基于有線通信反向傳輸的光纖信號系統復雜度自動化控制方法

車顏澤

（中國鐵建電氣化局集團有限公司，北京 100000）

0 引言

光纖信號系統中采用了被廣泛應用的信號技術，它可以在光纖信號系統中交換多種信號信息，而實現信號信息的快速傳輸和自動化控制很大程度上依賴于信號傳輸設備，所以信號傳輸設備和自動化控制設備需要具有智能傳輸、發送和信號信息聯網功能，使光纖信號系統的復雜度實現冗余化和自動化，光纖信號系統外的信號配件在符合控制標準的基礎上，還要具備自動狀態自檢功能，以便光纖信號系統的復雜度能夠實現自動化控制。

傳統的光纖信號系統復雜度自動化控制方法傳送信號信息緩慢、容量較小、抗干擾能力較差，無法控制信號系統的復雜度。

基于以上傳統控制方法出現的問題，本文提出了基于有線通信反向傳輸的光纖信號系統復雜度自動化控制方法，采用有線通信技術，利用反向傳輸特點，提取光纖信號系統的復雜度數據，復雜度數據中包括控制信號數據和系統監測數據，通過這些數據能夠掌握信號系統中復雜度的控制情況，對光纖信號系統復雜度數據幀進行分析，從而反饋系統信號裝置的狀態，方便對其進行檢測，最后通過實驗驗證本文提出的基于有線通信反向傳輸的光纖信號系統復雜度自動化控制方法的有效性。

1 光纖信號系統復雜度數據提取

光纖信號系統中的終端數據包含多種數據，例如：信號機數據、性質數據、信號方向顯示數據、信號機位置數據、信號狀態顯示數據、信號區段數據、系統復雜度數據等，這些數據統一存儲在數據鏈表結構中，為了提取完整的光纖信號系統復雜度數據，需要將終端數據中的靜態數據存放在信號傳輸設備上，利用光纖信號系統中的存儲模塊存儲相關數據，并根據不同數據存放的位置，制定光纖信號系統復雜度數據提取方式和讀取方式。

用一段字符串表示信號系統中的終端設備，終端數據中各個特征數據占用的字符數為，信號機數據：2位，信號性質數據：4位，信號方向顯示數據：2位，信號機位置數據：4位，信號狀態顯示數據：3位，信號區段數據：6位，信號動態數據：2位，系統復雜度數據：2位，空單元數據：4位，終端數據的字符串整體示意圖如圖1所示。

觀察圖1可知，這些數據存放的數據鏈結構中同樣包含一些特征屬性數據，特征屬性數據中的信號定位數據、信號機反位數據、信號首地址數據以及空單元數據均可反映信號系統的復雜度，如圖2所示為具有其他特征屬性的字符串。

圖1 終端數據的字符串整體示意圖

圖2 具有其他特征屬性的字符串

基于圖1和圖2的靜態字符串，結合終端數據存放的數據鏈結構，通過相應的功能子函數從終端數據中提取光纖信號系統復雜度數據，以及復雜度數據的關聯數據，提取時需要進行判定，采用功能子函數判斷圖1和圖2輸入的字符串數據是否完整，如果輸入的字符串數據出現越界現象，則字符串數據不完整，需要重新輸入；如果完整，需要判斷字符串數據為動態數據還是靜態數據，如果為動態數據，則按照數據提取邏輯來提取光纖信號系統復雜度數據，如果為靜態數據，則按照數據提取的先后順序來提取系統復雜度數據，提取完畢后將系統復雜度數據存放在動靜混合數據鏈結構中，方便靜態數組對其進行跟蹤。

2 光纖信號系統復雜度數據幀分析

在光纖信號系統運行時，把需要傳輸的所有周期復雜度數據和非周期復雜度數據按照數據幀格式封裝成一個復雜度數據幀，數據幀格式包括幀頭、數據幀開始、幀運行、信號傳輸模式以及每個終端數據在數據鏈結構中的具體位置、字符串長度、靜態數據首地址等。為了提高光纖信號系統復雜度自動化控制方法的穩定性，在傳輸光纖信號時，發送標準長度的復雜度數據幀，以便周期性復雜度數據和非周期性復雜度數據同時段傳輸，光纖信號傳輸時延在這種情況下會保持穩定，如圖3所示為一個完整的復雜度數據幀格式，它具有2個幀頭和3個信號數據段。

圖3 完整的復雜度數據幀格式

圖3中，L為復雜度數據幀長度，CHS為求和校驗碼，其計算公式為：

式中：L為終端數據段號（復雜度數據幀幀頭L=0）；byte[i]為一個字符串數據的第i個字節（i=0，1，2，3）。

光纖信號系統在運行復雜度數據幀時可采用校驗碼驗證系統的復雜度，如果驗證結果結果顯示復雜度數據幀長度有誤，則光纖信號系統在運行復雜度數據幀時，需要傳輸一個幀長度有誤的信號，如圖4所示，如果驗證結果顯示復雜度數據幀長度穩定且符合標準，則光纖信號系統不需要傳輸信號，而是執行自動化控制命令，并發送一個靜態數據表示復雜度數據幀沒有出現錯誤。

圖4 數據傳輸錯誤處理過程

如圖5所示，由于光纖信號系統引入了驗證機制，系統的處理模塊和控制模塊建立了全雙工光纖信號。

圖5 數據傳輸正確處理過程

按照選擇性重傳方法對復雜度數據幀進行分析，在同一信號傳輸時段內傳送長度相同的2個復雜度數據幀，前一個復雜度數據幀為后一個的冗余數據幀。

光纖信號系統在對系統的復雜度進行自動化控制時，首先需要使用校驗碼驗證第一個復雜度數據幀的穩定性，如果第一個數據幀沒有出現越界，就使用數據幀中的數據，如果出現越界現象，則無法使用系統的數據，如果第二個復雜度數據幀穩定且正確，則使用第二個數據幀，為了確保2個復雜度數據幀的傳輸時延一致，2個復雜度數據幀需要全部驗證后再進行傳輸，如果2個復雜度數據幀全部出現越界現象，則光纖信號系統需要做重傳處理，正常情況下，光纖信號系統的通信鏈路基本不會出現連續兩個系統復雜度數據幀都越界的現象，依次驗證數據幀準確性的好處是可以確保周期性復雜度數據幀和非周期性復雜度數據幀都能夠穩定傳輸，節約了重新傳輸的時間，簡化了數據幀分析的過程，穩定性和實時性較高。

與此同時，由于數據幀字符串長度符合標準長度，所以系統復雜度數據幀的傳輸時延大小保持不變，對系統復雜度數據幀的傳輸和發送導致字符串長度減小一半，但由于字符串長度比數據幀長度短了一倍，所以不會增加周期性復雜度數據幀的傳輸時延，也不會影響光纖信號系統的自動化控制性能。

3 基于有線通信反向傳輸的自動化控制

提取光纖信號系統復雜度數據并分析復雜度數據幀后，提出基于有線通信反向傳輸的自動化控制方法，根據傳輸的復雜度數據幀和傳輸軌跡，采用相應的控制子函數，改變自動化控制輸入和輸出方式，并進行迭代控制。在采樣周期內，經過迭代處理后，可實現光纖信號系統復雜度自動化控制，設計容錯控制器Lk（x），保持光纖信號系統處于收斂狀態，容錯控制器設計方案如圖6所示。

圖6 容錯控制器

其中，R1、R2表示系統狀態反饋增益矩陣，該矩陣可以提高光纖信號系統的有效性和可靠性，并降低有無記憶狀態反饋矩陣控制的差值，除此之外，基于有線通信反向傳輸的自動化控制方法需要掌握狀態反饋增益矩陣的參數，為了估算（x）和f（x），在控制過程中，定義狀態跟蹤誤差c1、控制估計誤差c2、輸出控制誤差c3、錯誤估計誤差c4：

由以上計算得出的控制誤差值和估計誤差值判斷，當光纖信號系統光纖斷裂、控制器控制性能降低、光纖接頭配置失誤等緊急情況出現時，光纖信號系統是否可以正常傳輸復雜度數據幀，如果周期性復雜度數據幀的傳輸時延超過界定范圍，基于有線反向傳輸的自動化控制性能能否受到影響，如果采用一般的自動化控制方法，不能解決以上數據幀越界問題，所以如果光纖信號系統的控制器在采樣周期內沒有接收到復雜度數據幀，系統的自動化控制性能就會降到最低，如果接收到復雜度數據幀，可以使用連續時間系統模型求取控制方程。

設基于有線反向傳輸的光纖信號系統被控目標的連續狀態方程為：y（x）=cy（x）+Dt（x），控制器的狀態跟蹤方程為t（h）=-Hy（h），h=0，1，2，…。其中，y∈Mi，t∈Mn。給定傳輸時段Ra，可將狀態跟蹤方程離散化，采樣周期內由于光纖信號差導致沒有接收到復雜度數據幀，因為采用了零階保持器，信號輸入將保持K個周期不傳輸；這樣就可以通過考察m是否大于1來確定光纖信號系統復雜度的自動化控制能力，如果m >1，說明光纖信號系統較為可靠，自動化控制能力較高；如果m<1，則光纖信號系統漸進穩定，自動化控制能力較弱。

4 實驗研究

為了驗證本文提出的基于有線反向傳輸的光纖信號系統復雜度自動化控制方法的有效性，將本文提出的控制方法與傳統控制方法進行對比實驗，由式(3)得到信號系統的控制系數矩陣如式(1)所示：

根據式(1)，可得到光纖信號系統狀態曲線，如圖7所示。

圖7 光纖信號系統狀態曲線

當m=6和9時，R1曲線變化小，R2處于跟蹤估計狀態，R3曲線變化最大，由于R3的數據幀長度最大，所以該狀態下的光纖信號系統比較穩定，以R3數據為標準，將本文提出的光纖信號系統復雜度自動化控制方法與傳統方法進行對比分析，當時間為2秒時，本文提出方法下的b（x）為0.45，傳統方法下的b（x）為0.65，而標準b（x）為0.3，本文提出方法下的b（x）與標準值僅差0.15，而傳統方法下的b（x）與標準值相差0.35，數據結果表明，本文提出的光纖信號系統復雜度自動化控制效果由于傳統方法，為驗證控制效果，進一步進行實驗，得到的控制結果如表2所示。

根據表1對比結果可知，采用傳統方法的控制效果低于60%，本文方法的控制效果最高可達到95%，最低也能達到90%，本文方法的控制效果最低值也會高于傳統方法，由此驗證了本文提出的基于有線通信反向傳輸的光纖信號系統復雜度自動化控制方法優于傳統方法，具有更高的有效性和穩定性。

表1 控制效果實驗結果

綜上所述，本文提出的基于有線反向傳輸的光纖信號系統復雜度自動化控制方法的能夠很好地降低控制過程的復雜度，提高控制效果，實現控制能力。

5 結語

本文基于傳統控制方法出現的傳輸光纖緩慢、信息存儲容量有限、抗干擾能力較差等問題，提出了基于有線通信反向傳輸的光纖信號系統復雜度自動化控制方法。該方法提取了光纖信號系統復雜度數據，并分析了信號系統復雜度數據幀，通過相關算法和系統狀態矩陣，實現了對光纖信號系統復雜度自動化控制。最后通過實驗對比，證明了本文提出的基于有線通信反向傳輸的光纖信號系統復雜度自動化控制方法優于傳統控制方法，具有更高的有效性和穩定性，能夠快速傳輸光纖信號，擴大信息存儲容量，并提高光纖信號系統的抗干擾性能。