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微机联锁站方向电路设计

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第 1 章 绪论
铁路是我国国民经济的大动脉。 铁路信号设备是组织指挥车列运行, 保证列车行车安全,提高运输效率,传递信息,改善行车人员劳动条件 的关键设施。回顾铁道信号的发展历程,由电锁器联锁到小站电气集中, 再到 6502 大站电器集中,现在时代要求铁路运输向高速度、高密度、重 载发展。同时计算机技术、网络技术、数字化技术,现代通信技术等现 代化技术的发展为铁路信号构筑了实现现代化的平台。计算机联锁的产 生和广泛应用,必将带来一场新的技术革命。 过去,在每一条线路上只允许一个方向列车运行。为了方便维修、 提高通过能力,特别是提高客货流方向单一且集中区段的通过能力,在 一条线路上应允许两个方向列车运行。双线自动闭塞区段使用双线双向 自动闭塞是在一条线路上开行对向列车的一项重要的技术措施。 1989 年, 在津浦线德州—沧州区间开通了我国最早的双线双向移频自动闭塞。他 提高了区间通过能力,改善了运营状况,取得了十分明显的经济效益, 也为双线双向闭塞积累了丰富的经验。近几年,特别是开行动车组以来, 在有动车组经过的区段均装备了双线双向自动闭塞。目的就是在一条线 路故障或客货流方向单一的情况下,使列车经反向线路继续运行,保证 重点列车的正点和提高了运输能力。 由上所述就存在着改变运行方向电路和车站联锁相结合的问题,也 就是在设计车站联锁时必须设计方向电路。车站联锁设备型号众多,有 6502 电器集中、TYJL-Ⅱ微机联锁、JD-1A 微机联锁、EI32-JD 型微机联 锁等。方向电路在发展过程中出现过二线制、三线制和四线制方向电路, 由于二线制、三线制方向电路方向、监督区间回路存在电缆共用现象, 故障率高、抗干扰能力差,影响正常使用和运输效率。而四线制方向电 路将其分开,不存在相互干扰的问题,克服了上述缺点,提高了安全性、 可靠性和效率。现在二线制、三线制方向电路基本上被四线制方向电路
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所取代。 本次设计选取的是目前较先进的 EI32-JD 型微机联锁与四线制方 向电路[电号 0041]相结合,完成车站联锁和改变运行方向的任务。设计 中没有针对具体站场进行设计,而是针对接车方向和发车方向,有设计 模版的功能。具体的站场只要拿接、发车方向电路拼贴即可。

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第 2 章 改变运行方向系统的组成及特点
由于设计选取的是 EI32-JD 型微机联锁与四线制方向电路相结合, 完 成车站联锁和改变运行方向的任务,所以系统有两部分组成,EI32-JD 型 微机联锁驱动部分和四线制方向电路[电号 0041]部分。为了更详细的阐 述各功能模块的作用, 我们先叙述 EI32-JD 型微机联锁和四线制方向电路 [电号 0041]的特点。 EI32-JD 型微机联锁系统是由日本信号株式会社和北京交通大学微联 科技公司联合开发研制的计算机联锁系统。硬件采用日本信号株式会社 开发的 EI32 电子联锁系统硬件,软件采用北京交通大学微联科技公司研 制的软件。具有安全可靠、功能完善、操作简单、维修方便的特点。它 属于分布式计算机控制系统,分散控制、集中信息管理。具体特点如下:

2.1 安全的保证
● ● 总线控制的双系统,采用 2*2 取 2;每个计算机由双 CPU 分别运 算,比较一致后,才作为计算机的输出。 采用 FSOS(Fail-Saft Operation system) ,FSOS 是故障-安全 的实时操作系统,在系统运行期间,每一个周期都进行硬件单元 的诊断以及 ROM/RAM 诊断、内存保护诊断、运行周期监视等。确 保系统的安全性、实时性。 ● 采用故障-安全的输入输出系统。

2.2 系统可靠性的保证
● ● ● 联锁机、 驱采机间的通讯采用局域网光接口, 光缆通道双倍冗余, 具有高速、高可靠性。 驱动电路、采集电路具备强大的自诊断功能,在电路工作时实时 进行检测,出现故障立即报警或系统停止运行。 驱动电路、采集电路双倍冗余,单路故障不影响系统的工作。
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与之配套的操作表示机双倍冗余、故障时自动切换。

2.3 高速的处理能力
● 系统经日本地铁、新干线等线路的检验,具有高速、高密度的控 制能力

2.4 维护方便
● ● ● 计算机联锁系统直接驱动组合架中的继电器, 无需在组合架增加 动态驱动电路。 联锁系统具备强大的故障诊断能力,精确的故障定位。 维修机提供并记录丰富的信息,供电务人员参考。

EI32-JD 型微机联锁在改变运行方向中的作用是:根据方向电路、区 间闭塞给出的条件,按照预设的联锁关系,控制方向电路、区间设备动 作,完成站间联锁,防止两站同时向区间对向发车,确保安全。 四线制方向电路就是用四条线将两站间电路设备连接起来,通过自 动或辅助办理的方式,来建立自动闭塞区间,改变列车运行方向。其主 要特点为: ☆ 电路应能监督区间空闲及占用和相邻站接发车状态。 当确认整条 区间空闲及对方站未建立发车进路时,方能改变运行方向; ☆ 改变运行方向应由原接车站办理, 在排列发车进路后即可自动完 成; (原接车站办理发车) ☆ 电路应防止当区间轨道电路瞬间分路不良时,错误改变运行方 向; (电路接有区间 GJ 条件) ☆ 电路应符合故障—安全原则,保证不出现敌对发车的可能; ☆ 电路应适应于各种制式的自动闭塞; (可以和多种电路结合) ☆ 因故不能改变运行方向时,可使用辅助办理方式。按辅助方式改 变运行方向后,出站信号机的开放必须检查该相邻站区间空闲; ☆ 使用该电路的车站,应有相应的表示。在控制台上分别设置接、
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发车方向表示灯,接、发车区间占用表示灯,以及辅助办理表示 灯,并设置相应的接发车辅助按钮。 ☆ 双线双向自动闭塞区段, 反向不设信号机, 正向通过信号机灭灯, 凭机车信号的显示运行,通过改方电路转换区间的发送、接受设 备。 方向电路的作用是:确定列车的运行方向(确定接车站和发车站) ; 转换区间的发送和接受设备;控制区间通过信号机的点灯电路。

第 3 章 改变运行方向的办理
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3.1 正常办理:
设甲站为接车站,乙站为发车站,区间空闲,双方均未办理发车, 此时若甲站要求向乙站发车,则由甲站值班员按压列车始终端按钮,办 理发车进路,即可自动改变运行方向。

辅助办理: 3.2 辅助办理
设甲站为接车站,乙站为发车站,当 JQJ 因故落下,控制台上的 JQD 亮红灯,此时若甲站要求向乙站发车,需两站值班员确认区间空闲后, 共同进行辅助办理来改变运行方向,具体操作如下: 甲站: 破封按压 ZFA(鼠标操作为单击 ZFA,输入口令【123】 ,此时按钮闪 烁) ,破封按压 FFZA(鼠标操作为单击 FFZA,输入口令【123】 ,此时按 钮闪烁) ,FZD 亮白灯; 等乙站辅助办理完毕,甲站发车表示灯亮绿灯 后,FFZA、ZFA 自动复原,表示甲站辅助办理完毕。值班员办理发车进 路,当列车压入出站信号机内方时,FZD 灭灯。 乙站: 破封按压 ZFA(鼠标操作为单击 ZFA,输入口令【123】 ,此时按钮闪 烁) ,破封按压 JFZA(鼠标操作为单击 JFZA,输入口令【123】 ,此时按 钮闪烁) ,FZD 亮白灯后,JFZA、ZFA 自动复原;当接车表示灯亮黄灯, FZD 灭灯时,表示本站辅助办理完毕。 注:在 JFZA、FFZA 按下期间,值班员也可再次单击按钮(相当于按 钮松开) ,使按钮复原。

屏幕设置及点灯条件: 3.3 屏幕设置及点灯条件
发车表示灯―――绿色,向外方向箭头,表示本站处于发车方向。 接车表示灯―――黄色,向内方向箭头,表示本站处于接车方向。
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ZFA―――总辅助按钮,自复式,带口令。按下时,按钮闪烁;再次 按压(相当于按钮松开) ,按钮停止闪烁。 FFZA――-发车辅助按钮,自复式,带口令。按下时,按钮闪烁; 再次按压(相当于按钮松开)或发车表示灯亮绿灯时,按钮停止闪烁。 JFZA――-接车辅助按钮,自复式,带口令。按下时,按钮闪烁; 再次按压(相当于按钮松开)或 FZD 亮白灯时,按钮停止闪烁。 FZD―――辅助办理表示灯,平时灭灯,当辅助办理改变运行方向时 点白灯。 JQD―――监督区间占用表示灯,平时灭灯,表示区间空闲;当区间 有车占用,或已办理发车进路(含相邻站) ,或监督回路发生故障,或已 开始辅助办理时亮红灯;当亮闪红灯时,不能进行辅助办理,需待电务 人员处理故障(使两站的 FSJ 均保持吸起)后再进行辅助办理。

第4章
4.1 电路组成

改变运行方向电路工作原理

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改变运行方向的电路由微机采集、驱动和四线制方向电路组成。 对于 EI32-JD 型微机联锁,每个车站按咽喉设一个驱动组合,双线 双线改方电路共需 2 个组合即可。组合中共设 8 台继电器,可为接车方 向线路和发车方向线路的四线制方向电路提供驱动条件。驱动的继电器 分别为 FSJ、JKJ、FAJ、FFAJ、JFAJ、NFSJ、NJKJ、NFAJ、NFFAJ、NJFAJ。 因 EI32-JD 型微机联锁系统直接驱动组合架中的继电器,所用的继电器 均为 JWXC-1700 型无极继电器,而不是偏极继电器。另外每块驱动板最 多可驱动 16 个继电器,只用一块驱动板就可把全站的方向 QD 组合的继 电器全部驱动。方向驱动组合的组成如下表(1)所示:
表(1) 1 JKJ QD JWXC -1700 2 FFAJ JWXC -1700 3 JKFAJ JWXC -1700 方向驱动组合组成 4 FAJ JWXC -1700 5 6 NJKJ JWXC -1700 7 NFAJ JWXC -1700 8 NKFAJ JWXC -1700 9 NFAJ JWXC -1700 10

注:FSJ 在 FF 组合中

在微机联锁采集部分,每个接、发车方向需采集 7 组接点共 9 种接 点状态。需采集的接点条件有 FJ-Q、FJ-H、JQJ、JFJ、FFJ、DJ、FSJ、 KFJ-Q、KFJ-H。通过采集这些接点条件计算机做出判断,控制各部分完 成各种联锁关系。因微机联锁机柜采集为双套采集,即每个采集点都通 过两路进行采集,采集结果一致才作为联锁运算的依据。每块采集板可 采集 64 路接点状态,双线双线改方电路共需 36 路采集接点,因此未单 独设置方向电路采集板,而是与车站其他联锁条件共用两块采集板。 驱动线、采集的接点条件线由组合架引至接口柜,在经过接口柜用 34 芯通信电缆引至微机联锁接口柜。组合架继电器与采集、驱动电路间 一一对应,接口信息表规定好了某采集电路采集哪个继电器接点,某驱 动电路驱动哪个继电器。因 EI32-JD 型微机联锁驱动继电器后要采集该 继电器的状态,能快速、准确的判断断线和混线的故障,并且定位准确, 具备强大的故障诊断能力。 EI32-JD 型微机联锁的驱动、采集电路如下图 4-1 所示,图中计算 机联锁采集板逆向采集接点未画出。其采集条件和所用接点组均与正方
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向相同。采集的共用电源为 DY24,它是动态电源 24V,由微机联锁内部 供出,有别于其他 24V 电源,在有其他的交直流电源混入时,微机联锁 系统能对干扰进行识别,给出报警。

\ 图 4-1

下面简单叙述各继电器吸起、落下的时机,也就是微机联锁的供电 时机: FSJ(发车锁闭继电器,相当于 6502 ZCJ 与 ZJ 的并联,平时吸起) : 落下条件----排列了列车进路后 吸起条件----进路最后区段(包含无岔轨)解锁 JKJ(进路开通继电器,相当于 6502 ZCJ 与 GJJ 前接点的并联,平 时吸起) : 落下条件----列车出发驶入进路内方第一区段 吸起条件----进路解锁
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FAJ(发车按钮继电器,平时落下) : 吸起条件----正向发车口,排列了发车进路。 逆向发车口,YFA 按下,并排列了发车进路。 落下条件----吸起持续 4S 后 FFAJ(发车辅助办理按钮继电器,平时落下) : 吸起条件---- ZFA 按下、FFA 按下 落下条件----FJ↓或再次按压 ZFA 或 FFA JFAJ(接车辅助办理按钮继电器,平时落下) :
1 FJ FZ JYXC -270 CFJ FF JYXC -270 2 JQJ JWXC -H600 KFJ JWXC -1700 3 GFJ JWXC -1700 FSJ JWXC -1700 4 GFFJ JWXC -1700 KJ JWXC -H340 5 JQJF JSBXC -850 6 JQJ2F JWXC -1700 7 DJ JWXC -H340 8 JFJ JWXC -1700 8 FFJ JWXC -1700 10 FGFJ JPXC -1000 ZG3

吸起条件----ZFA 按下、JFA 按下 落下条件----DJ↑或再次按压 ZFA 或 JFA 对于四线制方向电路,车站的每个接车方向设一套改变运行方向电 路,双线双向区间就需要 4 套改变运行方向电路,相邻两站该方向的改 变运行方向电路由 4 根外线电缆联系组成完整的改变运行方向电路。每 一套改变运行方向电路由 14 个继电器和一个 ZG3 变压器组成,ZG3 变压 器提供组合中使用的方向电源和监督区间电源。这些继电器分为两个组 合,称为改变运行方向主组合 FZ 和辅助组合 FF。组合内继电器的排列 及类型如下表 2 所示:
表 2 改变运行方向组合组成

FJ—方向继电器 JQJ—监督区间继电器 GFJ—改变运行方向继电器 GFFJ—改变运行方向辅助继电器 JQJF—监督区间复示继电器 JQJ2F— 监 督 区 间 第 二 复 示 继 电 器 DJ— 短 路 继 电 器 JFJ— 接 车 辅 助 继 电 器 FFJ—发车辅助继电器 FGFJ—辅助改变运行方向继电器 CFJ—串联方向
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继电器 KFJ—控制发车继电器 FSJ—发车锁闭继电器 KJ—控制继电

器 。 以上是方向电路里边使用的继电器。我们知道了它的叫法和名称, 对我们理解电路是有帮助的。 我们先讲解 ZG3 变压器的原理和作用。四线制方向电路是由方向控 制和监督区间两个电路组成。改变方向控制电路;监督区间电路是两个 独立的电路,需要两套独立的电源。ZG3 变压器的作用就是提供方向电 源和监督区间电源。它有两套独立的线圈,分别提供 60V、90V、130V、 160V 和 220V 可调电压,输出电压经整流堆整流滤波后分别提供控制电 路、区间监督两套独立电源。它们的书写名称是“FZ、FF;JQZ、JQF” 。 其结构如图 4-2 所示:

图 4-2

对回路电源的要求:控制回路电流不小于 32 毫安;监督回路不小 于 22 毫安。 计算公式:运行方向控制回路 UFmin≥1.2IFJ×RF 式中 UFmin-----运行方向控制电路最低供电电压(V) IFJ------方向继电器转极电流值(32mA) RF------运行方向电路电阻总值(包括传输线路、继电器线圈、调 整电阻等) 监督区间控制回路 UJmin≥1.2IJJ×RJ 式中 UJmin-----监督区间回路最低供电电压(V) IJJ------监督区间回路继电器工作电流值(22mA)
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RJ------监督区间回路电阻总值(包括传输线路、继电器线圈、调 整电阻等) 在实际工作中应掌握两者基本一致,监督区间回路、改变方向回路 根据站间距离确定,一般为 90V—150V 左右,可使 FJ、JQJ 的电压在 18V 以上,保证 FJ、JQJ 可靠工作。

4.2 电路原理
四线制改变运行方向电路由 14 个继电器组成,按功能又可以分为 方向继电器电路、监督区间继电器电路、局部电路、辅助办理电路和表 示灯电路等几部分。

4.2.1 局部电路
局部电路的作用是: 当方向电路改变运行方向时控制方向继电器的电 流极性, 以及控制辅助办理电路以实现运行方向的改变。 它由 GFJ、 GFFJ、 JQJF、JQJ2F 组成。 1、改变运行方向继电器 GFJ 的作用是记录 FAJ 的动作,给方向继电器电路供电,从而改变 运行方向。平时发车站的 GFJ 吸起,接车站的 GFJ 落下。其电路如图 4-3 所示:

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图 4-3

改变运行方向时,原接车站的 FAJ 吸起后,接通 GFJ 的 1-2 线圈励 磁吸起,并经第 5 组前接点自闭。在 FJ 转极后接通 3-4 励磁电路。辅助 办理时,FGFJ 吸起后接通 GFJ 的 1-2 线圈励磁,完成改变运行方向的任 务。 对于原发车站, 平时吸起, GFJ 改变运行方向时 FJ 转极后 GFJ 落下。 GFJ 的 1-2 线圈上并接有阻容原件构成缓放电路,作用是在原发车站改 为接车站时,利用 GFJ 的缓放使原发车站的方向继电器可靠转极。 2、改变运行方向辅助继电器电路 GFFJ 的作用是改变运行方向时, 使两站的方向电源短时间正向串联, 使 FJ 可靠转极。GFFJ 励磁电路由 GFJ 的后接点接通。原发车站 GFJ 吸 起 GFFJ 落下,原接车站 GFJ 落下 GFFJ 吸起。辅助改变运行方向时,在 FGFJ 吸起后,也使 GFFJ 吸起,参与改变运行方向。它的线圈上并接有 阻容原件构成缓放电路的作用是使两站的方向电源短时间正向串联,使 FJ 可靠转极。其电路如图 4-4 所示:

图 4-4

3、监督区间复示继电器电路 JQJF 的作用是复示 JQJ 的动作。其电路如图 4-5 所示:

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图 4-5

接车站的 JQJ 吸起使 JQJF 吸起,发车站 JQJ 是落下的,JQJF 也落 下。JQJF 采用的是缓吸 13 秒的时间继电器。作用是当列车在区间行驶 时, 如果小车分路不良, 瞬间失去分路, 区间 GJ 的吸起使 JQJ 瞬间吸起, 此刻接车站如果办理发车进路,将导致错误的改变运行方向。采用缓吸 13 秒的时间继电器可防止上述情况的发生,由于 JQJF 的缓吸使 JQJ2F 不吸起,GFJ 在落下的状态,可以防止错误改变运行方向。 4、监督区间第二复示继电器电路 JQJ2F 是复示 JQJF 的动作,另外在辅助改变运行方向时,作为 JQJ 的反复示继电器。在辅助改变运行方向时,FGFJ 吸起,JQJ 落下使 JQJ2F 吸起。其电路结构如图 4-6 所示:

图 4-6

在 JQJ2F 的 1-2 线圈、3-4 线圈均并接有阻容原件构成缓放电路,
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作用是在 JQJ2F 落下之前,FJ 的线圈有瞬间被 JQJ2F 的第一组前接点和 GFFJ 的第二组后接点所短路,防止区间外线混线时,由于反电动势使 FJ 错误转极造成双发的危险。加短路线后反电动势被短路线所短路,待反 电动势消失后再接通电路,FJ 就不会错误动作。

4.2.2 方向继电器电路
方向继电器电路的作用是改变列车的运行方向。它由 FJ、CFJ、FGFJ 组成。 1、FJ、CFJ 电路 FJ、CFJ 的作用是确定列车的运行方向,转换区间发送和接收设备 及决定通过信号机是否点灯。在发车站 FJ、CFJ 常态是落下的,接车站 FJ、CFJ 常态是吸起的。发车站和接车站的方向继电器电路 FQ、FH 是通 过站联电缆连接在一起的。 正常办理改变运行方向时,原接车站的 GFJ 吸起,GFFJ 缓放尚未落 下时,接通方向电源 FZ、FF,向方向电路向方向电路发送反极性电流, 使 FJ 、 CFJ 转 极 。 其 供 电 电 路 如 下 : 原 接 车 站 FZ-GFFJ22-21-JQJ2F12-11-JFJ43-41-GFJ22-21-FFJ23-21-RF- 外 线 (FH)-- 原 发 车站 RF-FFJ21-23-GFJ21-22-JFJ41-43-JQJ2F11-13-FJ1-4-GFFJ13-11-JFJ33-31 -GFJ12-11-FFJ13-11-CFJ1-4 GFFJ11-12-FF 原发车站的 FJ 转极后使 GFJ 落下,利用原接车站 GFFJ 的缓放,使 两站的方向电源短时间正向串联,形成两倍的线路供电电压,使方向电 路 的 所 有 FJ 可 靠 转 极 , 供 电 电 路 如 下 : 原 发 车 站 FZ-JFJ13-11-FJ112-111-GFJ13-11-FFJ13-11-CFJ1-4-外线(FQ )--原 接 车站 CFJ4-1-FFJ11-13-GFJ11-13-JFJ31-33-GFFJ11-12-FF 以 及 FZ-GFFJ22-21-JQJ2F12-11-JFJ43-41-GFJ22-21-FFJ23-21-RF- 外 线 (FH)— 原 发车 站 -RF-FFJ21-23-GFJ21-23-JFJ21-23-FF。 其电 路结 构如图 4-7、4-8 所示:
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线

(FQ)-









CFJ4-1-FFJ11-13-GFJ11-12-JFJ31-33-

图 4-7

图 4-8

当原接车站 GFFJ 缓放落下,切断了本站的方向电源,由原发车站 供电。原接车站 GFFJ 落下使 JQJF 落下,JQJ2F 经缓放落下,在 JQJ2F 缓放时间内,由原发车站送给原接车站的转极电源被 GFFJ23-21 短路,以 防止由外线混线或其它原因使 FJ 错误转极。当 JQJ2F 落下后才接通原接 车 站 FJ 的 线 圈 使 FJ 转 极 。 其 动 作 电 路 是 : 原 发 车 站
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FZ-JFJ13-11-FJ112-111-GFJ13-11-FFJ13-11-CFJ1-4-FQ-FQ-CFJ4-1-FFJ11-13-G FJ11-13-JFJ31-33-GFFJ11-13-FJ4-1-JQJ2F13-11-JFJ43-41-GFJ22-21-FFJ23-21-R F-外线(FH)-原发车站-RF-FFJ21-23-GFJ21-23-JFJ21-23-FF。 当 FJ 转极后,原发车站改为接车站,原接车站改为发车站,两站的 电路已经完成了改变运行方向的任务,分别达到了稳定 2、FGFJ 电路 FGFJ 的作用是当监督电路故障而方向电路正常或发生其它的意外故 障时,采用辅助办理的方法,用 FGFJ 的吸起来改变运行方向,提高了整 个改变运行方向电路的效率。 辅助办理改变运行方向时,原接车站的 FFJ 吸起,切断了原接车站 向原发车站的供电电路, 并使 DJ 经 0.3~0.35S 的缓吸时间吸起。 FFJ 在 吸起、DJ 缓吸的时间内,利用 DJ 的第一组后接点短路方向外线,使外 线所储存的电能通过短路而消失。当原发车站 JFJ 吸起利用其 3、4 组前 接点接通方向电源,向原接车站送电,使原接车站的 FGFJ 吸起。其电路 为 : 原 发 车 站 FZ-FSJ41-42-JFJ42-41-GFJ23-21-RF- 外 线 - 原 接 车 站 -RF-FFJ21-22-FGFJ 线圈-DJ12-11-FFJ12-11-CFJ1-4-外线-原发车站 CFJ4-1FFJ11-13-GFJ11-12- JFJ31-32-FSJ32-31-FF 原接车站的 FGFJ 吸起后使 JQJ2F、GFJ 相继吸起。在原发车站,JFJ 电容放电完后使 JFJ 落下,JFJ 落下切断原发车站向原接车站 FGFJ 的供 电电路。原接车站的 FGFJ 落下使 FFJ 落下。此时由原接车站向原发车站 送 转 极 性 的 电 流 , 使 原 发 车 站 的 FJ 转 极 , 其 电 路 为 : 原 接 车 站 FZ-GFFJ22-21-JQJ2F12-11-JFJ43-41-FFJ23-21-RF- 外 线 ( FH ) - 原 发 车 站 -RF-FFJ21-23-GFJ21-23-JFJ41-43-JQJ2F11-13-FJ1-4-GFFJ13-11-JFJ33-31GFJ12-11-FFJ13-11-CFJ1-4GFFJ11-12-FF 在原发车站,由于 FJ 的转极使 GFJ 落下,构成两站方向电源的串 接 , 确 保 FJ 可 靠 转 极 , 其 电 路 如 下 : 原 发 车 站 FZ-JFJ13-11-FJ112-111-GFJ13-11-FFJ13-11-CFJ1-4-外线(FQ )--原 接 车站
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线



FQ



-









-CFJ4-1-FFJ11-13-GFJ11-13-JFJ31-33-

CFJ4-1-FFJ11-13-GFJ11-13-JFJ31-33-GFFJ11-12-FF 车站-RF-FFJ21-23-GFJ21-23-JFJ21-23-FF。





FZ-GFFJ22-21-JQJ2F12-11-JFJ43-41-GFJ22-21-FFJ23-21-RF-外线(FH)—原发 在原接车站,当 GFJ 吸起后,FGFJ 已落下时,GFFJ、JQJF、JQJ2F 先后断电缓放。GFFJ 缓放落下后,JQJ2F 仍在吸起时,转极电源被 GFFJ 的第二组后接点短路, 防止外线混线或其它原因使 FJ 错误转极。 JQJ2F 当 缓放落下后,FJ 的线圈接入供电电路使其转极。其电路如下: 原 发 车 站 FZ-JFJ13-11-FJ112-111-GFJ13-11-FFJ13-11-CFJ1-4-FQ-FQ-CFJ4-1-FFJ11-13GFJ11-13-JFJ31-33-GFFJ11-13-FJ4-1-JQJ2F13-11-JFJ43-41-GFJ22-21-FFJ23-2
1-RF-外线(FH)-原发车站-RF-FFJ21-23-GFJ21-23-JFJ21-23-FF。

方向继电器电路平时由接车站方向电源向发车站送电,这样当方向 电路外线短路时可以导向安全。 接车站的方向继电器平时在线路上断开, 是为了防止雷击或其它的干扰使 FJ 错误转极。为了保证行车的安全,在 电路动作上先取消发车站的发车权,在建立原接车站的发车权。

4.2.3 监督区间继电器电路
监督区间继电器电路的作用是监督区间是否空闲,保证只有区间空 闲时才能改变运行方向。 它由 JQJ 和区间各信号点的轨道继电器 GJ 的接 点串接而成,其电路结构如图 4-9 示:

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图 4-9

发车站 GFJ 的第三、四组接点向 JQJ 供电。当发车进路未锁闭 FSJ 吸起,各闭塞分区空闲 QGJ 吸起构成 JQJ 电路,两站的 JQJ 均吸起。办 理发车进路时 FSJ 落下,或区间占用 QGJ 落下,断开 JQJ 的供电电路, 使两站的 JQJ 落下。 由于 JQJ 采用无极缓放继电器,故通何种极性的电流均可吸起。换 极性时,由于其缓放而不至于落下,只有断开线路的电源时才落下。区 间空闲的检查是在改变运行方向前进行的,方向电路无故障,电路就动 作到运行方向改变完毕。然后不间断的监督区间空闲,为发车站开放信 号准备条件。

4.2.4 辅助办理电路
辅助办理电路的作用是:当监督电路发生故障或改变运行方向电路 瞬间突然停电或方向电路瞬间故障,不能正常改变运行方向时,借助辅 助办理电路,实现运行方向的改变。它由 FFJ、JFJ、DJ 电路组成

4.2.4.1 发车辅助继电器电路
FFJ 的作用是用以辅助办理改变运行方向。 JQJ 因故落下时,JQJF、 当 JQJ2F 均落下, 如果区间空闲要办理改变运行方向, 只能用辅助办理的方 式。原接车站破封按压 ZFA(鼠标操作为单击 ZFA,输入口令【123】 ,此
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时按钮闪烁) ,破封按压 FFZA(鼠标操作为单击 FFZA,输入口令【123】 , 此时按钮闪烁) ,FZD 亮白灯;驱动板输出驱动 FFAJ 使其吸起。FFJ 经 JQJ2F 第三组后接点、GFJ 第七组后接点、DJ 第二组后接点吸起,吸起后 自闭。FFJ 吸起后,切断原接车站向原发车站的供电电路,待 FGFJ 吸起 后继续接通 FFJ 的自闭电路,其电路结构如图 4-10 所示:

图 4-10

4.2.4.2 接车辅助继电电路
JFJ 用以辅助办理改变方向,其电路结构如图 4-11 所示:

图 4-11

平时,DJ 落下,接通向电容的充电电路,辅助改变运行方向时,原 发车站破封按压 ZFA(鼠标操作为单击 ZFA,输入口令【123】 ,此时按钮 闪烁) ,破封按压 JFZA(鼠标操作为单击 JFZA,输入口令【123】 ,此时 按钮闪烁) ,驱动板输出驱动 JFAJ 使其吸起,JFAJ 吸起使 DJ 吸起,电 容对 JFJ 放电,JFJ 吸起。JFJ 吸起接通方向电源向对方站送电,使原接 车站 FGFJ 吸起。电容放电结束,JFJ 落下,切断向对方站 FGFJ 的供电。

4.2.4.3 短路继电器电路
DJ 的作用是正常办理改变运行方向时,用以短路 FGFJ,使其不能吸
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起。其结构如图 4-12 所示:

图 4-12

平时两站的 DJ 落下,将 FGFJ 短路,即在正常办理时 FGFJ 不动作。 辅助办理改变运行方向时,原接车站的 FFJ 吸起,DJ 经 FSJ 第七组前接 点、FFJ 第七组前接点、JQJ 第七组后接点励磁吸起。DJ 吸起后其第一 组前接点将方向电路接至 FGFJ 电路。FJ 转极后使 GFJ 吸起,无论 JQJ2F 在什么状态,均沟通 DJ 的自闭电路。只有在本站办理发车进路、列车出 发驶入进路内方第一区段后 JKJ 落下,DJ 才落下。 对于原发车站,JFAJ 吸起使 DJ 吸起。DJ 吸起后使 JFJ 靠电容放电 而吸起。JFJ 吸起后接通 DJ 的自闭电路。电容放电结束 JFJ 落下,DJ 依 靠 JQJ2F 后接点、GFJ 前接点自闭。辅助改变运行方向后,FJ 转极、GFJ 落下断开 DJ 自闭电路使其落下。

4.2.5 表示灯电路
表示灯电路用来表示区间闭塞的状态, 以及改变运行方向电路的动 作情况。它包括发车表示灯 FD(绿色) 、接车表示灯 JD(黄色) 、监督区 间占用灯(红色)和辅助办理灯(白色) 。其结构如图 4-13 所示:

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图 4-13 表示灯电路

FD 和 JD 由 FJ 的接点控制,FJ 在定位点亮 JD,表示本站为接车站。 FJ 在反位点亮 FD,表示本站为发车站。JQJ 平时灭灯表示区间空闲,列 车占用区间,JQJ 落下 JQD 亮红灯。在辅助改变运行方向时,JFJ 或 FFJ 吸起后,经 FSJ 的前接点点亮 JQD,如果该站的 FSJ 落下,JQD 闪红灯。 相邻的两站有一个 FSJ 落下,即发车进路锁闭,均不能办理辅助改变运 行方向。FZD 由 DJ 前接点接通,DJ 吸起,FZD 点亮,表示正在辅助改变 运行方向。DJ 落下 FZD 灭灯,表示辅助办理完毕。每进行一次辅助办理 改变运行方向,FFJ 或 JFJ 均吸起一次,计数器 JSQ 就动作一次记录辅 助办理改变运行方向的次数。 表示灯电路由微机联锁提供,微机经采集接点条件由联锁软件完成 计数和点灯的任务,上图给的是其工作原理,并没有实际的电路。微机 屏幕设置及点灯条件如下: 发车表示灯―――绿色,向外方向箭头,点灯条件:FJ↓。 接车表示灯―――黄色,向内方向箭头,点灯条件:FJ↑。 ZFA―――总辅助按钮,非自复式,带口令。按下时,按钮闪烁;再 次按压(相当于按钮拔出) ,按钮停止闪烁。 FFZA――-发车辅助按钮,自复式,带口令。按下时,按钮闪烁; 再次按压(相当于按钮松开)或 FJ↓时,按钮停止闪烁。 JFZA――-接车辅助按钮,自复式,带口令。按下时,按钮闪烁; 再次按压(相当于按钮松开)或 DJ↑时,按钮停止闪烁。
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YFA(仅逆向发车口设)――允许反方向按钮,自复式,带口令。按 下时,按钮闪烁;再次按压(相当于按钮松开)或 FAJ↑时,按钮停止 闪烁。 FZD―――辅助办理表示灯,平时灭灯,当 DJ↑时点白灯。 JQD―――监督区间占用表示灯,平时灭灯,表示区间空闲; 点灯条件 FFJ↓、JFJ↓、JQJ↓――红灯 FSJ↑、JFJ↑、JQJ↓――红灯 FSJ↑、FFJ↑、JQJ↓――红灯 FSJ↓、JFJ↑、JQJ↓――红闪 FSJ↓、FFJ↑、JQJ↓――红闪

4.2.6 与区间结合电路
区间每一个信号点设区间正方向继电器 QZJ 和区间反方向继电器 QFJ,它们由 CFJ 接点控制,CFJ 在定位,各信号点的 QZJ 吸起,CFJ 在 反位,各信号点的 QFJ 吸起,其电路结构如图 4-14 所示:

图 4-14

通过 QZJ、QFJ 的接点改变区间轨道电路的发送端和接收端,改变低 频编码条件以及决定通过信号机是否点灯。

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4.2.7 发车控制电路
发车控制电路的作用是检查发车的条件,即发车口的一离去条件, 控制出站信号机的点灯。在区间一离去故障或被占用时,不能开放出站 信号。它包括控制发车继电器 KFJ 电路和控制继电器 KJ 电路。其结构见 图 4-15~4-17:

图 4-15

图 4-16

图 4-17

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发车站的 KFJ 常态吸起,接车站的 KFJ 常态落下。KJ 在区间空闲, 辅助办理改变运行方向手续后吸起并自闭,DJ 落下后 KJ 落下。KJ 的第 八组接点、DJ 第八组接点接通 KFJ 的励磁电路。为微机联锁提供开放出 站信号的条件。

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第 5 章 改变运行方向电路动作程序
5.1 正常办理改变运行方向程序
设甲站为接车站,乙站为发车站,区间空闲,双方均未办理发车。 此时甲站吸起的继电器有 FSJ、JQJ、JQJF、JQJ2F、GFFJ、FJ、CFJ、JBD 亮黄灯;乙站吸起的继电器有 FSJ、JQJ、GFJ、FD 亮绿灯。若甲站要求 向乙站发车,则由甲站值班员按压列车始终端按钮,办理发车进路,即 可自动改变运行方向。电路动作是甲站微机驱动 FAJ 使其吸起,继而使 GFJ 吸起,接通甲站的方向电源由甲站向乙站送电;乙站得电源后 FJ、 CFJ 转极,FJ 转极接通方向电源向甲站送电并且使 GFJ 落下,GFJ 落下 使 GFFJ、 JQJF、 2F 相继吸起, JQJ 在甲站 GFJ 吸起后使 GFFJ 落下, GFFJ 在 缓放期间,使两站的方向电源正向串接,形成两倍的供电电压,使 FJ、 CFJ 可靠转极。 甲站的 GFFJ 落下切断本站的方向电源,由乙站供电,GFFJ 落下使 JQJF、JQJ2F 相继落下。在 JQJ2F 缓放期间,乙站的转接电源被短路,消 除外线混电等原因产生的感应电势。JQJ2F 落下后接通本站的 FJ 线圈与 外线的电路使 FJ 转极。至此已经按要求将甲站改为发车站,乙站改为接 车站。反之办理的程序和电路动作是一样的。

5.2 辅助办理改变运行方向电路动作程序
设甲站为接车站,乙站为发车站,其监督电路故障,JQJ 的落下使 JQJF、JQJ2F 相继落下,JQD 亮红灯。此时区间处于空闲状态,要改变运 行方向就要借助辅助办理的方法。 两站的值班员确认区间空闲和区间故障后开始辅助办理。甲站破封 按压 ZFA(鼠标操作为单击 ZFA,输入口令【123】 ,此时按钮闪烁) ,破 封按压 FFZA(鼠标操作为单击 FFZA,输入口令【123】 ,此时按钮闪烁) ,
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微机驱动板驱动 FFAJ 使其吸起,FFAJ 吸起带动 FFJ 吸起并自闭。FFJ 吸 起后使 DJ 经 0.3~0.35 秒后吸起,在 FFJ 吸起,DJ 缓吸的期间,用 DJ 的后接点短路方向电路外线,消耗外线所储存的电能。这时通知乙站开 始辅助办理改变运行方向,乙站破封按压 ZFA(鼠标操作为单击 ZFA,输 入口令【123】 ,此时按钮闪烁) ,破封按压 JFZA(鼠标操作为单击 JFZA, 输入口令 【123】 此时按钮闪烁) 微机驱动板驱动 JFAJ 使其吸起, , , JFAJ 吸起使 DJ 吸起,DJ 吸起使电容对 JFJ 放电使其吸起。JFJ 的前接点接通 方向电源向甲站送电使甲站的 FGFJ 吸起。在甲站,FGFJ 的吸起使 JQJ2F 的 3-4 线圈供电使之吸起。GFJ 经 FGFJ 前接点和 JQJ2F 的前接点吸起后 自闭。 在乙站,电容放电的结束使 JFJ 落下,切断向甲站的供电。甲站的 FGFJ 随后落下,FGFJ 落下使 FFJ 落下。这样就接通了甲站向乙站的供电 电路使乙站的 FJ、 转极, 的转极断开了 GFJ 的励磁电路使其落下, CFJ FJ GFJ 的落下有切断了 DJ 的自闭电路使其落下,因 GFJ 落下、FJ 转极两站 的方向电源串接使各方向继电器可靠转极。 在甲站,GFJ 吸起后 FGFJ 已落下,GFFJ、JQJF、JQJ2F 先后断电缓 放。GFFJ 落下 JQJ2F 缓放期间,乙站的转接电源被短路,消除外线混电 等原因产生的感应电势, 防止 FJ 错误转极。 2F 落下将 FJ 的线圈接入 JQJ 供电电路使其转极。FJ 转极后使本站 FD 亮绿灯、FZD 亮白灯,表示本站 尚未办理发车, 在列车出发进入信号机第一个区段后 DJ 落下, 灭灯, FZD 所有的继电器复原。 有上述正常办理和辅助办理可知, 改变运行方向时一般有三个步骤: ① 原发车站方向继电器先转极,转为接车站,取消发车权。 ② 两站电源串接使各方向继电器可靠转极。 ③ 最后接车站的方向继电器转极,改为发车站,取得发车权。

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第 6 章 结束语
通过以上的讲述,我们对 EI32-JD 型微机联锁的特点、四线制改变 运行方向电路的特点及两者结合完成改变运行方向的任务有一定的认 识。两者结合符合故障-安全原则、办理程序较为简单、符合模块化的设 计,有一定的实用性。但这只是一个微机控制和继电器控制相结合的产 物,在自动控制领域还算是较低级的控制方式。相信随着铁路的跨越式 发展和微机控制功能的增强,微机联锁设备必然取代电器集中成为铁道 信号的主要控制设备。如何使现有成熟的设备与计算机联锁结合好,发 挥各自的作用是我们的研究方向。用更先进的技术、设备完成自动改变 运行方向的任务,是我们的目标。

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参考文献
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致 谢
经过进一个月的查资料、整理材料、写作论文,今天终于可以顺利 的完成论文的最后的谢辞了,想了很久,要写下这一段谢词,表示可以 进行毕业答辩了,自己想想求学期间的点点滴滴历历涌上心头,时光匆 匆飞逝,两年多的努力与付出,随着论文的完成,终于让我的大学的生 活,得以划下了完美的句点。 同时,论文的顺利完成,离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮 助。在整个的论文写作中,各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料 和提供有利于论文写作的建议和意见,在他们的帮助下,论文得以不断 的完善,最终帮助我完整的写完了整个论文。 另外,要感谢在大学期间所有传授我知识的老师,是你们的悉心教 导使我有了良好的专业课知识,这也是论文得以完成的基础。 再次感谢我的大学和所有帮助过我并给我鼓励的老师, 同学和朋友, 谢谢你们!

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附录 A 英文翻译

Performance Evaluation of Railway Computer Interlocking System Based on Queuing Theory
Jin Guo, Changqian Zhu, Yang Yang School of Computer & Communications Southwest Jiaotong P.R.China 610031 University ,Chengdu, Sichuan province,

Abstract:Micro-computer system is a large scale computer
controlling system with the high demanding of real-time performance. There were some papers to discuss its safety and its structure but very few papers to discuss the evaluation of its real-time performance and its dispatch method. In this paper we present two models based on the theory of random service to analyze the real-time performance of computer interlocking system. From analysis and comparison of the two models, we proposed the method to evaluate the real-time performance of computer interlocking system and a better dispatch principle to design the software. The models were tested in forms software and got the satisfied result in practice.

Keywords: Keywords: interlocking, real-time, queuing

I

Introduction

Micro-computer Interlocking System is a computer controlling system in modern railway signaling technology with the advantage of more safety, more reliability, easer to maintain ,easier to communicate with other railway transport computer manage and controlling system and so on compared with relay based
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interlocking system. Because of the better performance, the micro-computer interlocking system has been considered as the future substitute for relay based interlocking system. It is similar to the other large scale computer controlling system with the high demanding of real-time performance that the interlocking processor which is the central part and vital part needs to process more and more tasks in very limited interval. Though the processing power and speed of the modern microprocessor are remarkably increasing, a reasonable real-time dispatch discipline and the mathematic model are also necessary for getting the satisfied performance with the safe and real-time working behavior in interlocking system. In this paper, we proposed FCFS model and NPPR model to evaluate the software real-time performance of the interlocking processor. From the evaluation and analysis, we found that the NPPR model is a better way than the FCFS model, so we tested practice software with NPPR model and got the satisfied result.

II

Software Analysis of Interlocking processor
The interlocking processor is the kernel in interlocking

system. It has to perform the complex tasks such as interlocking, redundancy management self-checking, communicating with the upper computers, exchanging information with the other accompany processors, controlling trackside equipments, receiving and processing inputs and so on. The processor must be able to handle the concurrent events very quickly, otherwise the efficiency of the traffic in station will be decreased and even some dangerous damage may be caused, so the real-time performance is very important for the interlocking processor, especially with the increasing of functions and extending of the controlling scope.
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In table I, we list some tasks which have to be handle and the time limits with which the corresponded tasks should be executed. For the CPU in interlocking processor, all the tasks listed will arrive at random, and will produce queuing behaviors, so we provide the random service system to represent this queuing behaviors. The CPU is substituted by a waiter and the tasks waiting for service. In this way, we can use the theory of queuing to analyze the Real-time tasks and Time Limits List.



Hypothetical Condition

In order to establish the mathematic model of queuing, the follow Hypothetical Conditions are made 1.The tasks inputting process occurs in accordance with the 3 arriving conditions for Poisson Process. 2.The service unit is a single CPU, i e the number of waiter is 1. 3.The serving time distribution occurs according to the exponential distribution for there is no sequence effect in serving process.

IV

FCFS Model

Though there are lots of tasks, they are limited. Assume the total number of tasks in system is N, i.e. the source number of the customs e equals N, capacity number of the system for the customs d is N. If the serving process follows the principle of first come and first service, i.e. the first arriving task will be served first, the second will be served next and so on, the queuing model of the system is (M/M/I):(N/N/FCFS). It has the character of exponential distribution in arriving interval and service interval of tasks , In the system the waiter number is 1, the source number of the customs e is N; the capacity number of
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the system to the customs d is N, the servicing discipline is the first coming & first servicing. Because the system state N(t) which describes the possibility of the transform from state i to state j is independent with the previous states, this process can be described by Malcove random process. The state transforms as Fig.1 Among:

S0: N(t)=O, means that there is 0 tasks waiting for serving. S1: N(t)=l, means that there is 1 tasks waiting for serving. Sn: N(t)=n, means that there is n tasks waiting for serving.
The arriving intensity of irk task is λi; The serving intensity of ith task is μi。 ... If the serving intervals for all tasks obey the same exponential distribution, then ui=u, 1<I<N. If the mean interval in which the task takes from leaving after service to next coming is l/r, the mean arriving intensity of the task is I: If one task outside servicing system is waiting for triggering to get in, the arriving intensity is I; likewise if two tasks outside, intensity is 2r; the number of tasks outside is equal to the total number of tasks N minus the tasks inside , that is the arriving intensity in n state 。 Discussion: Assuming: 1. The mean interval in which the task take from leaving after service to next coming is 1 / r = 8 h,the mean arriving intensity of the task is r=12.5/s. 2.The mean service time 1/u=5ms; then u=2OO/s.When the number of the tasks in this system highlighted in table 1 N=40, we can get the following results: The length of queuing
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L=N-u(1-P0)/r= 40—700(1-0)/12 = 24 The mean length of queuing Lq =L—λ/μ=23. The mean time for waiting Wq = = L q/λ=0.1198s. From the results above, a task asking for serving has to wait mean time 119.8ms, which is insufficient for some tasks. but overshooting for other tasks, so the FCFS model is not able to meet the real-time performance under the some amount of the speed of processor.

V

NPPR Model

Comparing the mean time for waiting Wq=119.8ms with the Figures in Table 1, we get the result that the serving with the rule of FCFS is not satisfied in term of real-time performance in this system. So the priority power queuing model is proposed and its design principle can be described as below: 1. Define 1st, 2nd, 3rd……mth grades for tasks according to their urgency, tasks with 1st grades have the highest priority to execution, the mth the lowest. 2. The highest priority task in the queue is served first by CPU. 3. The tasks with same priority will be served with FCFS rule. 4. Non pulling away is allowed, considered the service of the lower priority tasks. The mathematics model symbol (M/M/I):(N/N/NPRR). There are m different arriving distributions for m grades of tasks, i. e. there are m queues in the system each for a grade of the tasks. Suppose: 1. All arriving distributions follow the Poisson distribution with the different arriving intensity λi. 2. All serving distributions follow the exponential
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distribution with the same serving intensity, i. e. we can define parameters as below:

u=ui. Then,

“Wi” -Mean waiting time for the ith queue of customs;
“Li”-Mean length for the ith queue of customs. From Little Wood equation, we can get the parameters above. First the waiting time Wi for the customer from ith grade queue is sum of times in which the other customers are served within the time of its arriving to the starting time of its being served. For example, a task of k grade (l<k<m) arrives, its waiting time includes 3 parts. (1) the intervals in which the waiter is serving other customs. (2) the intervals for the customs in the queues of l,2..., k grades who arrived before (3) the interval for the customs in the queues of 1.2, ..., k-l grades who arrived within the time of its arriving to the starting time of its being served.

VI. Conclusion
Comparing Wq in (M/M/I):(N/N/FCFS) model with Wq in (M/M/I):(N/N/NPPR) model, we can get the conclusion that the model (M/M/I): (N/N/NPPR) is prevail over model (M/M/I): (N/N/FCFS) in real-time performance and the priorities of the tasks should be given according to their time limit, so with the principle of (M/M/I): (N/N/NPPR), if the priority is given to the tasks properly, the satisfied real-time performance Will be gotten in the interlocking processor.

Reference:
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International Conference on [3]GS. Krut. Software design criteria for the safety-critical protection of automated transit system. Railroad Conference, 1990, Technical Papers Presented at the 1990 ASME/IEEE Joint [4]V.Chandra and M.R.Verma. A fail-safe interlocking system for railways. IEEE Design & Test of Computers8(1),March 1991. [5IChang Carl K, Chang Yong Fu, Yang Lin. Modeling a Real-time Muti-tasking System in a Timed PQ Net.IEEE Software. 1989.47-51 [6]E. Gelenbe & G Pujolle. Introduction to Queuing Networks. [7]A. Saeed and R. de Lemos and T .Anderson. An approach for the risk analysis of safety specifications .Computer Assurance, 1994. COMPASS '94 'Safety, Reliability, Fault Tolerance, Concurrency and Real Time, Security': Proceedings of the Ninth Annual Conference on, 1994 [8] A.L. Veiga, M.A. Mayosky,N.Martinez .A hardware/software environment for real time data acquisition and control. Real Time Conference,1999. Santa Fe 1999. 11th IEEENPSS, 1999 [9] K.D Shere and R.A Carlson.A methodology for design, test, and evaluation of real-rim systems.IEEE-Computer ,Volume: 27 Issue: 2 , Feb 1994 [10]B. Hamidzadeb and Y. Atif. Dynamic scheduling of realtime tasks, by assignment. Concurrency, IEEE, Volume: 6 Issue: 4 ,Oct-Dec 1998.

外文翻译 基于排队理论的铁路计算机联锁系统的性能评估
郭进 朱长乾 杨扬 计算机与通信技术学院 西南交通大学,成都市,四川省,中国,邮编 610031
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摘要: 摘要: 微型计算机系统是一种对于实时性能有很高要求的高级别
计算机控制系统。有大量的论文讨论了它的安全性和它的结构,但是对 于它的实时性表现和它的分配方法的评估则讨论的很少。 在这篇论文中, 我们呈现了两种基于随机服务理论的模型去分析计算机联锁系统的实时 性能。通过分析和比较这两种模型,我们设计了一种方法去评估计算机 联锁系统的实时性能,和一种更好的设计软件的分配原则。这两种模型 在表格软件中进行了测试并且在实践中得到了一个较满意的结果。

关键字: 关键字:联锁,实时性,排队 1 说明

微机联锁系统是一种现代铁路信号计算机控制系统,与继电联锁系 统相比,它具有更高的安全性,更好的可靠性,容易控制,容易与其他 铁路运输系统的计算机相联系等等的优点。由于其较好的性能,微机联 锁系统已经被认为是未来继电联锁系统的替代者。 它与另外一种大型计算机控制系统相类似,其对于实时性能有很高 的要求,中心部分和最重要的部分—联锁处理器需要在非常有限的时间 间隔内处理越来越多的任务。虽然现代微处理器的处理的强度和速度显 著增加,但是为了得到一种可靠的,实时工作的,具有令人满意的性能 的联锁系统,开发一种合理的实时分配原则和模型是必须的。

2

对联锁处理器的软件分析

联锁处理器是联锁系统的核心。 它必须处理复杂的任务例如联锁, 多余管理自我检查, 与上层的计算机沟通, 和另一个对应的处理器交换 信息,控制进路设备,接受并处理输入等等。 处理器必须能够非常快速地 处理同时发生的事件,否则车站的交通效率将会降低,甚至引发一些非 常危险的后果, 因此联锁处理器的即时性能是非常重要的, 尤其是随着 功能的增加和控制范围的扩充。 在第一个表格中, 我们列出了一些必须 被处理的任务和在时间限制下哪些符合的任务应该被执行。 对于联锁处 理器的CPU,所有的任务将会随机到达,而且将会产生排队行为, 因此我
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们提供了随机服务系统来表现这一排队行为。 处理器被一个中断和等待 服务的任务所替换。 这样,我们能使用排队理论去分析即时的工作和时 间限制列表。

3. 假设的情况
为了建立排队理论的数学模型, 设定下列假设的情况: 1.输入程序的任务与第三种到达情况一致而发生泊松进程。 2.服务单元是一个单独的处理器,中断的数量是1。 3.因为在服务进程方面没有序列效果, 服务时间的分配依照指数的分配。

4 FCFS 模型
虽然有许多的任务, 但是他们是被限制的。 假设系统中任务的总量 是 N, 自定义来源的数量e等于 N, 自定义系统的容量d等于N。 如果服务 进程遵守先到先服务原则,第一个到达的任务首先会被执行,第二个将 会在下次执行,等等,系统的排队模型是 :( M/M/I ):(N/N/FCFS)。它 具有任务到达间隔和服务间隔进行指数分配的特征。在这个系统的等待 的数量是1,自定义来源的数量e等于N,自定义系统的容量d等于N,服务 原则是先到达先服务。由于系统的状态N(t)描述了从状态i转化到状态j 的可能性是独立于先前状态的,这个进程可以被Malcove随机进程所描 述。状态的转化如图1: 其中: S0: N(t)=O,意味着没有任务在等待被执行。 S1: N(t)=l, 意味着有1件任务任务在等待被执行。 Sn: N(t)=n,意味着有n件任务在等待被执行。 繁杂任务的到达强度是λi,繁杂任务的服务强度是μi。 如果所有任务的服务间隔遵守同样的指数分配,那么ui=u, 1<I<N。 如果任务从离开到下一次服务的开始所需的平均间隔为l/r, 那么任务的 平均到达强度就为I。如果一个服务系统之外的任务在等待触发进入,其 到达强度为I。同样的,如果两个任务在服务系统之外,其强度为2r。外 部任务的数量等于任务的总量N减去内部的任务量,那就是在n状态下的
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到达强度。 讨论: 假设: 1.从任务服务结束到下一次的到来所需的平均间隔时间1/r = 8 小 时。 任务的平均到达强度r=12.5/s。 2.平均服务时间1/u=5ms,其中 u=2 OO/s。在表格1的这个系统中被 加亮的任务的数量N=40,我们能得到下列的结果: 3. 排队的长度 L=N-u(1-P0)/r= 40—700(1-0)/12 = 24 排队的平均长度 Lq =L—λ/μ=23。 等待的平均时间 Wq = = L q/λ=0.1198s 从上述结果可见,一个任务请求服务必须等待平均时间119.8ms, 这对于一些任务是不够的,但是对于另外的任务则是不够的。因此FCFS 模型在某些处理速度的处理器下并不能适应即时性能。

5 NPPR 模型
拿表格1中的数字和平均等待时间Wq=119.8ms相比较, 我们得到结果: 在这个系统中FCFS的服务规则并不能满足即时性能要求。因此设计了优 先力量排队模型,并且其设计原则描述如下: 1.根据任务的紧急程度将任务定义为1,2,3...m个等级。 1等级的任务 具有最高的优先权被执行,m级是最低的。 2.队列中最高优先级的任务第一个被CPU所执行。 3.具有相同优先级的任务将按照FCFS规则所执行。 4.考虑到低优先级任务的服务,不允许任何离开。 数学模型符号 (M/M/I):(N/N/NPRR)。 对于m个级别的任务有 m 种不同的到达分布原则,这个系统中对每一 级别的任务有m中队列。假设: 1. 对于不同的到达强度λi所有的到达分布遵守泊松分布。。 2. 对于同样的服务强度所有的服务分布遵守指数分布, u=ui。 因此,
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我们定义如下的参数 " Wi"—第i个队列的平均等待时间 " Li"—第i个队列的平均长度 从小伍德等式,我们可以得到上面的参数。首先,等待第i级别队列 的任务的时间是其他在到达和开始时间之间的任务服务时间之和。 例如, 一个第k级别的任务到达,它的等待时间包括3部分:(1)服务其他任务 的等待间隔。 (2)队列中的先到达的第1,2,…k等级的任务间隔。 (3) 队列中的在它到达至开始被服务的时间内的第1,2,…k-1等级的任务时 间间隔。

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结论

比较 (M/M/I):(N/N/FCFS) 模型中的Wq与(M/M/I):(N/N/NPPR)模 型中的Wq, 我们可以得到结论:(M/M/I):(N/N/NPPR)模型在即时性能和 给定时间限制区分任务优先次序时优于(M/M/I):(N/N/FCFS) 模型。因 此以(M/M/I) (N/N/NPPR)为原则, 如果给予任务适当的优先权,在联锁 处理器中我们就会得到令人满意的即时性能。

参考文献: :
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附图 2

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