計算機聯鎖系統具有實時性、經濟性、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手段。該系統通過計算機程序對站場設備的工作狀態和操作人員操作指令進行邏輯運算，完成對信號機、道岔和進路的聯鎖及控制，保障列車在車站按照既定計劃安全通過或停靠。

隨著站場規模的擴大，車站作業情況更加繁雜，在這種情況下進行模塊化站場通信結構、數字化建模對象、簡潔化計算機程序等方面的研究，對計算機聯鎖系統降本增效具有重要的意義。

謝保峰提出計算機聯鎖系統應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、信息響應更快速實時的控制能力。王峰采用Java語言編寫了聯鎖控制軟件，提出在控制進路時使用進路搜索算法實現進路選擇。Fatih Mecito?lu基于面向對象的編程技術，通過創建軟件庫來開發具有仿真、控制和監視功能的車站信號控制系統。

采用標準建模語言（unified modeling language, UML）用例圖、類圖、順序圖、狀態圖等建模圖形來描述系統的動靜態元素及模型，以期客觀展現系統邏輯控制層的進路控制業務，提高系統設計模型的可讀性；嘗試使用Python語言來實現計算機聯鎖系統進路控制的功能，并使用wxPython進行系統界面設計。

根據《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》等規范，進行進路控制作業機理與規則分析，利用UML用例圖描述鐵路車站計算機聯鎖系統的功能，構建鐵路車站聯鎖系統模型以及聯鎖設備對象屬性數據庫，設計信號機、道岔和軌道電路等聯鎖設備與絕緣節之間的關聯關系表，使用UML狀態圖描述進路建立和進路解鎖階段的動態模型，給出基于絕緣節坐標邏輯的聯鎖設備位置推斷算法。

1 鐵路車站面向對象建模

1.1鐵路車站聯鎖系統的結構

監視和控制進路上相關設備按照一定約束和程序動作進而自動完成進路控制業務的設備分為室內設備和室外設備。信號機、道岔、軌道電路為主要室外設備，室內設備主要為人機交互層、聯鎖控制層以及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鎖關系完成。

圖1 車站聯鎖系統結構

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

1.2 進路控制作業機理與規則

進路控制分為進路建立和進路解鎖。進路建立是系統根據操作人員所下達的指令，邏輯推斷進路的類型（調車或列車進路）以及列車或車列行進方向（上行或下行、到達或出發），由進路選擇得到進路上相關信號機、道岔和軌道電路區段等信息。轉轍機將相關道岔轉換到進路所約束的狀態，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。

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段后，后方區段將自動分段解鎖至整條進路全部自動解鎖完畢。車站聯鎖的進路控制過程如圖2所示。

圖2 車站聯鎖的進路控制過程

1.3 系統功能

鐵路車站計算機聯鎖系統應具有顯示并記錄站場設備實時狀態和邏輯運算并控制站場設備狀態的功能。使用UML用例圖描述的聯鎖系統功能如圖3所示。

圖3 UML系統功能用例圖

計算機聯鎖系統的人機交互界面由元素圖標標識的鐵路站場設備圖、輸入/輸出文本框及進路控制業務功能等部分組成。選擇建立進路時，系統的聯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接口層發送相應的操作指令。

若是需要進路解鎖，則選擇相應功能按鈕，聯鎖控制層將會先根據站場設備狀態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備圖中，可以顯示站場設備實時狀態，輸入/輸出文本框可以顯示當前操作結果。

1.4 鐵路車站面向對象建模

車站聯鎖系統是依靠正確地執行進路控制來實現的，而進路控制又是依靠信號機、道岔和軌道電路之間的聯鎖關系來完成的。因此，將面向鐵路車站聯鎖系統的聯鎖控制層及三大關鍵聯鎖設備對象分別命名為interlocking system（聯鎖系統）、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）、route（進路）、subroute（子進路）。

signal指揮列車或車列在車站進路上運行，被設置在每段軌道區段始端，防護該段子進路。車站內signal分為列車signal和調車signal，具有開放、關閉和滅燈3種狀態。在開放狀態時，允許列車或車列進入signal內區段；在關閉狀態時，禁止列車或車列進入；在故障狀態時，signal必須滅燈。

signal處于開放狀態時有多種情形，進站signal的開放狀態為綠燈（列車通過）、黃燈（正線到達）、雙黃燈（側線到達）。出站兼調車signal的開放狀態為綠燈（允許列車出站）和月白燈（允許調車作業）。站內signal關閉為定位狀態即默認工作狀態，如出站signal定位狀態顯示紅燈，調車signal則顯示藍燈。

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

track circuit包括不含point的無岔區段track circuit和包含point的道岔區段track circuit，其狀態包括調整狀態、分路狀態和斷軌狀態。調整狀態即為無車占用，而有列車或車列占用時則為分路狀態。對象的命名及其對應屬性見表1。

表1 對象命名及其對應屬性

joint位于track circuit兩端，起絕緣作用。一般在出站信號機處設置joint，而joint之間是無岔區段或是含有point的道岔區段。為使聯鎖設備繼承絕緣節的坐標屬性，定義Joint作為基類。

基于進路控制作業機理，系統的聯鎖控制層能夠實時獲取三大設備對象的工作狀態、指令鎖閉和解鎖，由此設計了設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，setState（newstate，list）為進路建立階段根據指令將對象狀態屬性鎖定到newstate，在進路解鎖階段可使用unsetState（list）將設備對象恢復至默認工作狀態。利用設備聯鎖關系UML序列圖描述進路控制過程中有關設備對象的行為，如圖5所示。

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

在進路建立階段，使用currentState()方法對有關設備對象的工作狀態進行判斷，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轉換到規定的位置并鎖閉、切換track circuit的工作狀態并將敵對進路鎖閉，最后開放signal并顯示相應的顏色和數目，以實現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()關閉signal、解鎖track circuit即route，并將point恢復至定位，以完成route release。

圖5 UML進路控制序列圖

2 鐵路車站數字化

基于面向對象的建模過程，將室外設備對象signal、point、track circuit、joint、route的屬性和關系分別進行數字化建庫，以此為接下來的車站業務實例化提供數據庫，進而實現聯鎖關系。

2.1 設備對象屬性數據表

對象signal、point、track circuit、joint都有對應的ID及name屬性。根據signal的顯示類別，設計狀態字段stateS。設定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。由于不同性質的signal顯示的燈光顏色和數目不同，所以需設計性質字段property。又由于信號燈所防護的進路分方向，所以需設計字段direction。

signal數字化建庫見表2。point的位置狀態用stateP標識，設定其處于定位狀態時，stateP取0；反位狀態時，取1；四開狀態時，取2。point數字化建庫見表3。stateTC代表track circuit的工作狀態，設定其調整狀態時，取值0；分路狀態時，取值1；斷軌狀態時，取2。track circuit數字化建庫見表4。為了在三大聯鎖設備之間建立位置上的關聯，數字化基類即設定PositionJx表示joint的坐標，以作為進路分析過程中邏輯推斷的依據。joint數字化建庫見表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 設備對象關系數據表

為避免列車或車列在敵對進路中發生正面或尾部撞車，signal、point、track circuit必須按照相關的程序以及制約條件進行聯鎖。joint的坐標對聯鎖設備構成了位置上的約束，因此首先分別數字化joint與signal、point、track circuit聯鎖設備間的關系。

根據signal與joint的對應關系（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的signal。當point處于定位時，道岔區段始末端對應兩個joint，分別是jIDStart和jIDEnd；而point處于反位時，對應另一對jIDStart和jIDEnd，由此建立jplist關系表（表7）。

若作業所選排進路上包含道岔區段的jIDStart、jIDEnd，則通過jplist可推斷該道岔區段的point處于定位還是反位。由各個track circuit始末端對應兩個joint，建立jtclist關系表（表8），通過jtclist可找到該進路上相關的track circuit。

表6 joint與signal的位置約束關系表

表7 joint與point的位置約束關系表

表8 joint與track circuit的位置約束關系表

route為列車走行的路徑，包括lroute（列車進路）和droute（調車進路）。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數字化庫見表9，記錄了車站作業所排每一條列車進路上相關設備的ID及其聯鎖關系。

表9 對象屬性表lrlist

3 鐵路車站業務實例化

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 鐵路車站信號設備平面布置示意圖

依據此示例，將鐵路車站對計算機聯鎖系統中聯鎖控制層的進路業務程序實例化。

3.2 進路業務實例化

構建進路建立和進路解鎖業務的動態模型，使用UML狀態圖描述，依此模型編寫Python程序。

1）進路業務的動態建模

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

圖7 UML進路建立狀態圖

由于joint對point和track circuit有位置約束，方法
panduanjinluxiangguanshebei（slist）獲得與該route相關的設備ID，即pID和tcID。方法panduanzhuangtai（id）將route中相關設備ID的列表放在數據庫中，以檢驗設備的實時狀態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行數字化激活。

進路解鎖階段的動態模型如圖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，連接數據庫的表9找到對應的routeName行，獲取stateRoute值，若該值為1，則記錄相關設備的ID列表，即listSet，分別在表2—表4中對應設備對象ID，利用方法unsetRoute()將設備狀態恢復至其定位狀態，同時恢復該route至未激活狀態，即stateRoute值取0，完成解鎖工作。

圖8 UML進路解鎖狀態圖

2）基于面向對象的業務實現

基于絕緣節的坐標positionJx，可以查詢與route相關的三大聯鎖設備的ID，即sid、pid、tcid，從而在Signal類、Point類、TrackCircuit類中進行對象狀態設置，也可以在表2—表4中進行對象狀態獲取。因此，關于由絕緣節的坐標邏輯推斷三大聯鎖設備位置的算法是核心內容，程序偽碼如圖9所示。

圖9 判斷進路相關設備的算法

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關系表可得到對應位置的jid[0]和jid[-1]。由于track circuit兩端對應兩個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的joint及其對應的signal、track circuit的ID，得到jid、sid和tcid列表。

4 系統運行測試與結果分析

4.1 系統運行測試

車站計算機聯鎖系統的人機交互界面如圖10所示，共有5項業務功能選項：①排列車進路；②排調車進路；③解鎖列車進路；④取消列車進路；⑤車站狀態查詢。

圖10 人機交互界面

以排下行接車至1股道為例，說明聯鎖控制層執行建立列車進路業務流程：當前處于待排進路狀態，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關系列表查詢對應位置的jStartID=2和jEndID=3，對應的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，進路上相關的設備ID是，tcID為1和5、pID為1以及signalID為1，所以根據聯鎖程序。

先在表3中將ID為1的stateP轉換至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）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中數字化激活該stateRoute以作標識。進路建立如圖11所示。

圖11 系統建立1xdd列車進路的測試結果

以解鎖1股道下行接車進路為例，說明聯鎖控制層解鎖列車進路業務流程：系統當前處于待解鎖進路狀態，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，然后根據查詢到的相關設備ID：tcID為1和5、pID為1以及signalID為1，同樣根據聯鎖程序，先在表2中將ID為1的stateS關閉且顯示0（紅燈），再在表4中將ID為1、5的stateTC更新至0（調整狀態），最后在表3中將ID為1的stateP轉換至0（定位）；同時在表9中恢復該route至未激活，完成解鎖動作。進路解鎖如圖12所示。

圖12 系統解鎖1xdd列車進路的測試結果

4.2 結果分析

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

表10 列車進路聯鎖表

為了敘述方便，假設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系，在同一咽喉區中，對向重疊的列車進路、順向或是對向重疊的列車和調車進路、對向重疊的調車進路之間存在敵對關系；迎面咽喉區中，同一到發線上對向的列車與列車進路、同一到發線上對向的列車與調車進路、信號機設在侵限絕緣處時禁止同時開放的進路構成敵對進路。

以“當同一到發線上對向的列車進路與調車進路構成敵對關系”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股道的調車進路，得到系統提示：“No.1股道正被占用，請稍后再排！”如圖13所示，說明該系統能夠準確可靠地判斷敵對進路。

圖13 當列車進路與調車進路構成敵對時的系統測試結果

5 結論

基于UML描述鐵路車站面向對象數字化建模過程；定義絕緣節作為基類，使三大聯鎖設備對象能夠繼承其坐標屬性；利用Python程序實例化聯鎖控制層中進路控制業務模型；使用數據庫模擬I/O接口層信息的輸入輸出；基于wxPython設計人機交互層可視化界面。

其中，在進路建立階段，系統能夠根據操作人員的指令，準確快速地查詢對應絕緣節的坐標，進一步邏輯推斷出進路的類型、進路的方向及進路的相關設備等信息；在進路解鎖階段，同樣基于父類絕緣節的坐標屬性，最終成功實現解鎖業務。

在系統測驗時，是通過聯鎖表仿真部分重要的進路作業進行結果測評的，缺少說服力。因此，在今后的學習研究中，將繼續改進該系統，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。