區間信號顯示邏輯判斷軟件系統的研發與運用

何白冰，郭建宇

目前，鐵路區間信號控制電路由信號電源、燈絲繼電器、有關繼電器接點、點燈單元、發光盤及連接電纜等組成［1-2］，雖然電路結構簡單，便于實現，但不可避免地存在發生故障的可能性，例如，繼電器銜鐵卡阻、線圈斷線、接點粘連、簧片折斷；還有連接電纜斷線、混線；或者電路中電源干擾、串電等。當條件巧合時，很可能會造成信號錯誤顯示。2018 年12 月，朔黃鐵路定州西至定州東上行區間3266 信號機現場試驗中，也確實發現過因繼電器接點粘連，造成區間信號錯誤顯示的實例。倘若出現信號降級或升級，勢必造成行車事故。因此，對區間信號顯示的監督，必須引起足夠的重視。

在朔黃鐵路，區間運用的是UM71自動閉塞系統，并且安裝了微機監測和信號設備專家診斷系統，在鐵路運輸安全中發揮了極大作用。然而，對于信號錯誤顯示，例如繼電器接點粘連引起信號顯示升級，很難進行分析判斷，有些還不能給出報警提示。為此，在原有基礎上，研發出了“區間信號顯示邏輯判斷軟件系統”，在盡可能利用既有設備，且不增加太多投資的前提下，及時發現和消除信號錯誤顯示，對預防或減少行車事故，具有實用意義。

1 主要功能

區間信號顯示邏輯判斷軟件系統是對自動閉塞區間信號顯示的正確性實時檢查核對、智能分析判斷，除檢查閉塞分區的軌道電路空閑與占用（利用有關軌道繼電器接點電路）狀態外，再增加提取并分析比對信號點燈繼電器接點電路之外的其他信息，如軌道電路中的低頻信息［3］、前后方相鄰信號燈光顯示信息［4-5］等，對信號顯示實現多重檢查。當發現信號顯示不正確時，及時報警并給出指導建議，達到進一步加強行車安全、提高行車效率的目的。

該系統可智能識別區間信號顯示故障（升級、降級、滅燈等）并及時報警。其中的計算機仿真技術［6］模擬鐵路運行機制，實現對自動閉塞區間信號、軌道電路工作狀態和傳輸信息的實時檢查、核對、分析。包括：①區間信號顯示與相關閉塞分區順序占用邏輯關系的一致性檢查；②區間信號顯示與相關閉塞分區低頻信息邏輯關系的一致性檢查；③區間同方向信號機前后燈光顯示序列邏輯關系的一致性檢查。當發現信號顯示與邏輯關系矛盾時，可及時報警并給出指導建議。

2 技術方案

2.1 軟件系統架構

該軟件系統架構如圖1 虛線框內所示，它是以知識源、數據庫、控制機構3 部份內容為基礎，將通過信號圖紙數據查詢接口和微機監測數據接口統一獲取的信息加以應用。信號圖紙數據庫用來存儲信號圖符元數據以及信號圖紙解析規則，微機監測數據庫用來存儲安全監測［7］的原始數據；智能分析數據庫用來存儲設備運用頻次、分析結果、故障處理記錄等其他數據。其中模擬量分析、鏈表分析和綜合處理作為整個系統的驅動源，可以動態選擇和激活適用的知識源。

圖1 軟件系統架構

2.2 信息采集分析

通過采集到的區間信號機和閉塞分區的實時開關量（包含區間各信號機燈位顯示狀態［8-9］，各閉塞分區占用、空閑，方向繼電器狀態［10］等）、模擬量（包含向室外供出的點燈電流、電壓，發送器的功出及接收器的接收電壓、載頻、低頻頻率等）數據信息，先對實時數據進行數據清洗和篩選，再將延遲的不同步數據進行適當的時間修正。從孤立、斷續的海量數據中，抽取出具有分析價值的特征數據。

在系統內部，根據信號顯示序列標準、燈光轉移要求、碼序表等，確立標準顯示規則。將實際信號顯示與標準顯示規則進行比對分析，即對信號顯示與軌道占用、低頻信息發送及接收、燈光顯示序列進行多重檢查核對，如發生信號升級（信號機應亮紅燈實亮黃燈、綠燈，信號機應亮黃燈實亮綠燈）、降級（信號機應亮綠燈實亮黃燈、紅燈，應亮黃燈實亮紅燈）、信號機滅燈等故障時，及時報警，并為現場維護人員提供指導建議。

2.3 邏輯功能實現

2.3.1 信號圖紙入庫

基礎信號圖紙中包含了信號設備在線路上的擺放位置、連接關系、設備類型［11］等內容，先對鐵路范圍內信號設備進行了命名規范和矢量圖符的定義，然后借助矢量繪圖工具將各種信號圖紙分解成圖符元數據，并納入知識庫中。

在圖形繪制時，從知識庫中將相應的圖符元數據取出放入鏈表存儲，再以計算機技術通過元數據鏈表，繪制出信號設備圖形。

在開關量解析時，也會從知識庫中取出相應的圖符元數據，將該數據與開關量數據結合為新的元數據，再以該元數據插入鏈表存儲分析。

2.3.2 仿真建模

以圖紙數據（計算機中的圖符元數據）為基礎，根據行車組織規則生成信號模型，向模型中輸入仿真數據；根據設備與圖符的對應關系規則可以在仿真控制臺上顯示設備運用過程；通過相應邏輯關系分析達到校準信號模型的作用。

本系統通過進路表模型、開關量模型、模擬量模型等共同組成信號模型，以其各自模型的屬性值承載仿真數據，從而生成帶有仿真數據的模型鏈表。

2.3.3 接入實時數據

由于系統傳輸的數據量較大，為保證數據的穩定性和實時性，系統間采取了數據更新傳輸機制，既有開關量狀態更新時，只傳遞更新部分數據，作為數據校驗每分鐘傳送一幀全體開關量，模擬量數據每秒鐘傳遞一次，并專門進行數據格式匹配。

2.3.4 邏輯關系分析

如圖2 所示，系統先從實時數據中分離出開關量和模擬量數據，然后根據仿真控制臺的低頻碼序及信號機燈光顯示序列表進行序列識別。識別依據為通過列車運行前方區間軌道電路的占用與空閑情況，以及軌道電路中傳輸的低頻信息，再根據序列識別情況，對設備動作做出預判，并與后續收到的動作數據進行比對。比對結果一致的可以認為是正常過車，結果不一致的記入鏈表做進一步分析。

圖2 邏輯關系圖

例如，列車運行前方，所有區段均為空閑狀態，系統檢測到列車先壓入第1 個區段時，第1 架信號顯示紅燈，低頻信息發紅黃碼。再壓入第2 個區段時，第2 架信號顯示紅燈，低頻信息發紅黃碼；隨后出清第1個區段后，第1架信號顯示黃燈，低頻信息發黃碼。當列車壓入第3 個區段時，第3 架信號顯示紅燈，低頻信息發紅黃碼；隨后出清第2 個區段，第2 架信號顯示黃燈，低頻信息發黃碼；第1 架信號顯示綠燈，低頻信息發綠黃碼。同時與后續收到的實時數據比對，以此類推，仿真控制臺對每一次過車均實時比對分析，如果結果一致，則認為正常過車，如果不一致，則記入緩存做進一步分析。

2.3.5 鏈表分析

序列分析中，對從實時數據中解析的設備動作與模擬動作比對不一致的結果，系統繼續觀察本次過車的數據情況，如果數據情況正常，則可認為本次為數據丟失或錯誤導致，如果數據情況也不正常，則發出設備報警。

例如，列車運行前方，所有區段均為空閑狀態，系統檢測到列車先壓入第1 個區段時，第1 架信號顯示紅燈，低頻信息發紅黃碼。預判該列車即將壓入第2 個區段，而后續并沒有收到第2 個區段的開關量占用信息，卻收到了第2 架信號的紅燈開關量。此時系統繼續分析第2 個區段的移頻接收器模擬量，若發現該區段接收電壓在第2 架信號紅燈前就低于工作值了，相當于軌道電路故障，則認為本次開關量數據丟失。這樣，能進一步保證判斷結果的準確性。

3 應用效果

該軟件系統是對信號顯示狀態的監督分析，其采集、分析、輸出電路，與信號控制電路有良好的物理隔離措施。在數據采集方面，系統與微機監測共享且只單向接收監測數據，與互聯網隔絕［12］，可有效防止互聯網病毒和攻擊；系統終端需經過認證后才可與服務器通信，系統服務器硬盤構成磁盤陣列，數據均加密存儲，可有效保障數據機密性和安全性；即使本系統故障，也不會干擾其他系統工作。

系統運用過程中形成的新經驗、新知識可經過規定的程序補充到知識庫中，不斷完善系統的故障分析能力，不斷提高預報警分析和故障指導的準確性。當車站出現設備改造，包括設備更新、行業技術管理標準的調整修改等情況時，均可進行相應的維護，以保證系統運行環境與設備實際情況相一致。系統的預報警，以“氣泡”的形式在站場圖中指向相應的信號設備，點擊“氣泡”后可直觀迅速的回放故障現象，并為現場維護提供針對性的指導建議。

本系統進行了多次的現場試驗驗證，特別是2020 年11 月在靈壽站進行了專項測試試驗，邏輯判斷報警結果及時準確。目前該系統已在朔黃重載鐵路上安裝使用。