鐵路車站信號聯鎖試驗模擬裝置的研究與實現

楊貴，賈亞紅

（1、2，中國鐵路太原局集團有限公司 安全監察大隊，工程師，山西臨汾，041000）

鐵路信號系統是車站的重要設備之一。目前國內鐵路建設加快，現場信號設備聯調聯試工程量巨大。在日常施工過程中，施工單位在安裝信號設備后，都需要對室內設備進行全方位的試驗［1-4］；鐵路運營單位也會組織技術人員進行聯鎖關系試驗［3］。

傳統的信號系統模擬試驗盤，是由三合板加裝鈕子開關、按鈕和指示燈制作而成，用于模擬車站的室外信號機、轉轍機、軌道電路的狀態，整體外觀和布局需要根據不同的車站進行定制化設計［1-3］。這類模擬實驗盤簡單粗糙、功能不全、可靠性差、工效低、不可重復利用，很難完成充分全面的聯鎖試驗，不便于推廣［4-6］。參考文獻馮景文等人研究方向局限于針對室外設備狀態仿真，未完全實現對動作過程的模擬［1］。參考文獻谷勝元等人則提供了一種帶上位機和數據庫的系統，能夠實現對車站聯鎖試驗的過程記錄和分析，但也未實現對室外信號設備功能的全部仿真［2］。同時現場接口聯調聯試80%的工作量都花費在帶電的接口試驗過程中［2-7］。

本文通過運用通信技術、嵌入式技術、電力電子技術等方法，研究信號系統室內外結合的特點，融合不同設備接口，設計了一種便于現場使用的鐵路車站信號聯鎖試驗模擬裝置。該裝置能夠克服傳統模擬盤的弊端，在車站施工過程中，能夠替代室外全部真實信號設備，協助現場作業人員盡快完成上電測試、接口調試和聯鎖試驗，減輕工作強度，提高試驗效率。

1 系統結構分析

在車站聯鎖施工中，設備安裝后，必須進行帶電測試，以確保設備功能和性能。整體信號系統主要由人機交互層、室內微機室、室內機械室和室外設備層組成，接口情況如圖1 所示。本文設計的聯鎖試驗模擬裝置提供標準接口，分別與室內機械室信號設備進行連接。

圖1 系統接口架構示意圖

1）人機交互層：一般由工業控制機組成，完成車站場場的顯示。針對新建高鐵車站，計算機聯鎖人機界面及操作方式則統一參考技術條件《車站計算機聯鎖操作顯示技術規范》（TJ/DW188-2016）（鐵總運［2016］147號）進行設計［2-3］。

2）室內微機室：放置聯鎖機柜，包括聯鎖主機和I/O驅采模塊。主要功能是實現車站整體聯鎖邏輯，邏輯關系符合國家標準《計算機聯鎖技術條件》（TB/T3027—2015）的要求［4］。

3）室內機械室：包括接口架、組合架和防雷柜。具有接收聯鎖命令，并按照一定順序進行動作，輸出和采集相關設備狀態的功能。目前，大多數車站使用的是安全繼電器，少數新建車站開始使用全電子的執行機柜［5-8］。

4）室外設備層：包括道岔、信號機、軌道電路。根據車站站場大小，設備數量和規模，合理確定室內機械室組合及試驗模擬裝置配置數量。

5）臨時設備接口層：本試驗模擬裝置主要用于臨時協助施工單位和鐵路電務人員完成信號系統室內調試和聯鎖試驗，在完成功能和性能聯調聯試后即去除。該部分接口與室外一致，可由室內防雷柜直接接入，并甩開室外的控制電纜。

2 系統功能設計

2.1 系統組成主要包括控制主機、電源模塊、室外設備仿真模塊、信號仿真設備狀態控制和顯示模塊、通信模塊等5 大部分（見圖2），采用模塊化設計，構成信號聯鎖系統室外真實電氣設備的仿真模型。

圖2 試驗模擬裝置系統組成示意圖

2.2 系統硬件設計

1）控制主機。采用高性能嵌入式主機，具有高運算性能，支持開放的、可升級的32 位嵌入式WINDOWS CE6.0 操作系統。控制主機提供USB 接口，直接通過U盤將配置的站場數據導入后，就能夠自動生成和車站站場相一致的站型圖形，并在高清顯示終端進行展示；同時通過通信模塊能夠完成對本試驗模擬裝置的整體控制，用于實現轉轍機、信號機和軌道電路的狀態設置。其中高清顯示終端，尺寸為24 英寸，最大支持1 920×1 080 P 高清顯示，滿足現場顯示需求。

2）通信模塊。支持多種通信方式，并采用光電隔離技術，提高系統抗干擾能力。通信模塊通過RS-485通信與室外設備仿真模塊進行通信，采用主從應答方式，用于控制設備各個模塊狀態。通信模塊與驅采模塊連接，用于采集按鈕開關和鈕子開關的狀態，從而識別出現場人員的設置意圖，并將該信息傳至控制主機。驅采模塊主要用于現場人員設置現場各個仿真設備（轉轍機、信號機、軌道電路）的實時狀態。

3）電源模塊。本試驗模擬裝置使用交流220 V市電，其他模塊用電（DC24 V、DC5 V）均從內部直接轉化，現場使用非常方便。整體正常工作狀態額定功率不大于300 W，耗電量較小。

4）轉轍機仿真模塊。能夠仿真出多種如交流五線制S700K、ZDJ9、ZYJ7 系列和直流四六線制ZD6等系列轉轍機的基本功能和性能［7］。能夠模擬轉轍機的動作過程和表示電路，并通過采集控制電纜的電壓、電流、相序和相位等信息，測試室內控制電路組合配線是否正確。例如轉轍機表示電路由表示變壓器、二極管、300Ω電阻和內部接點組成，當道岔密貼，表示正常時，在分線盤上測量五線制道岔控制電路表示狀態時，其正常表示電壓極性和數值是，定表：X1（或X4）+、X2-，直流19～22 V、交流55～65 V；反表：X3+、X1（或X5）-，直流19～22 V、交流55～65 V。針對三相交流轉轍機原理的仿真表示、仿真動作電路分別見圖2和圖3。

圖3 表示電路簡化原理圖

圖4 動作電路定操簡化原理圖

以上轉轍機仿真模塊，不僅提供了轉轍機的四開、定位、反位等狀態信息，并且接受控制電路輸出的驅動電流，提供一個大約在2 A 左右、持續時間10 s 的動作曲線，仿真出轉轍機電機的定操和反操過程，能夠測試出室內控制電路是否正常，提供參考故障點信息，并在高清顯示終端進行展示。

5）信號機仿真模塊。國鐵信號機電路，基本框架大同小異，其原理一般都是雙線控制，主要是驅動電壓和額定電流有所區別［7-8］。目前本模塊提供單相交流220 V 和直流24 V 兩種的模擬負載，并在控制回路中串可調電阻和繼電器可控節點，現場施工人員可以根據實際信號機的類型定制，靈活配置模擬負載的額定電流值，可控范圍在10～800 mA，并仿真燈絲斷絲等功能。

6）軌道電路仿真模塊。本仿真模塊與室內輸出的電纜直接相連，并在回路中串接可調電阻和繼電器可控節點，用于仿真調整鋼軌之間的電阻和狀態［5］。該模塊可以根據控制主機的命令，自動模擬出各個軌道區段的占用和出清的順序，從而模擬出列車的行駛過程。

2.3 系統軟件設計

1）軟件需求分析。本裝置的軟件需要完成車站站場仿真和控制邏輯，需要安裝于高性能嵌入式主機之內，具體的功能需求見表1。

表1 功能需求列表

2）軟件的實現。本軟件設計需滿足嵌入式主機的運行要求，先利用VS 2005 進行界面框架開發，邏輯采用UML 建模方法，盡可能地簡化軟件規模，整體功能滿足模塊化設計。該軟件由人工采集車站站型和數據后，自動配置相關數據即可完成，并通過USB 導入至控制主機，基于通用WINCE 平臺即可使用，界面顯示滿足1 920×1 080分辨率要求。

3 系統試驗

3.1 系統現場試驗在改造施工過程中，當室外設備還未安裝或還未進行帶電測試的時候，首先對室內的信號設備功能進行驗證，是非常重要的，也是現場提高聯調測試重要的環節。本裝置的研制與現場的需求緊密結合，通過前期調研，已在某鐵路局內新建車站現場構建了試驗平臺，該裝置工作適應溫度范圍為-40℃～70℃，濕度范圍為≤95%（25℃時），氣壓范圍70～106kPa，占地面積不大于20 m2。通過現場測試，相比較傳統方式，提高了測試效率，大概節約了1/3 的現場調試和驗證試驗的時間，隨著現場人員對裝置使用熟練程度提高，節約的時間也會進一步加大，具體本裝置使用的流程如圖5所示。

圖6 設備現場使用流程圖

3.2 系統主要特點

1）本裝置上電后，一鍵開關機，現場使用方便。其各模塊采用獨立式設計、裝卸便捷，與室內接口使用萬科端子，接線簡便，利于維護檢修，實用性、經濟性、和推廣性較強。

2）本裝置的顯示界面和仿真設備數量，與現場保持一致，可靈活配置，能夠根據不同需求進行定制化設計。

3）本裝置突破傳統模擬盤的功能，在滿足原功能的基礎上，補充了既往裝置缺乏強電動作過程的仿真，確保了仿真系統能夠與真實現場設備保持完全一致。

4）本裝置提供了模擬行車的過程設計，能夠自動配合鐵路電務人員進行聯鎖關系試驗的驗收過程，相較于傳統人工操作，縮短了試驗時間，提高了聯鎖試驗的全面性和準確性。

5）本裝置的室外設備仿真模塊通過采集電纜輸出的電壓、電流、相位和相序等電氣特性，能夠分析出室內控制電路的故障點，協助施工單位快速查找設備故障點，能顯著節省調試時間，縮短車站施工工期。

6）本文研究內容符合鐵路未來發展趨勢，對于提高鐵路技術水平，確保信號設備發展具有積極意義。

4 結論

本文針對目前鐵路車站信號聯鎖試驗模擬裝置存在不足，著眼于提升模擬聯鎖試驗的可靠性和實效性，立足于契合現場客觀需求的迫切性和創新性，研發了一種新型鐵路車站信號聯鎖試驗模擬裝置，經實際使用檢驗達到設計預期，證明本裝置具有提升試驗效率、減輕勞動強度、便于養護維修、適用環境寬松、可以重復使用等特點，不僅在既有線日常施工、維修進行信號聯鎖試驗時運用該裝置可以取得較好效果，更為顯著的是在加快鐵路新線建設的新形勢下，新建鐵路類似工作運用該裝置對于提升線路質量、壓縮建設成本和確保工期控制都具有積極作用。本裝置的深入研究對于提高車站信號系統的新建、改造、大修和聯鎖試驗的整體管理水平有重要意義。