一種新型的鐵路智能信號控制系統設計與實現

李紹斌+李文濤

摘 要： 傳統的鐵路信號系統中的信號點燈控制系統采用集中控制的方法，由于沒有使用微處理器，不便于實現故障的自診斷等有用的技術。因此提出一種新穎的方案，將LED信號燈進行網絡化控制，每個LED信號燈集成一套具有雙網熱備通信功能的嵌入式微處理器系統。這套LED系統由安裝于室內的智能信號機控制器集中控制，智能信號機控制器接收來自微機聯鎖系統的信息，執行點燈命令，反饋燈絲繼電器信息。該方案可提高鐵路信號系統的智能化程度，使信號的電纜使用量大幅度下降，系統可維護性和可擴容性顯著提高。

關鍵詞： 網絡控制； LED； 信號控制； 鐵路信號系統

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0156?04

Design and implementation of a novel intelligent signal control system for railway

LI Shaobin1， LI Wentao2

（1. College of Electronic Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China；

2. Electric Service Department， China Railway Corporation， Beijing 100844， China）

Abstract： The traditional railway signal system is not able to realize the self?diagnosis due to the centralized control of all the signal lights and a lack of microprocessor. A novel signal control scheme is proposed in this paper， in which the LED signal lights are controlled by network， and an embedded microprocessor system with the dual?network hot backup function is integrated into every LED signal light. The LED system is controlled by intelligent controller equipped indoor. When the intelligent controller receives a command from the computer interlocking system， it will conduct the light?on instruction and feedback the information of filament relay. This design scheme can improve the intelligent level of the railway signal system， decrease the usage of cable， and enhance the maintainability and scalability.

Keywords： network control； LED； signal control； railway signal system

0 引 言

在傳統的鐵路信號系統中，信號開啟與關閉采用集中控制的方法，即每個信號燈分為供電和可控制兩個部分，供電為現場供電，而信號的控制信號，則是通過線纜都需引入控制室集中控制[1]。無論是早期的6502繼電聯鎖，還是最新的微機聯鎖系統，信號機控制系統普遍采用繼電電路的硬開關，實現信號的開啟和關閉。在這種架構下，每個信號機控制單元都采用專門的電纜和室內相連，通過室內電路繼電器的組合來控制信號燈開啟和關閉。這種傳統的信號燈控制方式，每個燈位的控制信號都需引入控制室，雖便于管理，這樣會導致信號系統電纜部分投入和施工量較大，并且維護成本和強度較大；同時，由于已布好的線纜不便于調整，使得系統的擴容和改造很不方便[2?3]。

隨著現代計算機技術及通信技術的發展，鐵路信號正朝著智能化、網絡化和數字化的方向發展；針對這種發展方向[4]，本文提出并實現了一種新穎的基于網絡信號的控制方案，即采用網絡化的結構來控制信號機的開啟和關閉。這樣可大大提高鐵路信號系統的智能化程度；同時，控制信號承載在英特網協議中傳輸，減少信號的電纜使用量，大大提高系統可維護性和結構靈活性，而且非常有利于今后系統擴容和設備升級。本方案通過對現場信號設備的智能化和模塊化設計，使信號設備在現場構成網絡并將控制信號承載在英特網協議之上，所有信號設備的控制由網絡完成。這種信號機的智能化設計方法，可以做到站場內的全部信號機的控制信號，通過以太網接入到控制室，在控制室內，通過用通信電纜與室內的信號設備連接，實現控制，同時控制信號燈LED顯示方式，大大提高了系統的可靠性。

1 系統整體方案

信號機中燈位的控制采用嵌入式系統實現，并具有網絡通信功能，其中信號機功能及網絡結構圖如圖1所示。

圖1 電源監控系統架構

圖1中上半部分為室外設備，包括信號機和雙網熱備通信電纜，使用以太網連接，這也是現代信號控制發展的方向[5]。對于通信電纜長度超過4 km的站場，還包括雙網通信智能中繼控制器。每架信號機中的各個信號燈都是一個獨立的網絡節點，都有獨立的網絡地址，地址可由位于燈后殼的DIP開關或是燒入軟件時實現設置。接入網絡的每個燈位，都可以通過網絡匯報自己的健康度和系統自檢結果，以供控制機完成健康度匯總分析，同時控制機通過網絡控制完成全系統的故障自診斷與故障定位，這樣可進一步提高系統的可靠性；對于出現健康隱患的信號燈，站場維護部門可根據控制室的匯總報表定期對設備進行硬件維護和更換。

如圖1所示，每架信號機中的幾個燈位都采用雙電源熱備供電。圖中下半部分為室內設備及其連接關系，室內設備安裝于一個標準機柜中，機柜中的設備包括二乘二取二機柜一個或多個（根據站場大小而定），監控工控機2臺，其中有1臺為冷備機，用于主機故障時候使用。

圖1所示信號機中的每一個燈位都由一個信號智能控制單元和一個LED發光盤組成。如果信號機的架數較多時，可以根據區域分布將相近的信號機組成一個局部網絡，即一個組，形成子網，然后通過子網向上層網絡匯聚數據。對于同一個組中的所有信號機由智能中繼控制器管理；智能中繼控制器通過接收上級智能橋接控制器的指令來控制本組中信號設備的工作，并實現信號匯總和傳輸；指令由通信數據包傳輸，每個數據包包含尋址的設備地址和控制信息。

智能橋接控制器是智能信號控制系統的核心，各組的智能中繼控制器通過第二級網絡與智能橋接控制器連接。它可將計算機聯鎖系統中輸出的點燈信號控制信號進行邏輯分析，轉換為智能控制網絡的控制信息，實現對智能中繼控制器的管理，最終實現對現場所有信號機的控制。智能橋接控制器通過網絡采集所有信號機的工作狀態，傳輸到信號機系統故障定位及分析單元，用戶可以通過終端查詢不同故障級別的信號機的分布及健康度。同時，系統也可以自動報警，以提示健康度超限的信號機進行維護，同時將報警信息傳輸到車站值班室。信號機的控制信號來自聯鎖系統，智能橋接器可實現聯鎖系統發出的信號繼電器邏輯進行分析轉換，通過現場網絡傳輸。

本設計在提高鐵路信號系統的智能化程度的同時，使信號的電纜使用量大幅度下降，系統可維護性和可擴容性顯著提高。同時，為提高可靠性，本方案中，加入了“信號燈健康度”統計量，“信號燈健康度”主要針對LED信號燈，即LED信號燈中可正常工作的LED發光管數目占發光管總數的百分比。為了獲得信號燈健康度數據，集成在信號燈中的微處理器需要準確識別LED發光管中短路（擊穿）和開路（燒斷）2種故障，并進行統計，給維護部門提供更換依據。

2 系統關鍵技術

2.1 二乘二取二系統主備系統

二乘二取二系統是本設計的功能核心。二乘二取二系統接收微機聯鎖系統發來的點燈邏輯，傳送到兩系熱備的控制機，控制機主機解析點燈邏輯，翻譯成網絡命令發送給現場的信號燈位，信號燈位反饋回網絡狀態和健康度；同時控制機分析燈絲繼電器邏輯，然后通過二乘二取二系統反饋給微機聯鎖系統。整套系統替換現有的信號機及點燈邏輯電路后，不改變微機聯鎖系統的任何操作，所以微機聯鎖系統感知不到新系統的啟用。按照網絡理論可表達為“智能信號機系統對微機聯鎖系統是透明的”。為了不影響微機聯鎖系統的驅動與采集，系統與微機聯鎖系統的信號傳遞采用了全物理隔離，即信號繼電器的磁隔離，進一步提高系統安全性能。

在本設計中，二乘二取二系統通過控制機實現，主要包含以下4部分：

（1） 信號輔助繼電器邏輯處理單元：智能信號控制系統的核心，它可將計算機聯鎖系統中輸出的點燈信號進行邏輯分析，轉換為智能控制網絡的控制信息，最終實現對現場所有信號機的集中控制；

（2） 智能橋接控制單元：通過網絡采集所有信號機的工作狀態和健康度信息，并實現對網絡的管理和維護，包括燈位的入網、退網、脫機、故障及監控AB雙網的智能切換。

（3） 信號機系統故障定位及分析單元：通過智能橋接控制單元接收網絡上信號燈的健康度信息、故障自診斷信息、網絡注冊節點信息，AB網在各個節點的故障情況，將上述情況進行匯總分析，給出綜合報警信息，通過郵件報表方式傳送給維護部門。

（4） 人機接口單元：包括強制倒機切換按鈕和監控機系統。強制切換按鈕完成二乘二取二的主備系統的硬切換，主要用于出現緊急事故時或網絡控制系統出現故障時，為保證行車安全，而進行的硬切換。

2.2 信息的采集和驅動

在設計中，本智能控制系統通過對信號繼電器接點的采集，將采集信息輸入智能控制機，通過控制機的邏輯分析判斷，輸出控制命令，從而完成對信號機的開放。信息采集具有以下幾個特點：

（1） 為減少對原系統的干擾，采用和原聯鎖系統的無縫連接，所有采集的接點全部為信號繼電器的空結點。

（2） 為保證信息采集的可靠，對采集每個信號繼電器的接點均采用其上下都采集，這樣可防止由于繼電器接粘連而可能出現的信號升級顯示，降低了信號虛假信號的誤判率，提高了系統安全性。

在設計中，由于實際上已經取消了繼電點燈電路，原燈絲繼電器實際也已經不復存在，但由于微機聯鎖系統仍然在采集燈絲繼電器的信息，為減少改動微機聯鎖系統軟件帶來的麻煩，設計中仍保留了“燈絲繼電器”，并通過智能控制機輸出驅動信號使其按照原邏輯吸起。燈絲繼電器信號驅動電路如圖2所示。

在驅動電路設計時，需要考慮向前向后兼容性，因此，驅動電路具備以下幾個特點：

（1） 繼電器沒有使用動態繼電器，而是采用普通繼電器，考慮到雙機切換時，為保持繼電器不至于落下，選擇了具有緩放功能的繼電器。

（2） 由于沒有采用動態繼電器，為保證驅動的安全和可靠，對所驅動的燈絲繼電器采取了回采的辦法，出現驅動和采集不一致時，立即使該繼電器落下，保證故障安全，提高了系統可靠性。

（3） 對于一些老車站的信號燈設備，本系統可以較好的實現向下兼容。

圖2 燈絲繼電器信號驅動方法

2.3 LED信號發光盤

傳統的色燈信號燈采用白熾燈作為光源，由光源、集光器、反射鏡、色鏡及用于形成光分布的透鏡組成。由于白熾燈的光輻射幾乎占據整個空間，因此需要用反射器將其他方向上的光收集起來投向要求的區域。傳統的色燈信號燈的缺點是壽命短，僅1 000～3 000 h；耗電量大，通常要用25 W；光亮效果差，形成可靠光源的結構復雜，焦距調整麻煩；主燈絲斷絲不能報到具體燈位，不便維護的缺點尤為明顯[6?7]。

本設計采用LED光源，具有普通LED信號機的所有優點，如節能、長壽命等，并特有LED發光管短路、斷路的自診斷功能和保護功能，并由此可以計算“信號燈健康度”。每個燈位的健康度信息可通過網絡傳輸到控制機。此外，信號燈系統具有系統及網絡故障自診斷和故障定位功能，故障信息可通過網絡傳輸到控制機，包括信號的開啟關閉狀態、工作電流狀態、溫度狀態、濕度狀態等。本設計中的LED發光盤為帶有智能控制芯片的LED發光盤，每個發光盤有地址撥碼開關，相對應于每個信號機燈位，具有固定的地址碼，為防止更換發光盤時地址碼撥錯，在地址碼上方具有易于識別的液晶顯示對應的數字。同時，LED能夠具有短路斷路報警功能，其LED發光管選用了高亮度低功耗的發光管。本設計所選的LED燈源外殼為金屬外殼，強度高，散熱好。對應的2個接線插座分別是電源插座和雙網通信插座，LED發光盤和線纜的連接采用航空插頭，方便維護更換。圖3為LED信號燈機構的設計及LED信號燈的機殼機電路系統。

圖3 LED信號燈機構的設計及LED信號燈的機殼機電路系統

對于LED燈控制方面，控制系統可對微機聯鎖系統送來的點燈邏輯信號進行合法性檢查，如有非法碼則導向安全顯示。可診斷信號繼電器的上中下觸點同時粘連的故障和懸空故障，并自動導向安全。該系統的控制機采用雙網控制，無擾切換，可實現故障自診斷，具有歷史紀錄查詢和回放的功能。

2.4 電源模塊設計

LED發光盤的點燈電源為高可靠的開關電源，考慮到現場電源可能出現波動，采用了寬幅和抗浪涌的工作的電源，在輸入交流電為85～265 V時，均能保證可靠工作。為進一步保證系統可靠，該開關電源設計為雙套熱備，任何一個的故障，無論開路、短路，均不影響發光盤的點亮。開關電源的接線采用冷壓接頭連接。

2.5 微機聯鎖系統的接口

本設計在完成系統安裝后，在控制室首先關聯的設備是微機聯鎖系統，為使智能信號機系統不影響微機聯鎖系統，信號機系統對點燈邏輯信號的采集和燈絲繼電器信號的驅動都采用繼電器在中間隔離[8]。為不影響微機聯鎖系統的安全性，智能信號機系統只采集微機聯鎖信號繼電器的空端子，這樣可以保證通過繼電器隔離的方法傳遞信號。采集和驅動隔離方式如圖4所示。

圖4 采集和驅動隔離方式原理框圖

圖4中虛線為隔離線，可以看出微機聯鎖與智能信號機系統之間沒有導線的連接，實現了物理隔離。上下接點同時采集可以判斷，中接點和上下接點同時粘連的情況，但對于中接點和上下接點單獨粘連的情況則無法判斷。對于驅動的燈絲繼電器的各種接點粘連則全部能夠判斷。為了防止智能信號機驅動燈絲繼電器信號時對微機聯鎖造成影響，使微機聯鎖系統只采集燈絲繼電器的空端子，這樣保證了智能信號機系統和微機聯鎖系統沒有導線的直接電氣連接，如圖5所示。

圖5 智能信號機系統和微機聯鎖系統隔離原理圖

3 系統自身安全性分析

智能信號機系統本身的安全性保障采取多個安全措施，保證了系統自身的安全性[9?10]：

（1） 控制機采用故障安全的動態電路采集微機聯鎖送來的信號；

（2） 控制機采用三取二邏輯進行點燈邏輯的計算；

（3） 控制機采用硬件防死機技術，保證系統不停機；

（4） 系統采取雙網熱備通信，保證通信安全可靠；

（5） 信號燈控制板也采用了硬件防死機技術，保證系統受到干擾后不停機；

（6） 大量采用了軟件和糾錯校正冗余技術，保證系統的容錯性能。

4 結 語

本文提出一種新穎的方案，將LED信號燈進行網絡化控制，每個LED信號燈集成一套具有雙網熱備通信功能的嵌入式微處理器系統，由安裝于機械室內的智能信號機控制器集中控制，智能信號機控制器接收來自微機聯鎖系統的信息，執行點燈命令，反饋燈絲繼電器信息。本設計可提高鐵路信號系統的智能化程度，使傳輸信號的電纜使用量大幅度下降，系統可維護性和可擴容性顯著提高。

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