鐵路信號系統室內智能試驗儀的研制

蔣先進，范建偉，蔣淮申，韓志鵬

（中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100036）

1 現狀

信號系統是鐵路（地鐵）線路中非常重要的控制系統，其對系統試驗的完整性、安全性及設備安裝精度等要求較高，信號調試質量的好壞將直接影響整個系統是否能夠安全可靠的運行。以往在每條線路的聯鎖集中站系統聯動試驗前，均需在信號設備室內加工一套現場臨時試驗盤（由板材、按鈕、燈泡、線纜等材料制作而成），模擬軌道電路、信號機、道岔、站臺門、扣車、緊急關閉等各種設備狀態，用以測試聯鎖、ATP、ATO 等子系統的基本功能。受現場條件所限和每個設備集中站站場結構布置不一致因素影響，臨時試驗盤存在制作周期較長、無法通用、功能簡單、故障率高等缺陷，嚴重制約室內模擬試驗的順利進行，且資源浪費較大。為此，中鐵電氣化局集團有限公司組織研發了能夠覆蓋目前國內各主流信號制式的智能試驗儀。該試驗儀為分布式結構，按軌道電路、信號機、道岔、接口柜等不同用途進行模塊化設計，各模塊可獨立工作,也可以任意組合工作。

2 系統架構

為充分滿足信號系統模擬試驗的需求，試驗儀按功能分區分布式架構進行設計，共分為上位機人機交互控制軟件、信號機功能模塊、道岔功能模塊、接口柜（驅動和采集）功能模塊、軌道電路功能模塊、綜合模塊、路由模塊等7 個功能分區模塊，各功能模塊可根據不同站場需要增減，自由靈活的組建網絡，保證試驗工作的快速、準確、高效。系統架構如圖1 所示。

圖1 試驗儀系統架構Fig.1 System architecture of tester

功能分區模塊就近設置于分線柜/綜合柜/接口柜，與機柜端口相連接，通過無線Wi-Fi 或網線在路由模塊進行信息集成，HMI 人機交互界面反饋道岔、信號機等接口設備的實時狀態，仿真控制軌道電路和其他驅動繼電器的吸起和落下，檢測驅動與采集回路配線正確性和設備工作狀況。系統電源采用信號設備室最方便采用的直流24 V 作為工作電源。

3 模塊工作原理及功能

3.1 信號機模塊

3.1.1 模塊結構及原理

信號機模塊結構如圖2 所示。

圖2 信號機模塊結構Fig.2 Structure of signal module

1）MCU 數據處理單元：通過單片機群組的多個I/O 口進行信號機各點位的信號采集。

2）信號采集單元：兼容國鐵信號機220 V/地鐵110 V 工作電壓，采集信號機燈位點燈模擬信號，經采樣、光電耦合隔離后轉換為單片機可接受的5 V I/O 數字信號。

3）電源轉換單元：外部輸入電源直流24 V 或交流220 V，提供MCU 等各單元工作電源。

4）網絡單元：使用Wi-Fi/網線進行數據通訊，保證信號機模塊與平臺主機能夠正常無線/有線網絡連接。

3.1.2 模塊功能

信號機模塊設置在分線柜，在信號采集單元內置元件可以仿真室外信號機點燈回路，針對國鐵/地鐵信號機各燈位顯示狀態進行實時采集，回路電流調整在120 ～150 mA 之間，滿足燈絲繼電器工作要求，并將采集數據傳遞給上位機。

3.2 道岔模塊

道岔模塊結構如圖3 所示。不同點在于此模塊內置二極管等道岔轉轍機外部表示回路仿真模塊，采集道岔表示電路經BD1-7 變壓輸出的交流110 V模擬信號，轉換為單片機可接受的5 V I/O 數字信號，經MCU 數據處理單元處理后回傳上位機，實現道岔表示狀態的實時顯示。

圖3 道岔模塊架構Fig.3 Architecture of switch module

3.3 軌道電路模塊

軌道電路模塊結構如圖4 所示。針對鐵路/城市軌道交通線路中ZPW-2000A 型無絕緣軌道電路、25 Hz 相敏軌道電路、單軌條式50 Hz 相敏單軌條軌道電路等各種制式的軌道電路，信號驅動單元能夠完成軌道占用/出清狀態進行實時驅動控制，并與上位機命令綁定、單點驅動、狀態保持等功能。以ZPW-2000A 無絕緣軌道電路為例，現場試驗是在綜合柜軌道電路的發送端和接收端之間接入，通過命令控制回路的通斷仿真列車在軌道上的占用和出清，利用上位機的編程功能，可方便的對多個軌道電路進行邏輯控制，實現列車在進路上的自動連續運行仿真控制。

圖4 軌道電路模塊架構Fig.4 Architecture of track circuit module

3.4 接口柜模塊

接口柜模塊結構如圖5 所示，信號驅動、采集單元能夠模擬聯鎖計算機實現對接口柜連接的繼電器驅動和狀態采集功能，實現信號機LXJ、LJ、UJ、ZXJ、YXJ、DXJ 及道岔DCJ、FCJ、SJ 等不同繼電器吸起/落下驅動控制，采集相關繼電器接點狀態并回傳上位機進行實時顯示，可高效完成室內接口柜相關回路的試驗驗證工作。

圖5 接口柜模塊架構Fig.5 Architecture of interface cabinet module

信號驅動單元對應接口柜驅動32 位計算機插頭，32 位接口有兩種命令輸出方式：一種是1-16左右布局的24 V 成組輸出方式，如圖6 所示，另一種是1-2 上下布局的24 V 成組輸出方式。地鐵較多采用左右布局，國鐵較多采用上下布局方式，試驗模塊按1-2 一組的上下布局進行設計，對于左右成組的線路，試驗時模塊本身無需改動，將輸出線纜另一端的插頭順序改變即可實現兩種設計思路的通用化。

圖6 信號點位分布及驅動原理Fig.6 Signal point distribution and driving schematic diagram

信號采集單元對應接口柜32 位采集計算機插頭，采集電源有內部輸出共線邏輯回路檢查、外部輸入共線邏輯回路檢查兩種方式，如圖7 所示，模塊統一設計為外部送電檢查，邏輯回線單獨設置，按實際配置使用。1 個驅動插頭對應2 個采集插頭，目的是對聯鎖A 機、聯鎖B 機采集回路實現一次性試驗驗證。

圖7 信號采集示意Fig.7 Schematic diagram of signal acquisition

3.5 路由模塊

路由模塊結構如圖8 所示。主要功能是采集匯總各模塊的信息，與上位機進行通信，平臺主機與其他功能模塊間通信以Wi-Fi 為主，距離較遠時采用網線通信，采用網線+電源線（網線電源綜合線）的方式實現通信連接和功能模塊供電。

圖8 路由模塊架構Fig.8 Architecture of routing module

各功能模塊除了通過路由模塊供電外，也可就近在機柜上取24 V 供電。

3.6 道岔動作檢測模塊

本系統設計有道岔動作檢測模塊，在聯鎖模擬試驗完成后，將三相交流電檢測模塊置于分線柜道岔回路，試驗道岔動作回路時可檢測動作回路的三相電源電壓、相序，提示道岔動作定/反位信息，確保室內道岔所有回路試驗正確性、完整性。

3.7 HMI上位機軟件

軟件功能如下所示。

1）用戶管理：用戶分為管理員和用戶兩種類型，管理員擁有增、刪、改、查用戶信息和管理線路、聯鎖區等板塊的權限；用戶僅擁有聯鎖區管理、數據、日志等板塊權限。

2）通訊管理：通過TCP/IP 通訊協議，動態賦值IP 地址和端口號，連接平臺主機，實時展示通訊連接狀態，以及連接失敗代號和原因。

3）線路管理：增、刪、改、查本地數據庫中線路信息，線路信息由線路名稱、規格制式、地理位置、全長公里、車站數量等相關信息。

4）聯鎖區管理：聯鎖區與線路為N:1 對應關系，通過信驅采HMI 對聯鎖區信號設備進行繪制，將預制信號設備通過拖、拉、拽方式，快速布局、繪制信號聯鎖模擬實驗界面。各信號設備能夠進行自定義調整，如：信號機設置色燈數量、顏色等。

5）數據統計：通過接收平臺主機傳遞的所有接入信號設備實時狀態，使用固定格式表格的形式，按照信號設備-序號的ASC 順序排序，實時展示信號設備狀態。

6）試驗日志：日志系統，以聯鎖區為單位記錄信號聯鎖模擬試驗的所有操作，記錄內容不限于：聯鎖區、信號設備編號、信號設備類型、試驗用戶、試驗時間、試驗結果等信息。

7）模擬運行：在站場HMI 界面上，通過預設信號設備編號以及運行時間等相關信息，按照預設信息進行帶驅動邏輯的命令集發送，用于動態模擬試驗。

8）驅動采集對比試驗：在HMI 界面上，接口柜模塊的驅動和采集以32 針插座為單位集中顯示，可以進行單獨驅動命令發送，外部繼電器接點狀態變化實時反應到界面上。

9）系統驅動、采集狀態變化到顯示的時延小于1 s，界面刷新無閃爍。

4 使用效果

信號系統室內智能試驗儀截止到目前已經在重慶4 號線、10 號線，深圳2、8 號線和北京16 號線、川南城際等線路進行了現場應用，通過與原有模擬試驗盤從前期準備、站場制作、終端接配、調試實施、效果檢查、資源利用等多個方面進行對比，在工效、周期、靈活性、可靠性等方面都處于完全優勢，對調試進度、質量檢查、效果驗證、成本控制有了較大提升。

5 結束語

信號系統室內智能試驗儀將先進的計算機控制技術、自動化技術應用到信號系統施工調試設備中，用先進的裝備完成施工安裝、調試等主要工序，實現高效率、高質量、高安全性的施工調試模式，大幅降低了信號系統的調試時間，用科技、創新思維引導信號系統調試裝備往高精度、自動化、智能化方向發展，更好地推動了軌道交通行業信號系統調試技術的發展。