物聯網技術在鐵路信號設備集中監測方面的應用

夏禹

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北滄州062350）

物聯網技術在鐵路信號設備集中監測方面的應用

夏禹

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北滄州062350）

物聯網技術發展方興未艾，在信息化背景下的鐵路信號設備監測發展也順應潮流發展成熟。論文以物聯網技術為導引，深入探討物聯網技術在鐵路信號設備集中監測方面的應用。分別從鐵路信號設備集中監測系統結構，在此結構基礎上應用的各種物聯網感應器件及其原理，通過應用相應的感應器件實現的功能幾方面進行論述。引入大數據理論，展望物聯網技術和大數據技術結合所帶來的更加豐富的應用功能。

物聯網；鐵路信號；集中監測；感應器；大數據

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.142

1 引言

物聯網就是把感知器裝備到各種真實物體上，并通過互聯網連接起來，進而運行特定的程序，以達到遠程控制或者實現物與物的直接通信。物聯網技術的核心和基礎仍然是“互聯網技術”，是在互聯網技術基礎上的延伸和擴展的一種網絡技術。其用戶端延伸和擴展到了任何物品和物品之間，進行信息交換和通訊，這種將物體連接起來的網絡就稱作“物聯網”。

鐵路信號電氣設備相對復雜，其中最主要的分為：道岔、軌道電路、信號機、操作控制臺和供電設備。這些設備的日常監測主要是電氣方面的監測，包括電壓、電流、頻率、相位和相對應生成的曲線。各個信號設備通過不同的傳感器采集不同的電氣特性數據，通過232和422串口通信協議傳輸至集中監測車站子系統進行分類匯總，并設置報警門限值進行系統監測。集中監測系統采用基于TCP/IP協議之上的廣域網絡模式。結構可分為監測中心子系統（維護中心）、終端子系統（維修工區、調度中心）和車站子系統（車站、中間/中繼站、動車段和線路所）。這種模式屬于面向單一機構內部服務的私有物聯網模式。

2 集中監測系統介紹

2.1 集中監測系統結構

集中監測系統的數據處理按照處理節點的地位不同可以分為站機、服務器和維修終端等子系統，每個子系統對于數據的處理各不相同。集中監測系統在車站配置信號設備集中監測車站基層系統一套，包括監測站機（工控機、打印機、顯示器）、音響、采集機、UPS電源、傳感器件、現場總線控制模塊和接口設備等。采集設備采集模擬量信息及部分開關量信息。目前，由于集中監測連接的設備智能化集成越來越高，大部分開關量信息（例如站場圖、列車運行狀態等信息）通過與計算機聯鎖系統、調度集中系統接口和列控中心系統獲得。

具體設備布置如下：（1）在信息中心設置一套信號集中監測系統應用服務器。（2）在各個車間分別設置一套維護管理終端和監測終端。（3）在各個領工區設置一套監測終端。（4）所有車站信號設備電氣信息都通過各站的車站子系統（以下簡稱站機）匯總并通過網絡上傳至信息中心應用服務器，各個車間和領工區通過網絡調用信息中心應用服務器數據。

2.2 集中監測站機結構

站機負責監測系統所需開關量、模擬量、報警信息數據的采集、分類、邏輯分析處理、報警輸出、數據統計匯總和存儲回放等功能，并提供了人性化的人機交互界面，以圖形、列表及曲線等方式給電務維護人員提供最有價值的維修狀態信息，同時接收用戶數據及指令的輸入，實現實時、交互式的瀏覽和查詢。另外，站機作為基層采集和執行單元，和維護監控中心及車間監控系統進行通信，通信方式采用TCP/IP協議。站機將車站實時的數據和報警傳送到上層，并接受上級的控制命令。

整個系統中，車站部分是所有信息的來源及基礎，車站層集中監測在功能上包含：2006型信號集中監測子系統、ZPW-2000A型區間自閉監測子系統接口、智能電源屏監測接口，預留SCADA環境監控子系統接口、轉轍機表示缺口監測子系統等功能模塊組成。

車站系統包括車站監控主機、機柜（采集機柜和網絡機柜）、采集分機（綜合、道岔等）、隔離轉換單元、數據處理單元，區間自閉信號采集設備（區間發送，接收綜合采集器）、UPS電源、打印機（另外選配）以及車站局域網設備等。站機與采集系統之間的通信采用CAN總線和RS422/485串行通信等方式。

車站監控主機（簡稱站機，一般為工業控制機）是車站系統的核心，它負責集中監測所需數據的采集、分類、邏輯分析處理、報警、數據統計匯總和存儲回放等功能。并提供了集中監測的人機交互界面，以圖形、列表及曲線等方式給電務維護人員提供最有價值的維修狀態信息，同時接受用戶的輸入，實時交互式瀏覽和查詢。

車站監控主機作為基層采集和執行單元，和維護中心監控服務器進行通信，通信方式采用TCP/IP協議。站機將車站實時的數據和報警傳送到上層，并接受上級的控制命令，然后驅動外圍控制單元。

同時，車站監控主機接收道岔缺口分機的數據，將數據處理，匯總并在界面上以圖形、報表、報警等方式顯示，通過網絡傳送到維修中心服務器中，維修中心服務器處理后，再分別送給維修監控終端以及其它監控終端顯示。同時，上級維修監控終端的命令由網絡下發給車站監控主機，由監控主機處理后轉發給道岔缺口分機處理。

車站監控主機同時負責和智能電源屏數據主機以及CTC電務維修機、計算機聯鎖維修機、列控中心系統維修機、ZPW2000系統維修機等設備進行數字接口，獲取信息并集中處理顯示。

2.3 維護中心系統結構

綜合維護中心系統是集中監測系統的中心，通過專用網絡與各個監測車站進行通信，收集各個集中監測站機的維護維修信息，對于報警信息，及時給出報警提示。同時可以根據用戶的不同查詢條件形成各種的維護維修匯總報表，便于對設備進行統一維護和維修指導。綜合維護中心系統包括應用服務器、維護終端等子系統。

維護終端包括維護中心調度終端、系統維護工作站、調度中心監測終端等。監測終端可根據需要和類型進行部署和配置。電務段監測終端用于電務段人員的人機操作，監測、控制和管理其權限范圍內車站的站場信息；各類開關量、模擬量和報警信息；電務測試與維修信息等。

3 功能實現

3.1 數據采集及報警功能

集中監測對開關量在線測量的要求包括按鈕狀態、控制臺表示狀態、區間信號機及軌道占用狀態、1DQJ狀態、功能型繼電器狀態等。

采樣方式主要以接口方式為主：（1）其站場表示開關量等信息來自計算機聯鎖系統和列控中心系統；（2）ZPW2000A區間自閉系統電壓、電流、載頻以及低頻的測試來自ZPW2000A系統維修機；（3）電源屏電壓、電流和電源狀態信息來自智能電源屏；（4）外電網質量監測利用專用智能采集器采集；（5）信號機回線電流、交流轉轍機功率、道岔表示電壓利用專用智能采集器采集；（6）1DQJ熔絲報警的監測采用開入板單獨采集。集中監測對模擬量在線監測包括：電源屏電壓、電纜絕緣測試、電源對地漏流測試、ZD6道岔電流、交流轉轍機功率測試、道岔表示電壓測試、信號機回線電流測試、25Hz相敏軌道電路軌道電壓、ZPW2000A區間自閉系統電壓、電流、載頻以及低頻的測試等。

集中監測系統按照信號設備報警的危險等級共分3級24項，主要報警信息包括：擠岔報警、道岔缺口報警、熔絲斷絲報警、列車主燈絲轉換報警、三相電源錯序報警、三相電源斷相報警、斷電監測、電源屏輸入電源瞬間斷電報警、UM71發送故障報警、UM71接收故障報警、補償電容斷線報警以及模擬量電氣特性超限報警等。

系統維護維修信息的匯總和提供給用戶多條件組合查詢功能便于維護維修工對整個系統的維護和提高故障分析及處理的效率。

3.2 數據處理和控制功能

集中監測系統的數據處理按照處理節點的地位不同可以分為站機、服務器和終端電子系統，每個子系統對數據的處理各不相同。

站機負責監測系統所需開關量、模擬量、報警信息數據的采集、分類、邏輯分析處理、報警輸出、數據統計匯總和存儲回放等功能，并提供了人性化的人機交互界面，以圖形、列表及曲線等方式給電務維護人員提供最有價值的維修狀態信息，同時接收用戶數據以及指令的輸入，實現實時、交互式的瀏覽和查詢。另外，站機作為基層采集和執行單元，維護監控中心及車間監控系統進行通信，通信方式采用TCP/IP協議。站機將車站實時的數據和報警傳送到上層，并接受上級的控制命令。

應用服務器管理全段內所轄車站節點及與之相連的各類監測終端。它主要負責與車站及監測終端進行各種業務數據通信、數據處理、數據存儲、數據流的調度；掌握所轄各站設備運用狀態，并根據測試數據進行邏輯運算和判斷，發出合理、適當的指令給各個功能模塊，并協調各個功能模塊之間的同步工作。與數據庫通信，進行數據交換。綜合業務服務器應采用雙機熱備系統以增強系統的可靠性。

監測終端包括城際軌道交通維護中心調度終端、系統維護工作站、調度中心監測終端等。監測終端可根據需要和類型進行部署和配置。電務段監測終端用于電務段人員的人機操作，監測、控制和管理其權限范圍內車站的站場信息；各類開關量、模擬量和報警信息；電務測試與維修信息等。

4 采樣原理和人機交互界面

信號設備采樣一般為實時采樣，采樣數據一般為電壓或電流。下面以信號設備的直流道岔為例，進行詳細分析。

4.1 道岔采樣原理

直流電動轉轍機在分線盤或組合選取動作電流回線，采集原理如圖1所示。

圖1 道岔電流采集原理圖

采用可開口式穿心傳感器，徹底與道岔動作電流回路隔離。測試量程0～10A交、直流電流，0～100mA電流線性輸出，經濾波電路調理后輸出0～20mA電流輸出。

每一組道岔動作電流回路對應一個傳感器。需要注意的是直流電機的動作回路穿心時是有方向的，電流反向流過穿心孔時，傳感器輸出為負，經濾波電路后輸出為零。

4.2 傳感器應用

傳感器是物聯網數據采集的基礎，通過電壓傳感器、電流傳感器和頻率傳感器可以進行各種電氣設備數據的電壓、電流和頻率采集，然后以總線的形式匯總至通信接口分機，通過終端軟件分析顯示至人機交互界面。所以傳感器的靈敏度和精度直接決定基礎數據的準確性，而且會間接影響分析的結果。

例如電流傳感器是根據霍爾原理制成的，是一種先進的、能隔離主回路和測試電路的檢測元件，克服了傳統的檢測元件互感器（一般只適用于交流測量）和分流器（無法進行隔離測量）的不足，既可以檢測交流也可以檢測直流，甚至可以檢測瞬態峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代產品，如圖2所示。

4.3 連接狀態

從最底層的道岔電流采集傳感器通過485總線傳輸至道岔采集組合，在組合內部進行運算后得到道岔功率，通過485總線傳輸至通信接口分機，通信接口分機再分發至監測機柜的采集板并轉發至監測主機后進行人機交互界面的顯示。上面的數據流程只反映出本地的信息采集、分發、顯示。然后通過網絡和傳輸設備傳輸至遠端服務器存儲、分析，最后在遠端的各個維護終端進行數據維護和遠程指揮。

由于有了互聯網的支持，從最基礎的現場通過傳感器采樣一組電流數據，到幾百公里外以此為基礎的分析、指揮，物聯網的核心價值得到充分體現，以基層傳感器為基礎，以網絡傳輸為通道，以遠端分析程序為應用的體系正式完成。

圖2 電流傳感器原理圖

4.4 人機交互界面和報警信息處理

鐵路信號集中監測物聯網技術應用，通過有線網絡互聯和應用集成以及基于云計算的專家診斷分析等模式，在鐵路專網環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、報警聯動、調度指揮、預案管理、安全殺毒、遠程調閱、在線升級、統計報表、專家診斷、決策支持等管理和服務功能，實現對鐵路信號設備的“高效、節能、安全、統一”的“管、控、營”一體化。通過成立的集中監測分析機構，層層把關，實時調閱，遠程分析，集中調度，充分利用互聯互通技術，將現場設備狀態數據通過軟件分類顯示到各層監測終端。

通過物聯網技術的應用，各種信號設備現場信息集中匯總至服務器，每日信息條目達到數萬級，對監測數據不僅需要通過軟件進行分類分析，為提高分析人員的工作效率，還要根據設備維護標準設置不同的報警門限，以達到系統分級別報警功能。集中監測系統按照信號設備報警的危險等級共分3級24項，根據不同報警等級，在各級監控終端上顯示報警窗，便于不同監測人員重點關注信號設備不同等級隱患，指揮現場維護人員執行相應等級的應急操作流程，將設備維護和設備監測工作分開執行，使信號設備維護工作更加細化，充分發揮工業化分類控制思想在鐵路設備維護工作中的應用，減少人工成本，提高工作效率。

5 總結和展望

隨著物聯網技術在鐵路設備維護領域的廣泛應用，鐵路信號設備的集中監測通過各種傳感器的設置，已經覆蓋了信號設備的道岔、軌道、信號機和相關周邊設備。形成了以各種傳感器為基礎，通過總線傳輸方式收集數據，經過基層設備的匯總處理，然后再通過網絡傳輸到上層服務器進行分析，最后在人機界面顯示后對數據進行分析，分析結果指揮現場信號設備維護工作的一套完整體系。

論文分析了物聯網概念和鐵路信號設備現狀，并將物聯網概念融入到鐵路信號設備的電氣特性監測中，便于遠程管理和維護。通過對集中監測結構的分析，體現物聯網的結構。通過對集中監測系統原理的描述，具體分析物聯網概念的實際應用。并通過具體的道岔采集功能描述，分析數據流向和應用。充分展現物聯網實際應用效果。

集中監測系統自建立之初就處處滲透著物聯網思想，而物聯網建設只是開始，真正要通過物聯網采集大量現場數據，并匯總到遠端處理。在此基礎上的數據分析必不可少，隨著大數據分析概念的興起，以物聯網為基礎的大數據分析正蓬勃發展。鐵路信號設備集中監測在數據監測基礎上開發了專家診斷系統，專門針對集中監測收集的數據進行智能分析處理，提供處理意見。通過大數據的分析和電氣特性趨勢分析，為維護人員提供維護思路，將物聯網和大數據分析應用到實際生產工作中。

【1】毛燕琴，沈蘇彬.物聯網信息模型與能力分析期刊[J].軟件學報，2014（08）.

【2】焦景忠，王永光.信號微機監測系統功能發展趨勢[J].鐵路通信信號工程技術，2009（6）.

【3】李瑤.基于物聯網的物流信息系統的設計與實現[D].長春：吉林大學，2015.

圖5 吊模安裝現場圖

圖6 傳料口、放線孔等預留洞口鐵盒子的安裝

5 結語

在高層框架剪力墻結構建筑中，現澆鋼筋混凝土墻板抹灰時，非常容易造成空鼓、開裂及脫落現象，導致后續整改工作量巨大，致使業主投訴和索賠現象較多，嚴重影響開發商和建筑施工企業的聲譽和形象，通過鋁合金模板的使用，會顯著提高工程質量，縮短工期，降低施工成本，而且會提高企業形象和增加社會效益。市場前景十分廣闊，有助于整個行業的良好發展。

【參考文獻】

【1】段媛.房屋建筑施工工程中的地基處理技術探討[J].山西建筑，2016 (16)：1-2.

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【收稿日期】2016-06-22

Application of IoT Technology in Centralized Monitoring of Railway Signal Equipment

XIAYu
（Shuo-Huang Railway Development Co.Ltd.,Cangzhou 062350，China）

Io T Technology development is on the rise,and railway signal equipment monitoring has also developed in the context of in formation.Taking Io T Technology as a guide,the paper discusses the applications of Io T Technology in the railway signal equipment centralized monitoring.From the microcomputer monitoring system of railway signal equipment structure,the Io T sensing device of the structure and its principle,and the function by applying the corresponding induction device implements this paper makes an analysis.It introduces the theory of bigdata,looking to the more application functions from Io T Technology in combination with the big data technology.

Io T technology;railway signal;centralized monitoring;sensor;big data

U284

B

1007-9467（2016）08-0254-03

2016-06-12

夏禹（1982～），男，遼寧昌圖人，工程師，從事鐵路信號監測研究。