鐵路信號動態自動檢測系統研究

楊吉，許慶陽，段賀輝，劉曉亮

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.北京鐵科英邁技術有限公司電務檢測研究部，北京 100081）

0 引言

鐵路信號基礎設施系統復雜，關聯因素多。為保障列車運行安全、提高作業效率，一般采用電務檢測車對信號軌旁設備進行動態檢測，為信號系統的安全評估和養護維修提供數據支持［1］。典型的電務檢測車采用25T客車車體，配備通信、信號檢測系統各1套，采用與客運車輛聯掛或單機牽引的方式進行作業，具備在160 km/h的速度下雙向檢測能力［2］。

電務檢測車裝備的鐵路信號檢測系統（簡稱既有檢測系統），用于動態條件下判別鐵路信號軌旁設備的工作狀態［3］。分析現有作業模式下典型的信號檢測系統存在的問題，提出一種鐵路信號動態自動檢測系統（簡稱自動檢測系統）。該系統車載端和地面端通過寬帶無線網絡保持準實時連接，并進行數據交互，同時提高車、地設備的可靠性，可完善監控和自校準能力，在準無人值守狀態工作。

1 既有檢測系統存在的問題

既有檢測系統一般由軌道電路檢測子系統、補償電容檢測子系統、牽引回流檢測子系統、應答器檢測子系統、環境視頻檢測子系統、綜合分析子系統等組成，其系統結構見圖1。各子系統檢測分機通過傳感器實時采集沿線各設備的狀態數據，經信號調理和數據解析后，發送給綜合分析子系統。綜合分析子系統承擔著數據歸集、處理、存儲，檢測數據展示及分析，檢測任務控制，系統異常事件報警以及系統維護等工作［4］。

圖1 電務檢測車既有檢測系統結構

既有檢測系統由檢測人員隨車操作，檢測人員主要任務包括：根據檢測計劃對系統進行配置，對實時里程坐標進行校準，監控系統狀態并處理系統異常，分析檢測數據并在檢測完成后出具報告。在現有作業模式下典型的信號檢測系統存在以下問題：

（1）設備監控功能不完善，同時缺乏異常狀態的自校正功能，一旦出現問題即需人工介入。

（2）綜合分析子系統承擔著系統維護、數據處理、狀態監控等多種任務，結構復雜可靠性較低。系統一旦出現故障，檢測數據就會丟失，導致漏檢。

（3）檢測人員的核心工作是分析檢測數據，需具備一定的工作經驗，但其主要精力卻消耗在監控系統、校對坐標等非核心工作上，造成人力資源浪費。

（4）檢測任務時間長，運行距離遠，且相當一部分作業在夜間進行。部分檢測人員每年出差時間超過200 d，且在列車振動、噪聲環境中工作，人員較為疲憊。

2 自動檢測系統總體結構

為了解決既有檢測系統存在的問題，開展自動檢測系統優化研究。自動檢測系統由車載端和地面端2個部分組成，車載端僅保留數據采集等基本功能，其余任務則轉移到地面端，具體優化內容包括：

（1）對各檢測子系統進行改進，在工作原理保持不變的同時，引入完善的監控電路，增加關鍵參數采集及輸出功能。

（2）以車載端自動檢測主機替代原綜合分析子系統，承擔檢測數據的歸集、存儲等任務。

（3）車載端增設綜合監控設備，用于設備監控及狀態判別。并預留分析設備接口，使系統具備執行常規檢測任務的能力。

（4）在地面數據中心設置地面端服務器，承擔檢測任務控制，數據接收、處理、存儲、展示及分析等任務，并為檢測人員掌控作業進度、了解車載設備狀態提供界面。

（5）車載端和地面端通過寬帶無線網絡保持連接，用于車地間檢測、狀態數據和控制命令的傳輸。

優化的自動檢測系統結構見圖2。

圖2 自動檢測系統整體結構

執行檢測任務時，信號檢測系統操作人員在地面端預先（或實時）配置檢測任務，車載端通電后即啟動并處于無人值守狀態，在判斷進入檢測區間后自動啟動檢測，車載端通過寬帶無線網絡將檢測數據回傳至地面；地面服務器自動接收回傳的數據并存儲，根據檢測計劃安排人員執行數據分析任務并出具報告。

優化后，在保證檢測數據分析及檢測報告出具時效性的基礎上，可簡化系統結構，減少故障率和維護、維修工作量，以達到減少隨車檢測人員、減輕勞動強度、降低漏檢率的目的。

3 自動檢測系統設計關鍵問題

自動檢測系統的車載端是信號自動檢測系統的重點［5］，盡可能減少人工介入，提高系統容錯能力是車載端設計的關鍵，主要包括：無線通道選型、系統可靠性設計、定位數據校準等。

3.1 無線通道選型

在采用二進制文件存儲時，典型的鐵路信號檢測系統每百公里有效數據量約15 MB（不包含環境視頻數據），以機車牽引式電務檢測車最高運行速度160 km/h計，每小時有效檢測數據量約為24 MB。同一時間內，系統有效狀態數據不大于檢測數據量的10%。若以無線網絡傳輸上述數據，所需上行持續帶寬約為60 kb/s。

地面端至車載端的下行數據流包括：檢測交路基礎信息庫、檢測計劃、數據傳輸控制信息以及心跳信號。前兩者為突發性傳輸且僅存在檢測任務開始時；后兩者數據流所需帶寬較小，根據實際檢測情況，所需持續帶寬小于1 kb/s。

目前，可使用的無線通道包括鐵路沿線覆蓋的GSM-R專網以及公用4G寬帶無線網絡。GSM-R專網最大優勢在于線路信號覆蓋情況較好，但由于屬于2G制式，傳輸速率較低；再加上相當數量的線路不具備GSM-R專網傳輸條件，故該通道難以滿足需要。公用4G寬帶無線網絡傳輸速率遠大于實際需求，且覆蓋的范圍完全滿足需要，雖因車輛運行導致小區切換引起暫時性的通信中斷，但時間延遲依舊能滿足準實時檢測的需要［6］。同時，第4代移動通信技術的應用已逐步進入軌道交通通信領域，部分線路已采用了基于TD-LTE的無線寬帶移動通信系統［7］。根據檢測數據，其上下行數據吞吐量約為15 Mb/s。待新一代鐵路通信系統全面推廣后，只需更換相應通信模塊即可實現數據通道的轉換。

3.2 系統可靠性設計

系統可靠性涵蓋范圍較廣，最為關注的是系統的可用性和可維護性，在自動檢測系統設計中采取的基本原則是：在系統可維護性良好的前提條件下，提高檢測系統的可用性。在設計過程中采取了以下措施：

（1）提高硬件平臺可靠性?，F有信號檢測系統多采用工控機運行視窗操作系統為平臺。在持續振動、電磁環境復雜、散熱不穩定、電源紋波較大的車載環境下，處于人工實時監控中其可靠性尚可滿足需要，但無法適應無人值守式作業。自動檢測系統車載端采用嵌入式系統為平臺，增加完善的看門狗電路，同時改善屏蔽、電源、散熱等運行條件，提高系統可靠性。

（2）少數關鍵系統采用冗余設計。全面采用冗余設計固然有利于提高系統可用性，但會導致可維護性惡化，與降低人力成本、減輕勞動強度的初衷相違背。故僅在車載端自動檢測主機、車地通信、電源設備采用雙系統熱備冗余，并在現有定位數據通道的基礎上，引入車載TAX箱數據通道作為備份［8］。

（3）各子系統增加關鍵參數監控。監控的關鍵參數包括：車地通信中斷、車內關聯設備心跳信號丟失、檢測數據異常波動、設備溫度、UPS外電源中斷、電源電壓波動、定位誤差過大等。

（4）地面端及車載端報警。由于車輛自身的摘掛、油水作業、運行過程需要人工介入，同時出于安全考慮保留少量人員也有利于處理一些極端狀況。故在車內設置綜合監測主機，在各子系統關鍵參數除傳輸給地面系統外，還傳輸給車載報警終端，在關鍵參數大于報警門限后提示車載人員介入處理。

3.3 定位數據校準

自動檢測系統通過定位數據接口獲得的定位數據包括：車輛的實時速度、經緯度等。自動檢測系統主要通過對車輛實時速度進行積分運算，推導檢測數據對應的絕對里程，因此累積誤差是導致系統定位偏差的主要原因；其次，檢測車在站內線路走行路徑不確定，當檢測車經側線運行時，系統推算出的距離與線路的絕對里程不對應；最后，定位系統自身的數據誤差及偶發的錯誤也是導致定位偏差的原因之一。為了對定位系統輸出結果進行校核并修正系統累積誤差，提高系統容錯能力，需對系統推算位置進行校正。

絕緣節是由絕緣材料或電氣諧振原理構成的用于分隔兩段相鄰的軌道電路的設備，典型間隔約1 km，作用是阻隔鄰近區段載頻信號侵入本區段。反映在軌道電路檢測數據上，絕緣節中點附近當前區段載頻電壓信號與下一區段載頻電壓信號形成交叉，同時會發生載頻切換，補償電容檢測系統也會輸出負向脈沖，典型絕緣節處檢測數據示例見圖3。

圖3 典型絕緣節處檢測數據示例

由于絕緣節的絕對位置已知，實現絕緣節的自動識別，即可獲得當前位置的偏差值［9］。

考慮到提高識別速度，減少占用的系統資源，經對比試驗擬采用以下算法實現絕緣節的自動識別。設t時刻軌道電路載頻電壓為V′t、下一區段載頻電壓為在下一檢測周期（即t+1時刻）2種載頻電壓分別則在該交叉點處電壓關系為：

利用式（1）判斷2種載頻電壓的交叉點，若該位置處同時出現載頻切換或補償電容檢測數據負向脈沖，則判斷該位置對應地面絕緣節設備。利用實際檢測數據對該算法進行校核，地面仿真中識別的絕緣節見圖4。

圖4 仿真中識別的絕緣節

在檢測到絕緣節后，若列車的絕對里程（最佳估計值）已知，由于絕緣節是沿線路順序分布的，根據數據庫即可獲得該絕緣節的名稱、絕對里程、經緯度信息等基礎信息。若此時絕對里程未知（如因車載主機復位導致數據丟失），則根據檢測計劃（及復位前的斷點信息）搜索本次交路基礎信息數據庫，并依次計算起始作業起始位置（或復位里程斷點）之后第i個絕緣節的經緯度與t時刻列車所處經緯度的距離值si。若si小于預設閾值時，即可判斷t時刻途經絕緣節為i，并通過數據庫獲取其基礎里程。

設t時刻系統里程坐標為Kt，t+1時刻系統里程坐標為Kt+1，通過數據庫取得的當前絕緣節絕對里程為Ki，則系統里程修正值C可由式（2）獲得：

若C的絕對值大于預設閾值，則判斷定位誤差過大，報警通知地面人員或隨車工程師介入，若小于預設閾值則利用C修正當前絕對里程。

4 車載端系統設計

4.1 車載端結構

自動檢測系統車載端設備保留5個既有檢測項目，每個檢測項目對應1臺檢測分機。各檢測分機工作原理與現有檢測系統保持一致，各前端電源、傳感器及信號調理電路維持現狀不變；后端數據處理平臺統一更換為以i.MX6處理器為核心開發的模塊化計算機，操作系統為裁剪后的Linux，采用命令行式交互界面以滿足系統維護的需要；引入分機關鍵參數采集電路，用于分機運行狀態監測；同時將各子系統A/D采集板卡統型為2款，以解決既有系統部件型號繁雜，導致備件采購及設備維修帶來的各種不便，各檢測分機功能結構見圖5。

圖5 檢測分機硬件結構

自動檢測系統車載端結構見圖6。

圖6 自動檢測系統車載端結構

車載端自動檢測主機同樣采用上述的i.MX6模塊化計算機，各檢測分機、車地通信主機通過局域網與自動檢測主機保持數據交換，定位系統主用及備用數據接口則以串行接口與主機直連。車載端自動檢測主機以工控機+Windows操作系統為平臺，接收各子系統監測信息，為隨車工程師提供報警顯示界面。同時，設立1臺備用數據分析機并接入局域網，平時該子系統保持關機狀態，在必要時直接接收來自檢測主機的檢測數據供檢測人員實時分析，以使得自動檢測系統具備在必要情況下執行現有人工隨車作業模式的能力。

4.2 車載端工作流程

自動檢測系統車載端主要作業流程見圖7。

圖7 自動檢測系統車載端主要作業流程

隨車工程師開啟車載電源，設備上電后，車載端自動檢測主機及各檢測分機進行自檢，并將狀態信息發送至監測主機。隨后通過無線終端向地面中心請求注冊，若注冊失敗則通過監測主機進行報警，請求車載工程師介入；若注冊成功，則在車地間同步時間、檢測計劃、交路數據等信息。隨后系統進入待檢測狀態，通過定位數據或時間點判明滿足檢測條件后，主機向各檢測分機下達執行命令，并實時接收檢測數據及狀態信息，處理后組包通過通信終端向地面傳輸。

監測主機實時接收由車載主機傳輸的系統連接、運行環境、定位誤差等關鍵信息，大于預定閾值時報警通知隨車工程師介入。待檢測計劃結束后（以里程或時間點判明標準），系統結束檢測，待檢測數據傳輸完畢后關閉系統，等待車輛斷電；若由于某種原因系統斷電前無法完成數據傳輸，則通知隨車工程師拷貝缺失數據上傳至地面中心。

5 結束語

智能化、自動化是鐵路動態檢測系統的發展方向，作為電務檢測另一個子專業，通信動態檢測系統部分項目已實現了自動化檢測，全面的自動化作業研究也已展開，并取得了一些成果［10］?；跓o線網絡的鐵路信號動態自動檢測系統，在無需對電務檢測車平臺進行大規模改造的基礎上，實現了準無人值守式信號檢測，降低了檢測人員的工作強度，提高了作業效率。