基于互聯網協議和光纖傳輸的分布式鐵路信號控制系統

王貴鑫

基于互聯網協議和光纖傳輸的分布式鐵路信號控制系統

王貴鑫

本文提出了一種分布式的鐵路信號控制系統，該系統由中央處理單元、分布在軌道一側的終端控制裝置和信號箱組成。其中終端控制裝置和中央處理器之間的通信采用互聯網協議和光纖局域網傳輸的綜合方案。不僅減少了由于大量線路傳輸信息出現的人為錯誤，而且鑒于采用了互聯網技術，和目前的系統相比，在安裝信號設備方面能夠減少很大的工作量。分布式的終端控制裝置自帶處理器，通過安放在鐵路軌道某一側來實時控制現場信號箱的運行。中央處理單元是一臺集成式微機，帶有實現現場設備功能的軟件程序。分布在中央處理單元和終端裝置之間的光纖局域網和多個并行通信路徑確保了信號的可靠傳遞。

鐵路信號系統在確保鐵路正常運營方面發揮著重要的角色。隨著鐵路承容量的不斷加大以及時刻表的不斷改變，對信號控制系統的可靠性要求越來越高。普通的信號系統主要包括帶有繼電器電路的邏輯單元，需要特定的配電線。根據線路手冊單獨設計的繼電器電路容易出現人為錯誤，這會導致鐵路運輸出現混亂事故。而且，基于繼電器的邏輯電路由于不具備綜合系統結構，難以滿足現代化交通中高運轉率的要求。

隨著計算機技術的發展，引入了智能化控制系統來解決這些鐵路信號問題。例如，一個電氣連鎖系統具備集成化電路和復合式結構。別的信號裝置中，包括列車檢測系統和自動列車停止系統已經采用了集成化電路智能系統。為了滿足系統的可靠性，列車?？空九_處和運行過程途中均采用了集成化電路，這些電路板被安置在一個封閉的控制柜中，從而使得鐵路控制系統形成了一個集中系統。本文在提出常規智能信號裝置存在問題的基礎上，引入了一種新的分布式信號系統。

1 現有智能信號裝置的問題

盡管微機智能技術在鐵路信號控制中已經得到廣泛的應用，但是仍然存在很多的缺陷和不足。第一，由于目前的控制邏輯電路安裝在火車站室內，而操作部件則分布在鐵道一側，兩者之間的通信需要線路連接。當該系統需要大量的通信線路、控制線路以及數據傳輸線路時，大大的增加了線路建設成本。同時，鑒于大量的連接線路長期處于超負荷工作狀態，需要增加線路保護設備以及故障維護工作。在通信的調度方面，人為錯誤也會時常出現，容易引起交通運輸的秩序混亂。第二，由于目前采用控制系統的傳輸路徑是一個復雜的結構，一當發生線路短路或者斷線故障，將會造成很大的交通混亂。因此，有必要研發具有復式結構的現場控制系統。例如，互鎖裝置通過繼電器電路向線路注入電壓信號，以此來直接控制信號設備。由于一個互鎖裝置控制許多個信號設備，因此需要接入大量的線路。當鐵路的運輸容量增加或者互鎖裝置性能裂化時，為了改進和替換互鎖裝置，需要引入大量的電力線路。裝設如此多的線路不僅需要大量的人力和財力，而且容易出現人為的線路布線錯誤，從而造成運輸秩序混亂問題。

在系統更新過程中，比如增加一臺信號設備，必然引起所有的信號設備進行重新布置和組合。鑒于所有的信號設備是獨立安置的，并且具有不同的軟件系統以及互相獨立操作，我們不得不逐一的去操作這些設備以及避免互相之間造成不良影響。

基于互聯網技術的分布式信號控制系統

分布式信號控制系統的原理分析

為了解決上述提出的問題，本文提出了一種分布式信號控制系統。針對控制中心處理器和現場設備的信號傳輸引入了光纖局域網和互聯網結合的技術。光纖局域網不斷的改變現場設備的控制方法。圖1給出了該系統的結構框圖，從圖中看出，系統由一個中央邏輯控制單元以及許多現場控制的終端設備組成，通過光纖來連接中央處理器和這些終端設備。

該信號控制系統有兩種實現方法。一種是軟件方法，根據現場設備的設置功能來編寫中央處理單元的軟件邏輯。另一種是硬件電路法，引入了基于光纖和互聯網技術結合的分布式信號控制系統。

軟件實現方法如圖2所示，盡管常規系統的各個設備相互獨立操作，有時它們之間有相似的內在邏輯聯系。我們破壞這些設備的正常序列，根據現場信號的需要重新組合這些設備，從而消除了相互之間的重復操作。圖三給出了新型信號控制系統的各個部件的相互聯系。

另一方面硬件方法是基于使用現場終端設備作為分布式處理器來智能控制信號箱。終端設備將因特網協議命令轉換成電功率信號（加在LED兩端的直流電壓、中繼裝置等）。該硬件實現方法的信號傳輸示意圖中所示的互聯網協議和光纖傳輸給現場信號裝置提供數據流。

中央處理單元向現場信號箱發出控制命令，同時將命令轉換成經光纖傳輸的因特網協議數據?，F場的終端裝置接受這些因特網協議數據并將其轉換成控制現場設備的信號?，F場終端裝置的安裝方式有兩種：①內嵌在信號指示箱中；這樣的安裝方式需要更換目前現場的信號設備；②現場終端裝置獨立成柜安裝，一個裝置可以同時控制多個信號箱，因此不需要更換現場信號箱，只需要在改變少數接線的基礎上，增加一臺控制柜即可。

隨著目前互聯網技術的發展，逐漸代替了原來由線路進行的直接電傳輸，目前信號可以實現多路快速傳輸。在引入多路信號傳輸后，縮小了因架空線路產生的成本，同時，利用光纖局域網技術使得多路信號能夠以數據傳輸的方式實現。

第一種終端裝置安裝方式需要采用特殊的信號低壓柜，并且一次控制一臺信號箱。由于終端裝置和信號設備安裝在同一個控制中，使得兩者容易受到互相的干擾。采用第二種安裝方式后同時能控制若干個傳統的信號箱，鑒于不需要更換目前的信號箱，因此成本消耗低。由于信號箱和終端裝置之間采用線路連接，因此需要增加保護電路消除來自信號箱的干擾。

光纖傳輸系統由無源光纖網絡組成，由于該網絡的每一條支路均由無源器件構成，不需要電源模塊因此穩定性較好。通過增加分流裝置，一條光纖能夠被分解成30多條控制線，當系統采用10條光纖傳輸時，意味著同時能夠控制300個信號箱，即一個終端設備可以控制300個信號箱。為了避免電纜損壞或者故障引起的信號傳輸中斷，系統需要采用雙回線路傳輸方式，即一個傳輸路徑由兩條并聯光纖組成。

為了該鐵路信號控制系統的正常運作，還需要增加在線遠程監控模塊。該模塊也是由包括中央處理器和終端設備等許多綜合設備組成。本文采用客戶端-服務器體系結構的遠程監控系統。系統包括了4種類型的計算機終端：系統監測服務器、控制服務器、維修PC終端以及用于終端設備的維修設施。

圖1　鐵路信號控制系統結構示意圖

圖2　系統內部各個模塊的邏輯關系

用于提高該系統可靠性的技術研究

由于本文是基于互聯網技術的綜合通信來實現該系統的正常運作的，因此如何使用通信規約來保證可靠的進行信息傳輸成為一個關鍵性的技術問題。因此提出了如下的可靠通信手段。

（1）從中央處理器到終端設備的信號線是完全重復的。由于中央處理器和終端設備是多臺復式設備，例如當中央處理器、終端裝置分別都包括A和B兩臺復式設備時，因此該系統有如圖5的4條傳輸路徑。每條路徑以200ms的周期同時獨立的發出和接受信號，中央處理器A和B 互相交換信息，終端設備A和B是一種熱備用系統。因此只要設備工作在正常狀態，這4條路徑傳輸的發出/接受命令具有相同的內容。由于一條路徑中傳輸的信息就能夠控制相應的中央處理器和終端設備，其他傳輸路徑被視為冗余信息。這樣的通信方案足以保證鐵路信號系統的可靠性。

（2）本文提出了一種基于互聯網技術的新的數據傳輸協議，該協議有以下四種技術構成。

①所有的發出命令和相應的反饋都有自己的序列號，中央處理器可以確認系統發出的命令數量正好等于反饋信號的數量，通過引入序列號，工作人員就可以發現數據傳輸過程中的通信錯誤。

②中央處理器和終端設備實時監測數據流的時間間隔，如果時間間隔太長，被系統視為發生了傳輸延遲。

③除了正常的IP（互聯網協議）地址，所有的發出信號和接受信號都有表明它們目的地的識別標簽，為了避免數據傳輸的錯誤，該標簽包含4位漢明距離。每一臺信號設備設置了相應的信號標簽，并且IP地址確定了各個終端裝置。IP地址和識別標簽幾乎沒有同時出現錯誤的可能性。

④循環冗余校驗法和反碼位數據被用于查找數據包中的錯誤。為了防止傳輸錯誤，中央處理器和終端裝置將相應的設備調整到安全傳輸狀態。

結束語

本文提出了一種新的分布式鐵路信號控制系統，其中中央處理器和終端裝置是該系統的必不可少的設備。同時引入了互聯網技術和光纖局域網作為中央處理器-終端裝置的信息傳輸的手段。分布式終端裝置具有獨立的處理器且被安置在鐵路一側去控制現場的信號設備。中央處理器是一個集中式的微機，具有包含實現現場設備功能的軟件程序。同時給出了保證該系統運行可靠性的附加設施，進一步討論了自主分布信號控制系統。當中央處理器向現場裝置發出控制信號時，現場裝置將會計算被控制信號箱的邏輯關系，信號箱將會實現現場裝置發出的控制命令。本文提出的控制信號系統能夠滿足鐵路運營的現代化要求，可以作為鐵路信號系統的基礎設施。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.017