锁设备状态造成影响。所以，轨道区段HCPN 模型内，也要具备输入（In）与输出（Out）两个标签库所，以“Incoming”“Outgoing”代表。
结束语：
铁路信号联锁逻辑控制电路入手，结合站场图，重点分析了信号开放控制、四线制道岔控制电路、进路建立和分段解锁等联锁关键环节，铁路信号联锁逻辑系统非常繁琐，为了使铁路信号联锁设备运行更为流畅，铁路信号联锁逻辑形式化建模非常必要，可以提高大规模形式化模型的清晰性。
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论文作者:李强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：联锁论文; 进路论文; 信号机论文; 系统论文; 道岔论文; 逻辑论文; 信号论文; 《基层建设》2019年第7期论文;