计算机硕士毕业论文：CTCS-3级全电子计算机联锁系统研究

第一章 绪论

1.1 研究背景
车站联锁控制系统对于车站信号而言是最根本的存在，而继电联锁装置是以布线逻辑为基础的设备，其自 1927 年问世以来沿用了 70 年。计算机技术不断进步，车站联锁技术也在不断升级。其始于 1978 年的瑞典歌德堡站，80 年代的时候世界各国开始研发计算机联锁系统，而后 90 年代该体系逐步在许多国家被广泛推广和使用，如英国、日本等发达国家已经由计算机联锁取代继电联锁。我国计算机联锁的研制始于 1983 年，首先用于路外。研发了可以在地面厂矿铁路使用的计算机联锁设备，且在 1986 年的 7月时被应用于太原钢铁厂配料站。
在我国铁路主线及干线的使用是开始于卡斯柯信号有限公司，该公司使用的是设备是美国通用铁路信号公司引进的，基于此与我国铁路现实运营技术相结合研发成功了名为 VPI 的安全性计算机联锁体系。其自问世以来首次被广深线的红梅站使用并在 1991年 11 月正式启动。它开创了计算机联锁技术在我国成功运用的先河。自此之后，全国各地相关单位也在此基础上研发出了适合自身环境的计算机联锁设备。铁道科学研究院铁路使用的计算机联锁体系是基于峰尾微机研发的，首次被使用于 1993 年 10 月开通的哈尔滨平房站。通号公司开发的车站计算机联锁控制体系第一次被使用是在南京分局浦口站到发场路段。这二十多年来，据不完全统计全路已有两千多个车站使用各种计算机联锁设备。
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1.2 研究的意义
在 CTCS-3 级列控系统中，计算机联锁系统做为其子系统可以增强铁路行车安全性、提高运输能力。现今国内全电子计算机联锁系统迅速成长，其可靠性、安全性都较传统计算机联锁系统有很大提高，但在 CTCS-3 级客运专线中暂时没有大规模的采用，所以全电子计算机联锁必然成为我国 CTCS-3 级客运专线的发展趋势。另外，目前正在推广的 CTCS-3 级列控系统，原型来自于欧洲的 ETCS-2 级，而 ETCS-2 的联锁技术条件与国内既有联锁技术条件相差甚远，均与既有联锁技术条件不相容。因此就要对既有联锁技术条件进行修改，而每一条的修改又都可能会引起整个联锁逻辑关系的重大变化。
综上，适应 CTCS-3 级列控系统下联锁技术条件的新特征，大力开展全电子计算机联锁在 CTCS-3 级列控体系仿真工作，不但能够提高设计及调试的效率，还可以对整个联锁体系进行检测，从而提升了系统自身的可靠及安全性，降低了设备发生故障的几率，为以后高速客运专线上运用全电子计算机联锁奠定基础。除此之外，为仿真教学提供了很好的平台。
本文分析研究了 CTCS-3 级计算机联锁系统的新技术条件和系统需求规范，结合兰州交通大学研制的全电子执行单元描述了 CTCS-3 级下全电子计算机联锁仿真系统的结构和模块划分，并给出了各模块的具体设计方案，利用 Visual C++ 6.0 开发环境实现了监控机和联锁机的软件开发。
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第二章 计算机联锁系统

2.1 传统计算机联锁系统
车站联锁控制系统以其核心部分的功能及放置位置的不同作为出发点，该体系的层次结构如图 2.1 所示。
人机会话层：工作人员利用操作设备对监控机录入操作信息并对系统输出的信号设备的运营情况的一系列信息进行接收。该监控机放置在车站值班室内。
联锁运算层：它是联锁控制体系的心脏。其不仅需要接收监控机发出的操作指令，还需要接收监控层的反应信号机、道路岔口及各轨道的运营情况等诸多内容。它通过接收的操作指令、运营信息和联锁机内部的实时信息对其进行相应的逻辑处理，并反馈正确的输出信息，也就是信号和道岔控制指令。联锁运算层设备（联锁机）设置在车站信号楼机械室内。
监控层：联锁运算层与现场各个监控对象之间的执行部分。完成控制命令的输出，即通过接收联锁机的控制命令控制信号显示以及道岔转换；完成表示信息的输入，将信号、道岔、轨道电路的状态信息送给联锁机。
全电子计算机联锁系统与原计算机联锁系统的不同之处在于它是用全电子化模块取代原计算机联锁系统的继电执行电路，这些电子执行模块统称为全电子执行单元。系统中监控机和联锁机基本相同。
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2.2 全电子计算机联锁系统
全电子计算机联锁仿真体系的全电子执行单元是通过该体系的执行表示电路实现的。全电子执行单元采用全电子电路，根据信号机、轨道电路和道岔（转辙机）等不同类型的控制和采集对象，设计成完全独立的单元模块，包括道岔模块、信号模块、轨道模块、场间联系模块（简称场联模块）等。
道岔模块是替代原有四线制道岔控制表示电路(可取代 DCJ、FCJ、1DQJ、2DQJ、DBJ、FBJ、SJ)，执行由联锁机下发的控制命令，直接控制道岔（转辙机）的转动。
轨道模块是替代原二元二位继电器来实现轨道电路的接收功能，从而对轨道信号电流成功接收，并立即将其进行状态检测后的信息反馈到联锁机。
用计算机技术、通信技术、电力电子开关技术，研制开发能够将智能、控制、检测、监督集一体的多元化模块，并结合一定制式的联锁机共同组成全电子计算机联锁体系，是我国轨道交通信号系统的发展趋势。
考虑到列车在时速 350km/h 的高速运行下，列车制动走形距离和 GSM-R 与 RBC 中断导致 RBC 收不到有效列车信息等情况，正线上接近锁闭区段设置成 7 个闭塞分区。进站信号机外方第一接近区段直接采集该轨道继电器准柜台，其他接近区段状态由列控系统直接传送给联锁系统。
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第三章 全电子计算机联锁系统.........................................10
3.1 系统的结构划分..............................................10
3.2 监控机子系统模块划分...........................................10
3.2.1 人机界面显示模块..............................................11
3.2.2 操作输入及操作命令形成模块...................................11
3.3 联锁机子系统模块划分...........................................12
3.3.1 操作命令执行模块.............................................13
3.3.2 进路处理模块................................................13
3.3.3 实时调度模块................................................14
第四章 监控机研究设计............................................15
4.1 监控机软件...................................................15
4.1.1 开发环境...................................................15
4.1.2 监控机软件特点............................................15
4.1.3 监控机软件开发流程.........................................16
4.2 监控机功能实现..............................................16
4.2.1 站场图形界面显示..........................................17
4.2.2 操作输入及操作命令形成....................................24
4.2.3 报警功能..................................................27
第五章 联锁软件的开发..........................................28
5.1 联锁数据及其数据结构........................................28
5.1.1 静态数据及其结构..........................................28
5.1.2 动态数据结构.............................................32
5.2 联锁控制程序..............................................32
5.2.1 操作命令执行.............................................33
5.2.2 进路处理.................................................39
5.2.3 实时调度程序..............................................47
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第六章 系统内部之间的通信

6.1 监控机与联锁机之间的通信
TCP/IP 网络环境里，客户机/服务器(client/server)模式是系统化中相互作用的两个进程间的核心模式，简言之，使用者对服务器发出需求，服务器将其完整接收后，根据需求给出对应的服务。在该仿真体系里，监控机作为客户机，联锁机作为服务器。
Windows Socket 在网络平台里是完成网络程序比较简单的一种，其和网络驱动级应用两大程序向联接。Socket 将对应程序转至驱动程序的同时将其传送到网络终端，计算机获取与之捆绑一起的 IP 地址、端口后相联系的数据后，经驱动程序再转给 Socket此时应用程序就能够成功获取所需要的数据信息。套接字即 Socket 囊括了非常丰富的函数，因此可以使程序员编写速率大大提高，在不同网络环境中也增加了其安全可靠性。
流式套接字主要适用于连接的数据传输，它可以把数据依照顺序准确无误、依次地发送到目的地，采用传输控制协议(TCP)。而数据报套接字提供的是一种无连接的数据包通信方式，传递的数据包是否被使用者接收、是否依照既定顺序被接收都是不能够保证的，这种方式是非常不准确的。本仿真系统中需要发送大量数据，且发送的数据按顺序无重复地到达接收方，因此本仿真系统中采用流式套接字的通信方式。
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结论

(1) 设计了 C3 级全电子计算机联锁系统的整体结构，采用模块化的设计思想对联锁仿真子系统的总体结构进行设计和模块划分，对各模块进行功能需求分析，并给出了软件设计方案；
(2) 利用 VC++开发环境对系统的监控机、联锁机部分进行了软件开发，将信号机、道岔、轨道区段设计成标准模块，通过调用标准模块搭建完整的站场图。对具体的信号机、道岔、轨道区段静态图形的定义进行了阐述，并通过 VC++中的图形设备接口 GDI转化成特定设备的调用来完成站场设备图形的配置，最后通过联锁机联锁程序周期性的刷新上传设备状态信息，实现站场图形的实时显示；
(3) 讨论了站场型数据数据结构的建立方法，提出了一种新的无往返进路搜索算法，避免搜索出迂回进路和往返搜索，经验证大大提高了搜索效率，分析了轨道区段进路分段解锁方式，对三点检查法解锁流程进行细致说明，详细给出了该算法的实现过程，实现了进路处理各模块的功能；
(4) 分成两部分讨论了监控机与联锁机之间、联锁机与执行单元之间的通信方式。在监控机与联锁机之间，采用流式套接字这种适用于连接的数据传输方式，联锁机与执行单元之间采用双通道全双工 CAN 总线传输和双总线工作机制，实现整个联锁系统的联调，达到了预期结果。

参考文献（略）