一種道岔綜合監測系統的硬件設計

隋功浩 齊小民 彭軍民

隨著鐵路高速、高密度行車區段不斷增加，為確保行車安全，對道岔性能與狀態穩定性要求越來越高，人工維護維修負擔也越來越大。為此，特開發了一種道岔綜合檢測系統，可對室外道岔設備實施工電一體化的綜合實時監測，對道岔狀態進行智能診斷，并進行狀態趨勢分析預報，實現了道岔設備狀態監控，保證了行車安全。

1 道岔綜合監測系統組成

道岔綜合檢測系統 （TIMS）主要由室外部分和室內控制部分組成，如圖1所示。室外部分包含檢測傳感器部分和軌旁箱。安裝于軌旁箱內的機匣是道岔監測系統的現場處理單元，負責現場狀態數據的實時采集、緩存、預處理、協議打包，并與室內控制部分進行通信，現場處理單元由4塊采集板、1塊監測分機板 （MPU）、電源板和防雷板等組成。

圖1 TIMS系統組成框圖

室內控制單元由接口轉換部分、中心服務器組成。通過光纖或者既有的雙絞線進行室外軌旁箱和室內通信，室內的接口轉換部分將通信數據轉成以太網數據，通過網線送到中心服務器。中心服務器選用高可靠性的工控機，道岔檢測系統的用戶界面安裝在服務器上，采用自動觸發采集或者人工觸發采集模式，從分布在道岔軌旁的軌旁箱收集傳感器信息，對接收到的數據進行邏輯處理和分析，根據分析結果進行警告、預警、趨勢分析等。

檢測傳感器部分包括位移、振動、濕度、溫度等傳感器，以及收集轉轍機缺口信息的圖像傳感器。考慮到鐵路現場的電磁干擾比較嚴重，傳感器優先選擇0～20mA的電流型，傳感器信號通過差分信號傳輸，對干擾有很好的抑制作用。

2 硬件設計組成

現場處理單元通過采集板收集各種傳感器的物理信息，通過監測分機板打包處理，再通過不同的通信接口送到室內主機記錄分析。現場處理單元和通信接口是硬件設計的重點。

2．1 現場處理單元

采集板、監測分機板 （MPU）、防雷板、電源板插在軌旁箱的現場處理單元內，在電氣接口上，不同的板卡通過插針的形式和PCB背板進行可靠的連接。采集板和監測分機板之間通過CAN總線進行傳輸。

采集板分時采集多路傳感器的0～20mA模擬信號，電氣框圖如圖2所示。在采集板上將電流信號轉換成電壓信號，經過 MCU的A／D轉換、MCU微處理器對數據處理分析及協議打包，最終以CAN總線的方式將傳感器信號傳輸至MPU板。

圖2 采集板電氣框圖

轉轍機GAP圖像數據通過CAN總線傳輸到機匣背板，MPU板卡的主要功能是通過CAN接口處理采集單元的傳感器數據和GAP圖像數據，如圖3所示，經過微控制器的數據處理，打包分析，將現場的狀態數據以光纖或者雙絞線通信的方式發送到室內車站控制單元。數據在上位機進行記錄分析，當數據異常時，給出報警信息。

圖3 MPU板電氣框圖

MPU板卡在邏輯上位于采集板卡和室內主機中間，起到中轉站的作用，除了完成數據處理外，還要完成通信協議轉換。MPU板卡分別提供以太網電平接口和LonWorks網絡接口，數據傳輸方式靈活，可以通過更換MPU板卡適應不同的通信接口。

2．2 通信接口

由于我國鐵路光纜網沒有覆蓋道岔設備，因此現場數據網絡多采用成熟的現場工業總線，利用既有信號電纜，滿足數據從專用光纜到信號電纜的實時傳輸。系統可以提供光纖、DSL、LonWorks 3種高、中、低速通信模式，既可以通過光纜與區間道岔數據采集結點通信，也可利用一對普通信號電纜實現車站內的現場數據通信，可根據實際工程情況選用性價比最優的通信方案。

2．2．1 光纖通信模式

光纖通信支持多模光纖和單模光纖。采用單模光纖作為傳輸介質時傳輸距離可以長達幾十千米，通道速率可以達到100Mb／s。對于新建車站，可以預先鋪設光纜，作為道岔監測系統的預留通道，實現軌旁箱監測信息的高像素視頻信息的傳送。室內采用光纖端口的以太網交換機，將多個軌旁箱的信息通過光纖傳輸到中心服務器。

2．2．2 DSL通信模式

對于較大車站，最遠道岔到達機械室的距離要達到幾千米。以太網傳輸采用網線傳輸時，由于雙絞線的最大傳輸長度為100m，滿足不了通信距離的要求。因此，采用一對DSL設備進行通信距離延伸，如圖4所示，在軌旁箱側和交換機旁布置DSL設備，利用站場內預留的一對雙絞線，可以達到 （1Mb／s）／2km的傳輸指標，可以實現圖片或普通視頻信息的傳送。

圖4 DSL通信組網圖

圖5 LonWorks通信組網圖

星型結構是目前應用最廣、實用性最好的一種拓撲結構，傳輸介質是常見的雙絞線和光纖，擔當集中連接的設備是具有雙絞線RJ45以太網端口，或者各種光纖端口的集線器或交換機。系統的光纖通信和DSL通信都采用了星型總線。

2．2．3 LonWorks通信模式

一個鐵路車站的道岔分布比較分散，呈片狀分布，通常難以通過單一總線連接所有軌旁箱。LonWorks現場總線是由美國Echelon公司推出的局部操作系統，支持自由拓撲結構，并且不需要DSL設備做距離延伸，設備成本更具有優勢。使用Doubly總線拓撲時，可以達到 （78kb／s）／2．7km的傳輸指標，使用現場雙絞線／電力線時，傳輸距離有所下降。如圖5所示，上行線和下行線的軌旁箱分別通過LonWorks總線連接，中間通過室內的網絡路由器橋接，將LonWorks總線上的數據轉換成以太網協議數據，通過網線傳輸到中心服務器。

3 結束語

道岔綜合檢測系統采用模塊化的設計，機匣可以通過擴展采集板卡靈活擴展檢測點的數量，提供了靈活的通信接口，適應不同的現場情況，并且可根據用戶需求進行定制。維護人員在遠程端可以全面、實時的掌控道岔實際運用狀態，提前預警各項參數變化趨勢和異常狀態，克服人工定期巡視無法實現的實時性和趨勢預警，提高運輸效率，保障行車安全。

［1］ 徐禎 ．鐵路道岔綜合監測系統研究［J］．鄭鐵科技通訊，2010（2）．

［2］ 曹均平 ．高速鐵路道岔監測系統現場監測單元的設計與實現［D］．西南交通大學碩士論文，2007．

［3］ 劉克強 ．高速客運專線道岔監測系統研究及應用［J］．中國鐵路，2009（4）．

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