鐵路信號集中監測系統研究

劉賀軍 胡亞峰

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著我國經濟高速增長和城鎮化進程加快，交通擁堵已成為制約發展的瓶頸之一。軌道交通具有大運量、安全、綠色等優勢，可為我國交通狀況改善提供根本保障。近年來，高速鐵路和城市軌道交通建設在我國發展迅猛，取得了驕人業績。作為行車安全的關鍵保障系統，鐵路信號系統在技術和設備上也不斷推陳出新，進入了快速發展的新時代。各類信號設備高效可靠運行是影響軌道交通運營安全、效率和旅客滿意度的關鍵因素。為此，鐵路管理部門需全面實時地掌握各信號設備的運行狀態，迅速深入分析，及時發現問題并解決問題。這要求有一套完備的監測和分析系統，作為鐵路管理部門的支撐，以實現信號設備管理和維護從傳統的人工或半人工模式向智能化和信息化模式轉換。

信號集中監測系統（Centralized?Signaling?Monitoring，CSM）是保證行車安全、加強信號設備結合部管理、監測信號設備狀態、發現信號設備隱患、分析信號設備故障原因、輔助故障處理、指導現場維修、反映設備運用質量、提高電務部門維護水平和維護效率的重要行車設備[1]。該系統融合先進的傳感技術、現場總線技術、網絡通信技術、數據庫技術和軟件工程技術，實時、準確、可靠地檢測并記錄信號設備及其結合部的運行狀態和運用質量，為電務部門掌握設備運用狀況和故障分析提供科學依據，是面向用戶的開放性和模塊化設計的系統。本系統已成功應用于國內各普速線、快速線和城市軌道交通線路，累計開通車站超過5?000個，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

本文結合北京全路通信信號研究設計院有限公司（簡稱通號院）在該領域的研究成果，回顧了信號集中監測系統的發展歷史，分析了現階段應用狀況，討論了若干發展方向。需要指出的是，本文的研究背景為國有鐵路信號系統，但相關研究成果對城市軌道交通信號系統同樣具有借鑒意義。

2 發展回顧

我國對鐵路信號集中監測系統的研究已有20多年的歷史。早在20世紀80年代，部分鐵路局已開始研發信號微機監測系統。截至1996年，研制單位已達20多家，全路200多個車站裝備了該類系統。受當時技術條件的限制，該階段的微機監測系統制式不一，標準各異，精度不高，可靠性差，很少集中聯網，運用狀況不理想。這類系統可算作信號集中監測系統的雛形階段。

1997年，為規范信號微機監測系統的上道管理，鐵道部組織相關專家進行了大規模的調研，并在此基礎上組建了由各研制單位組成的聯合攻關組。經過近六個月的努力，第一代TJWX-97型信號微機監測系統問世，并在五大干線推廣實施，為監督信號設備運用狀態及鐵路運輸安全做出了貢獻。該階段的特點是高起點、高標準和高要求，是信號集中監測系統的第一階段。

隨著第一代信號微機監測設備的成功應用，鐵路部門對其重要性有了新的認識。鐵道部在2000年初將信號微機監測系統稱為電務系統的“黑匣子”，列為鐵路運輸安全的首要措施，按行車安全設備對待。但第一代系統在現場應用中由各研制單位進行了不同程度的完善，造成了制式不一、無法聯網的局面 ；“4.29”、“7.9”、“10.29”系列事故也要求新一代微機監測系統能夠準確判斷違章操作帶來的事故隱患。為使微機監測系統真正成為運輸安全設備，鐵道部于2000年匯集各單位意見，發布了新的微機監測系統技術條件[2]。同年，鐵道部召集各研制單位的技術專家，進行了第二次聯合攻關，開發了新型的TJWX-2000型信號微機監測系統。該系統以新的技術條件為依據，采用統一的標準和制式，具備全路聯網功能，能夠準確判斷設備故障和違章操作帶來的事故隱患，實現防患于未然。該階段是信號集中監測系統的第二階段。

隨著TJWX-2000型產品的普遍應用，用戶對微機監測系統的要求和期望也日益增高。鐵路信號的新技術和新設備不斷上道運用，且電務段生產力布局的調整也加大了電務部門安全管理的難度。這迫切需要提高信號微機監測系統的技術水平，充分發揮其在保證行車安全、加強信號設備結合部管理、監測信號設備運用狀態、發現信號設備隱患、分析故障和指導現場維修方面的作用。2006年，鐵道部組織各鐵路局和研制單位，編制了新的信號微機監測系統技術條件[3]。各研制單位以此技術條件為依據，對原系統功能和結構作了較大改進，增加和完善了監測內容，不斷提高測試精度和穩定性，相繼推出了TJWX-2006型信號微機監測系統。目前，該系統已在各高速鐵路和主要干線廣泛應用，提高了電務部門維護水平和維護效率，壓縮了電務故障延時，充分發揮了保障運輸安全和提高運輸效率的作用。該階段是信號集中監測系統的第三階段。

隨著我國高速鐵路的大規模建設和投入運營，鐵路安全生產面臨的問題日益突出，與鐵路安全相關的信號設備監測系統也備受關注。鐵路電務部門迫切需要一個集設備監控、診斷維護、生產管理等功能于一體的綜合化和智能化平臺，來提高維護能力和決策能力。2010年，鐵道部組織各鐵路局和研制單位，對原技術條件進行修訂，制定了新的技術條件[4]。該技術條件將信號集中監測系統作為原信號微機監測系統的升級版，定位為信號設備的綜合監測平臺；在堅持原有體系結構下，明確了電務段子系統的中心地位，增設了WEB、時鐘、網管和防病毒等服務器，對關鍵設備要求實現雙機熱備和負載均衡功能；強化了系統的數據分析功能，明確了預警分析和故障診斷內容；增加了對高速鐵路特有信號設備的監測。當前，各研制單位正以新的技術標準為依據，對原系統進行改造和升級。各鐵路局也已全面展開新技術條件下既有監測系統的升級和新建線路的實施工作。當前是信號集中監測系統向綜合化和智能化發展的關鍵階段，可歸為系統的第四階段。

3 現階段應用分析

信號集中監測系統由鐵道部電務監測子系統、鐵路局電務監測子系統、電務段監測子系統、車站監測網和廣域網數據傳輸子系統組成，其總體結構如圖1所示。

車站監測網是系統的基本單元，負責數據的采集、分類和分析處理，實現信號設備的實時監測與故障診斷。它包括站機、采集設備及網絡通信設備。

電務段監測子系統是系統的中樞，管理全段內所有車站節點，接收和存儲站機數據，發送有關指令對站機進行操作，根據監測終端要求進行數據分發和WEB服務。它配置數據庫服務器、應用服務器、通信前置機、接口服務器、WEB服務器、維護終端和監測終端等設備。

鐵路局電務監測子系統是全局信號集中監測系統的監控中心，管理局內所有的電務段及車站節點，負責與所轄電務段及鐵道部建立通信連接和數據交換。它配置應用服務器、監測終端和維護工作站。

鐵道部電務監測子系統是全路信號集中監測系統的監控中心，管理全路的聯網車站，負責與各鐵路局建立通信連接和數據交換。它配置通信管理機和鐵道部監測終端。

廣域網數據傳輸子系統由車站與電務段間的基層網及電務段與鐵路局、鐵道部的上層網組成。基層網采用環形組網方式，每5～12個車站形成一個環路，并以不低于2?M通道抽頭方式與電務段星型連接。上層網采用不低于2?M通道星型連接的組網方式。各網絡節點間采用TCP/IP協議和統一的數據格式進行通信。

信號集中監測系統的監測對象可分為模擬量、開關量和帶自診斷功能的信號設備3類，如表1所示。系統實時采集信號設備的電氣特性、設備狀態、網絡連接狀態和故障告警等信息，并以報表、曲線等形式提供人機交互界面，具有信息展示、歷史回放、統計分析、預警報警和輔助故障處理等功能。系統采集第一手的信號設備運用信息，同時對各信號子系統的維護單元進行資源整合，為電務維護人員提供統一的集中監測和故障分析平臺。

該系統應用以來，科學指導了故障處理和現場維修，為事故分析和定責提供了科學依據，極大降低了電務部門的勞動強度，提高了電務維護水平和生產效率，保障了行車安全，已成為鐵路信號系統的標準裝備。

水利部、財政部2012年5月啟動了《全國中小河流治理重點縣綜合整治試點規劃》編制工作，在全國范圍內選擇一批中小河流治理重點縣開展綜合整治和水系連通試點項目區。本文是在分析縣鄉河道面臨主要問題的基礎上，提出在治理規劃設計中的基本思路以及需要注意的幾個要點，以期為工程技術和管理人員在相關規劃設計中提供借鑒和參考。

表1 信號集中監測系統監測對象

隨著軌道交通安全要求的不斷提高，信號集中監測系統也面臨諸多發展瓶頸，可分為如下3個方面。

首先，系統的智能分析與故障診斷水平較低。當前系統基本還停留在采集數據的展示層面，設備的維修和維護信息主要依靠人工調閱和判斷，無法通過系統自動判別設備隱患和精確定位故障。盡管各研制單位已開始研究該類課題，并取得了一些成果，但離可靠實用的應用目標尚有較大差距。如何將系統采集的信息進行科學的歸納和分析，給電務維護人員提供及時的診斷信息和高效的解決方案，是迫切需要解決的問題。

其次，系統的監測范圍有待拓展。對于RBC、TSRS和有源應答器等設備，盡管當前系統已預留接口，但未實現監測；車載ATP子系統的信息尚未納入；與信號系統相關的安全數據網、GSM-R無線網和視頻監控系統也未納入監測范圍。對于部分已納入監測范圍的信號設備，系統采集的設備狀態信息和業務信息也需進一步精細和拓廣。

最后，系統的功能有待延伸。當前系統主要集中于信號設備的監控，對于電務部門的生產調度、施工管理和應急指揮涉及很少。同時，信號設備履歷管理系統、電務故障管理系統、機車信號故障管理系統和檢修基地管理系統等信息系統也在先后電務部門應用。由于網絡、標準以及信息平臺等因素的限制，這些系統大多限于局部應用，整體性不強，無法實現信息交互和協同應用。以信號集中監測系統為基礎，構建統一的信息平臺，實現電務生產和管理信息的資源整合和優化，是電務信息化建設的迫切需求和必然趨勢。

4 研究展望

信號集中監測技術近年來已獲得廣泛關注，業界也提出了大量理論和方法。本文結合通號院的研究進展，介紹若干值得深入研究的方向。

4.1 基于機器學習的設備級故障診斷

轉轍機是故障類型較復雜的信號設備之一，其相關的監測量包括動作電流、動作功率、轉換方向及表示電路電壓。通號院基于這些觀測數據，應用機器學習技術，對轉轍機故障診斷進行了研究，取得了階段性成果。系統自適應設置閾值，對原始電流和功率曲線進行分割，使其分割為與動作次數匹配的片段；對于各片段，通過各類信號處理方法提取穩定的統計特征，如電流強度、噪聲水平和噪聲分布均衡度等；基于高斯核函數估算各故障類型的先驗概率密度分布；對于待診斷數據，基于后驗概率密度分布將故障分析結果排序給出。系統支持對未知故障類型的自學習和既有故障類型的自適應更新，適用于交流轉轍機和直流轉轍機，并涵蓋單機單動、單機多動、雙機單動和雙機多動等應用場景。

4.2 基于仿真的系統級故障診斷

鐵路信號系統由各子系統和設備等基本單元構成，各單元間主要靠業務信息發生關聯，在電氣特性上并無太多相關性。分析各單元的業務功能，提取關鍵業務數據，構建業務模型，是系統級故障診斷的基礎。基于仿真的系統級故障診斷，也即用數學模型來模擬真實的信號系統，再將模型狀態與信號系統的真實業務狀態進行比較，從而發現和定位系統的故障。用于診斷的數學模型包括各單元的業務模型及相互間的交互關系，應反映真實系統的主要特征。通過對信號系統的業務流程分析，可歸其為離散事件系統，即其狀態在某些離散時間點上發生變化。仿真的實現依靠事件驅動，這類事件包括道岔鎖閉、區段占用和進路開放等，其發生時間與真實系統同步。當仿真系統與真實系統的業務狀態存在差異時，依據時間次序及判別規則對故障進行識別和分析。圖3描述了基于仿真的系統級故障診斷流程框架。

4.3 電務綜合監測平臺

將信號集中監測系統的監測范圍擴展，構建涵蓋全部信號設備和通信設備的電務綜合監測平臺，是系統往廣度發展的一大方向。各信號設備及關聯的通信設備是一個緊密結合的大系統，分散和孤立的信息不利于系統級的故障診斷。同時，若單類設備配置獨立的維護單元，則維護人員需要查看各自的維護終端進行分散維護，將給管理和維護帶來極大不便。對照既有功能，該平臺需將RBC、TSRS、有源應答器和車載ATP等信號設備納入，還需將安全數據網、GSM-R無線網和視頻監控等通信設備納入。

4.4 電務綜合管理平臺

將信號集中監測系統的功能擴展，構建涵蓋鐵道部、鐵路局、電務段、工區和設備供應商的電務綜合管理平臺，是系統往廣度發展的又一方向。通過該平臺對電務部門既有各信息系統進行整合，可徹底消除信息孤島現象。平臺以電務段為中心，在此建立數據中心，匯集電務生產和管理的各類信息，各應用終端可以WEB方式進行遠程訪問。如圖4所示，整個平臺的功能可分為設備管理、生產管理、應急指揮、經營管理、網絡辦公和系統維護等6大部分。基于該平臺，通過對電務信息的整合和挖掘，優化電務作業流程，改進作業方式，將極大提高電務生產效率，有力推動鐵路電務信息化建設。

5 結束語

信號集中監測系統從我國軌道交通實際出發，歷經幾代發展，實現了信號設備狀態的準確采集與可靠傳輸，提高了電務維修的自動化和智能化水平，保證了行車安全和運營效率。本文回顧了該系統的發展歷史，分析了現階段應用狀況，提出了一些需深入研究的方向。信號集中監測系統作為一項重要的技術裝備，必將隨著其深度和廣度的不斷拓展而得到更廣泛的應用。

[1]李萍.鐵路信號集中監測系統[M].北京：中國鐵道出版社,2012.

[2] TB/T2496-2000 信號微機監測系統技術條件[S].

[3]運基信號[2006]317號 信號微機監測系統技術條件（暫行）[S].

[4]運基信號[2010]709號 鐵路信號集中監測系統技術條件[S].

[5] Murphy K.P.Machine Learning：A Probabilistic Perspective[M].Cambridge,MA：MIT Press,2012.