基于光纖通信以及數據庫共享的鐵路信號傳輸系統

杜明陽

基于光纖通信以及數據庫共享的鐵路信號傳輸系統

杜明陽

為了提高鐵路運營效率，需要對現有的鐵路信號系統結構進行大量的升級改造。但是，鑒于系統改造時間僅限在深夜以及系統運營的靈活性受限于系統復雜的架構體系，目前信號結構的擴建效率是比較低的。為了解決這個問題，本文提出了基于互聯網傳輸、自律分散技術以及數據共享庫結合的一種綜合信號傳輸系統。將系統的各個裝置分成獨立的微型系統，各自具有相應的控制處理器，從而實現了多個小系統的自律運行，改善了鐵路信號傳輸體系的快速性和可靠度。與常規的系統相比，不僅提高了系統建設速度和降低建設成本，而且簡化了系統信號傳輸的復雜度，增加了各個設備之間信息的共享率。

隨著旅客容量增加和服務質量要求的提高，鐵路信號系統一直處于不斷的改善中，使得系統的結構體系越來越龐大，改造建設任務的難度越來越高。因此，如何提高信號系統的施工效率成為一個研究課題，但是受系統架構的影響，目前的建設效率幾乎已經到達了一個極限值。

目前的鐵路信號系統主要包括兩個子系統：交通控制部分和信號控制部分。自律分散技術和保護電路已經廣泛用于改善交通控制體系的可靠性和靈敏度。對于信號控制部分而言，同樣需要保證中央處理器和現場設備之間信號傳輸的正確度與快速性。目前，國內外部分學者已經提出了將自律分散技術應用于信號控制系統中。

本文提出了將互聯網傳輸、自律分散技術以及數據共享庫結合的新型綜合鐵路信號系統。與目前存在的系統相比，本文提出的系統有以下三個方面的改進創新：（1）優化了通過光纖電纜傳遞的數字信號來控制現場設備的信號系統網絡，使得自律分散系統的各個裝置之間能夠實現獨立通信。同時利用保護措施實現了現場信號設備的在線維修；（2）引入了數據集合和共享中心，使得各個信號設備的信息傳輸更加快速；（3）邏輯控制器和對應的信號設備都獨立集成一臺具有高性能且安全可靠的微型處理器。

目前鐵路信號控制系統存在的一些問題

鐵路信號系統的典型配置由邏輯控制中心和現場設備控制部分組成，在運行效率方面各自都存在一定的缺陷。

現場設備控制部分的問題

目前的現場設備控制器是安裝在室內的，與每一個現場信號箱的通信是通過大量的金屬電纜完成的。為了準確控制信號箱，需要復雜的邏輯電路產生控制條件信號并經線路傳輸到現場的設備。因此，為了達到對現場設備的控制目的，需要大量的傳輸線路以及不定期的人工線路巡檢，基于這樣的信號傳輸方式，極易造成由于人為布線錯誤引起的交通控制信號混亂。另一方面，目前的系統缺乏健全的外圍保護電路，不能及時消除線路短路故障引起的系統性能紊亂。因此，需要對現場設備的控制系統進行優化，實現綜合化控制。

邏輯控制中心的缺陷

邏輯控制中心電路由不同的電子器件組成，主要完成閉鎖、自動停車等功能。盡管集成電路板處于不斷的發展中，但是目前的系統僅僅是從繼電器邏輯電路轉換到依靠軟件編程來實現某一項功能，因此市場上出現了很多版本的集成電路板。此外，控制器之間的連接是通過不同類型的接口實現的，如串行接口、繼電器以及以太網等。基于這樣的系統配置，如圖1所示，當增加部分電路模塊時，對現場信號箱、自動停車指示的功能改變較小，因此邏輯控制器的靈敏度較差。

圖1 傳統的邏輯控制中心

基于自律分散技術的新型信號運營系統

為了提高信號系統的靈明度和解決1.1、1.2提出的問題，本文提出的設計方案中引入了自律分散技術。該系統中，控制所有信號設備邏輯功能的中央處理器和連接現場信號箱的控制器是通過光纖網絡連接，如圖2所示，兩者都有獨立的CPU去自主的運行。

用于鐵路機車運營的網絡傳輸系統

本文將自律分散技術應用于鐵路站臺的網絡信號系統，具體的系統配置由邏輯控制中心、現場控制設備、網絡傳輸以及實時監測部分組成。邏輯控制中心向現場的控制器發出總的控制信號，用于完成整個鐵路網的信號閉鎖、自動停車以及間接控制現場信號箱等關鍵性功能。同時具有實現機車運行、機車停止以及機車維護的模式轉換功能。每一個功能都由通過獨立的控制器實現，部分控制器不再是傳統的集成電路。現場信號箱的功能是通過繼電器動作實現的，首先將這些功能繪制成軟件流程圖，配合相應的硬件電路集成到一臺可靠的微機控制器來實現。

圖2 新型的信號運營系統

通信網絡協議用于實現人機交互功能的信號傳遞。例如，系統維護中需要進行機車工作模式轉換，借助通信協議，工作人員向目標設備發出相關信號，目標設備向上位機反饋相應的檢驗加密碼。工作人員依照通信規約將安全碼轉換成可識別信息，并且將該識別信息發送給現場設備控制器，用以再次確認命令的正確性。

通信消息主要包括命令信息和安全校驗信息兩部分。命令信息包括接收地址、被控制設備的動作指令例如：開關轉換方向、模式轉變（正常、檢修）等。安全檢驗信息包括序列號、時間溢出標志位、反位碼以及循環冗余校驗碼，這一部分用于檢查計時和信息發送/接受出現的錯誤，一當發現有錯誤，系統的信號設備轉換為安全模式。其中的時間標志位用于判斷信號是否保持同步通信。

目前的信號設備與斷路器、隔離開關相連，在開關驅動電路中，用于控制設備的信號和傳輸介質是一體的。因此當現場的控制設備需要更換時，需要進行邏輯測試，由于電力驅動器件不等同時具有多個模式，因此在線維護存在很大的限制。在依靠數據流驅動的系統中，傳遞的信息與介質是獨立分開的，因此當更換裝置的時候不需要測試邏輯可行性。現場控制設備的運營模式同樣包含在控制數據流中，因而諸如機車運營和在線維修這樣的多種模式能夠并存，具有很高的安全性能。

自律分散技術在邏輯控制中的應用

為了解決1.2節存在的缺陷，本文提出了基于自律分散技術的重組邏輯控制單元。系統局部變換對整體性能的影響是可估計的，同時改善了系統結構的靈活性。目前應用的系統結構中，每一個信號設備的控制邏輯電源是集中化的，信息的交換直接通過可設置優先級別的網絡接口。因此當邏輯關系變化或者功能變化時產生的影響難以估測。另一方面，在自律分散結構中，所有的信息交換都是通過數據中心完成的，因此容易估測邏輯關系功能變化產生的影響。

信號控制邏輯單元主要包括閉鎖和信號跟蹤控制裝置。閉鎖裝置是為了鐵路站進行機車運營控制時的安全性設置的，完成多個機車并發運行的調度功能。信號跟蹤控制器能夠根據現場的控制設備、停車指示以及分叉口監測反饋的信息來自動跟蹤列車的運行軌跡。自律子系統是一個抽象的信號設備，和現場的一個和多個信號設備相對應。例如，R和現場的信號指示燈以及變軌指示對應，T和運行跟蹤電路對應。每一個子系統都配置有獨立的軟件程序模塊，完成對現場設備的邏輯指令以及各種保護功能。同時，每一個子系統將各自的狀態信息上傳到數據中心，同時從數據中心讀取其他子系統的狀態信息。因此，實現各個子系統的獨立運行功能。數據中心由多條分航線構成，主要包括互鎖和列車跟蹤信息。其中分航線是列車檢測和開關指示區域定義的抽象數據。每一條分航線具有不同的ID，和子系統以及子航線對應的內容代碼。自律子系統自帶3個接口用于和外部系統進行通信：操作員、信號設備以及機車車輛。

邏輯控制中心將現場信號設備的部分功能分配給現場控制裝置的軟件程序，現場控制裝置分析被控制信號設備的邏輯控制關系并將分析結果與相鄰的控制設備交換，從而實現整個系統信號設備的正常運作。當現場控制處理器帶有上述軟件功能時，現場的信號設備相當于一臺獨立運行的微小系統。各個“小系統”之間通過以太網傳輸協議交換各自的運行狀態信息。

在系統調試的過程中，需要實時監測各個信號設備之間的合作程度，不斷優化硬件電路以及傳輸路徑和方法，實現機車運作的有效控制。信號系統數據中心會收集到各個信號設備的運行狀態以及相互的配合度，從而實現了各個設備的自律分散運行。

結束語

本文詳細的給出了基于互聯網技術和數據共享的鐵路信號傳輸系統的實現方法，結合網絡傳輸協議以及數據控制中心，從而將每一個系統設備設置成獨立運行的微型系統，加快了各個設備之間的信息交換速率，實現了各個功能模塊的銜接，同時基于這樣的系統架構體系，加快了鐵路建設和改造程度，能夠滿足現代化鐵路中日益增加的運輸容量。

杜明陽

朔黃鐵路有限責任公司肅寧分公司

杜明陽（1984.10.25-）男，助理工程師，研究方向：鐵路信號傳輸與自動控制研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.026