基于光纖通信以及數(shù)據(jù)庫共享的鐵路信號傳輸系統(tǒng)

杜明陽

基于光纖通信以及數(shù)據(jù)庫共享的鐵路信號傳輸系統(tǒng)

杜明陽

為了提高鐵路運營效率，需要對現(xiàn)有的鐵路信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行大量的升級改造。但是，鑒于系統(tǒng)改造時間僅限在深夜以及系統(tǒng)運營的靈活性受限于系統(tǒng)復(fù)雜的架構(gòu)體系，目前信號結(jié)構(gòu)的擴建效率是比較低的。為了解決這個問題，本文提出了基于互聯(lián)網(wǎng)傳輸、自律分散技術(shù)以及數(shù)據(jù)共享庫結(jié)合的一種綜合信號傳輸系統(tǒng)。將系統(tǒng)的各個裝置分成獨立的微型系統(tǒng)，各自具有相應(yīng)的控制處理器，從而實現(xiàn)了多個小系統(tǒng)的自律運行，改善了鐵路信號傳輸體系的快速性和可靠度。與常規(guī)的系統(tǒng)相比，不僅提高了系統(tǒng)建設(shè)速度和降低建設(shè)成本，而且簡化了系統(tǒng)信號傳輸?shù)膹?fù)雜度，增加了各個設(shè)備之間信息的共享率。

隨著旅客容量增加和服務(wù)質(zhì)量要求的提高，鐵路信號系統(tǒng)一直處于不斷的改善中，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系越來越龐大，改造建設(shè)任務(wù)的難度越來越高。因此，如何提高信號系統(tǒng)的施工效率成為一個研究課題，但是受系統(tǒng)架構(gòu)的影響，目前的建設(shè)效率幾乎已經(jīng)到達了一個極限值。

目前的鐵路信號系統(tǒng)主要包括兩個子系統(tǒng)：交通控制部分和信號控制部分。自律分散技術(shù)和保護電路已經(jīng)廣泛用于改善交通控制體系的可靠性和靈敏度。對于信號控制部分而言，同樣需要保證中央處理器和現(xiàn)場設(shè)備之間信號傳輸?shù)恼_度與快速性。目前，國內(nèi)外部分學(xué)者已經(jīng)提出了將自律分散技術(shù)應(yīng)用于信號控制系統(tǒng)中。

本文提出了將互聯(lián)網(wǎng)傳輸、自律分散技術(shù)以及數(shù)據(jù)共享庫結(jié)合的新型綜合鐵路信號系統(tǒng)。與目前存在的系統(tǒng)相比，本文提出的系統(tǒng)有以下三個方面的改進創(chuàng)新：（1）優(yōu)化了通過光纖電纜傳遞的數(shù)字信號來控制現(xiàn)場設(shè)備的信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使得自律分散系統(tǒng)的各個裝置之間能夠?qū)崿F(xiàn)獨立通信。同時利用保護措施實現(xiàn)了現(xiàn)場信號設(shè)備的在線維修；（2）引入了數(shù)據(jù)集合和共享中心，使得各個信號設(shè)備的信息傳輸更加快速；（3）邏輯控制器和對應(yīng)的信號設(shè)備都獨立集成一臺具有高性能且安全可靠的微型處理器。

目前鐵路信號控制系統(tǒng)存在的一些問題

鐵路信號系統(tǒng)的典型配置由邏輯控制中心和現(xiàn)場設(shè)備控制部分組成，在運行效率方面各自都存在一定的缺陷。

現(xiàn)場設(shè)備控制部分的問題

目前的現(xiàn)場設(shè)備控制器是安裝在室內(nèi)的，與每一個現(xiàn)場信號箱的通信是通過大量的金屬電纜完成的。為了準(zhǔn)確控制信號箱，需要復(fù)雜的邏輯電路產(chǎn)生控制條件信號并經(jīng)線路傳輸?shù)浆F(xiàn)場的設(shè)備。因此，為了達到對現(xiàn)場設(shè)備的控制目的，需要大量的傳輸線路以及不定期的人工線路巡檢，基于這樣的信號傳輸方式，極易造成由于人為布線錯誤引起的交通控制信號混亂。另一方面，目前的系統(tǒng)缺乏健全的外圍保護電路，不能及時消除線路短路故障引起的系統(tǒng)性能紊亂。因此，需要對現(xiàn)場設(shè)備的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，實現(xiàn)綜合化控制。

邏輯控制中心的缺陷

邏輯控制中心電路由不同的電子器件組成，主要完成閉鎖、自動停車等功能。盡管集成電路板處于不斷的發(fā)展中，但是目前的系統(tǒng)僅僅是從繼電器邏輯電路轉(zhuǎn)換到依靠軟件編程來實現(xiàn)某一項功能，因此市場上出現(xiàn)了很多版本的集成電路板。此外，控制器之間的連接是通過不同類型的接口實現(xiàn)的，如串行接口、繼電器以及以太網(wǎng)等。基于這樣的系統(tǒng)配置，如圖1所示，當(dāng)增加部分電路模塊時，對現(xiàn)場信號箱、自動停車指示的功能改變較小，因此邏輯控制器的靈敏度較差。

圖1 傳統(tǒng)的邏輯控制中心

基于自律分散技術(shù)的新型信號運營系統(tǒng)

為了提高信號系統(tǒng)的靈明度和解決1.1、1.2提出的問題，本文提出的設(shè)計方案中引入了自律分散技術(shù)。該系統(tǒng)中，控制所有信號設(shè)備邏輯功能的中央處理器和連接現(xiàn)場信號箱的控制器是通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接，如圖2所示，兩者都有獨立的CPU去自主的運行。

用于鐵路機車運營的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

本文將自律分散技術(shù)應(yīng)用于鐵路站臺的網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)，具體的系統(tǒng)配置由邏輯控制中心、現(xiàn)場控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及實時監(jiān)測部分組成。邏輯控制中心向現(xiàn)場的控制器發(fā)出總的控制信號，用于完成整個鐵路網(wǎng)的信號閉鎖、自動停車以及間接控制現(xiàn)場信號箱等關(guān)鍵性功能。同時具有實現(xiàn)機車運行、機車停止以及機車維護的模式轉(zhuǎn)換功能。每一個功能都由通過獨立的控制器實現(xiàn)，部分控制器不再是傳統(tǒng)的集成電路。現(xiàn)場信號箱的功能是通過繼電器動作實現(xiàn)的，首先將這些功能繪制成軟件流程圖，配合相應(yīng)的硬件電路集成到一臺可靠的微機控制器來實現(xiàn)。

圖2 新型的信號運營系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用于實現(xiàn)人機交互功能的信號傳遞。例如，系統(tǒng)維護中需要進行機車工作模式轉(zhuǎn)換，借助通信協(xié)議，工作人員向目標(biāo)設(shè)備發(fā)出相關(guān)信號，目標(biāo)設(shè)備向上位機反饋相應(yīng)的檢驗加密碼。工作人員依照通信規(guī)約將安全碼轉(zhuǎn)換成可識別信息，并且將該識別信息發(fā)送給現(xiàn)場設(shè)備控制器，用以再次確認(rèn)命令的正確性。

通信消息主要包括命令信息和安全校驗信息兩部分。命令信息包括接收地址、被控制設(shè)備的動作指令例如：開關(guān)轉(zhuǎn)換方向、模式轉(zhuǎn)變（正常、檢修）等。安全檢驗信息包括序列號、時間溢出標(biāo)志位、反位碼以及循環(huán)冗余校驗碼，這一部分用于檢查計時和信息發(fā)送/接受出現(xiàn)的錯誤，一當(dāng)發(fā)現(xiàn)有錯誤，系統(tǒng)的信號設(shè)備轉(zhuǎn)換為安全模式。其中的時間標(biāo)志位用于判斷信號是否保持同步通信。

目前的信號設(shè)備與斷路器、隔離開關(guān)相連，在開關(guān)驅(qū)動電路中，用于控制設(shè)備的信號和傳輸介質(zhì)是一體的。因此當(dāng)現(xiàn)場的控制設(shè)備需要更換時，需要進行邏輯測試，由于電力驅(qū)動器件不等同時具有多個模式，因此在線維護存在很大的限制。在依靠數(shù)據(jù)流驅(qū)動的系統(tǒng)中，傳遞的信息與介質(zhì)是獨立分開的，因此當(dāng)更換裝置的時候不需要測試邏輯可行性。現(xiàn)場控制設(shè)備的運營模式同樣包含在控制數(shù)據(jù)流中，因而諸如機車運營和在線維修這樣的多種模式能夠并存，具有很高的安全性能。

自律分散技術(shù)在邏輯控制中的應(yīng)用

為了解決1.2節(jié)存在的缺陷，本文提出了基于自律分散技術(shù)的重組邏輯控制單元。系統(tǒng)局部變換對整體性能的影響是可估計的，同時改善了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性。目前應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每一個信號設(shè)備的控制邏輯電源是集中化的，信息的交換直接通過可設(shè)置優(yōu)先級別的網(wǎng)絡(luò)接口。因此當(dāng)邏輯關(guān)系變化或者功能變化時產(chǎn)生的影響難以估測。另一方面，在自律分散結(jié)構(gòu)中，所有的信息交換都是通過數(shù)據(jù)中心完成的，因此容易估測邏輯關(guān)系功能變化產(chǎn)生的影響。

信號控制邏輯單元主要包括閉鎖和信號跟蹤控制裝置。閉鎖裝置是為了鐵路站進行機車運營控制時的安全性設(shè)置的，完成多個機車并發(fā)運行的調(diào)度功能。信號跟蹤控制器能夠根據(jù)現(xiàn)場的控制設(shè)備、停車指示以及分叉口監(jiān)測反饋的信息來自動跟蹤列車的運行軌跡。自律子系統(tǒng)是一個抽象的信號設(shè)備，和現(xiàn)場的一個和多個信號設(shè)備相對應(yīng)。例如，R和現(xiàn)場的信號指示燈以及變軌指示對應(yīng)，T和運行跟蹤電路對應(yīng)。每一個子系統(tǒng)都配置有獨立的軟件程序模塊，完成對現(xiàn)場設(shè)備的邏輯指令以及各種保護功能。同時，每一個子系統(tǒng)將各自的狀態(tài)信息上傳到數(shù)據(jù)中心，同時從數(shù)據(jù)中心讀取其他子系統(tǒng)的狀態(tài)信息。因此，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的獨立運行功能。數(shù)據(jù)中心由多條分航線構(gòu)成，主要包括互鎖和列車跟蹤信息。其中分航線是列車檢測和開關(guān)指示區(qū)域定義的抽象數(shù)據(jù)。每一條分航線具有不同的ID，和子系統(tǒng)以及子航線對應(yīng)的內(nèi)容代碼。自律子系統(tǒng)自帶3個接口用于和外部系統(tǒng)進行通信：操作員、信號設(shè)備以及機車車輛。

邏輯控制中心將現(xiàn)場信號設(shè)備的部分功能分配給現(xiàn)場控制裝置的軟件程序，現(xiàn)場控制裝置分析被控制信號設(shè)備的邏輯控制關(guān)系并將分析結(jié)果與相鄰的控制設(shè)備交換，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)信號設(shè)備的正常運作。當(dāng)現(xiàn)場控制處理器帶有上述軟件功能時，現(xiàn)場的信號設(shè)備相當(dāng)于一臺獨立運行的微小系統(tǒng)。各個“小系統(tǒng)”之間通過以太網(wǎng)傳輸協(xié)議交換各自的運行狀態(tài)信息。

在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，需要實時監(jiān)測各個信號設(shè)備之間的合作程度，不斷優(yōu)化硬件電路以及傳輸路徑和方法，實現(xiàn)機車運作的有效控制。信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心會收集到各個信號設(shè)備的運行狀態(tài)以及相互的配合度，從而實現(xiàn)了各個設(shè)備的自律分散運行。

結(jié)束語

本文詳細的給出了基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)共享的鐵路信號傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議以及數(shù)據(jù)控制中心，從而將每一個系統(tǒng)設(shè)備設(shè)置成獨立運行的微型系統(tǒng)，加快了各個設(shè)備之間的信息交換速率，實現(xiàn)了各個功能模塊的銜接，同時基于這樣的系統(tǒng)架構(gòu)體系，加快了鐵路建設(shè)和改造程度，能夠滿足現(xiàn)代化鐵路中日益增加的運輸容量。

杜明陽

朔黃鐵路有限責(zé)任公司肅寧分公司

杜明陽（1984.10.25-）男，助理工程師，研究方向：鐵路信號傳輸與自動控制研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.026