行車控制類中心設備接入下的鐵路信號集中監測系統設計

賀昌壽，王 磊，尤 剛

（1.中國鐵路成都局集團有限公司，四川成都 610000；2.成都地鐵運營有限公司，四川成都 610000；3.四川網達科技有限公司，四川 成都 610000）

現有的鐵路信號監測系統無法實時監測鐵路局中心和鐵路列車段中心的相關信息。針對此問題，文獻[1]提出了基于無人機三維影像技術的鐵路信號設備自動巡檢系統。文獻[2]結合人工智能技術設計了高速鐵路信號系統。

基于以上研究成果，該文設計了一種基于行車控制類中心設備接入下的鐵路信號集中監測系統。該監測系統匯集車載信號和地面信號，集中分析列車運行數據和運行狀態，實現鐵路信號集中監測系統與網絡服務器的互聯互通。

1 鐵路信號集中監測系統硬件設計

該文設計的鐵路信號集中監測系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 鐵路信號集中監測系統硬件結構

1.1 電源電路設計

在監測系統的電源電路中，內部基準電壓設定為2.5 V，外部基準電壓為3 V，內部基準電壓的溫度漂移最大值為15×10-6℃，具有720 μV 的分辨率，在0～60 ℃溫度范圍內，內部電壓漂移最高達1 500×10-6V，即15 mV，當鐵路信號要求具有較高的精度和溫漂時，可采用內部基準[3-7]。由于鐵路信號在監測過程中，可能會受到一些噪聲影響，所以需要對監測系統的電源電路進行優化設計，將噪聲對鐵路信號的影響降到最低。電路中引入一定量的電源抑制器，對輸出驅動器電源進行去耦處理，為了避免驅動器電源上的噪聲干擾電源電路，需要對電源電路作去耦處理，該電源電路具有20 μF 的鉭電容和200 μF 的陶瓷電容，電源電路的引腳用50 μF 的電容去耦[8-9]。

除噪聲因素外，還應考慮輸入放大器對鐵路信號的影響，電源電路中的放大器需要具有低噪聲和低失調電壓，為鐵路信號的傳輸和監測提供緩沖，因此該電源電路中配置的放大器具有較低的失調電壓漂移，最高為1.2 μV/℃，失調電壓的最大值為45 μV[10-12]。

1.2 采集器設計

監測系統的采集器選用三星公司生產的SD7392，該采集器內部配置了多通道雙極性轉換器，轉換器采用了互補雙極型工藝，能將較多的鐵路信號鏈路功能集成在采集器芯片內，以提高其性能。該轉換器是高精度、16 通道、8 bit 逐次逼近型轉換器，內部配置了3.5 V 基準電壓源和基準緩沖器，具有較低的功耗。采集器結構如圖2 所示。

圖2 采集器結構

由圖2 可知，該采集器具有較高的采樣精度和采樣速度，每通道的采樣速度能達到512 ks/s，其基本特點是8 通道單極性，輸入阻抗高；通過引腳設置輸入電壓值為3.5 V；高速采樣速率為512 ks/s；除了以上特點外，該款采集器的輸入頻率為80 kHz，信噪比為65.3 dB，具有豐富的外設和外部接口，接口包括并行接口、串行接口、SPI 接口和USB 接口，當電源電壓為3.3 V 時，采集器的采樣速率為256 ks/s，消耗的功耗為100 mW。采集器每條通道的采樣速率為256 ks/s，能同時觸發內部配置的轉換器和處理器，通過其USB 接口和SPI 接口獲得鐵路信號輸出數據，在256 ks/s 采樣速率下最大功耗為185.3 mW，在休眠模式下，最大功耗為12.4 mW。該款采集器可以實時采集行車類數據、信號監測數據、道岔數據以及信號機數據。

1.3 單片機設計

監測系統的單片機選擇三星公司的SY8529，該單片機可通過A/D 轉換采集鐵路信號，并將其存入緩存區，根據網絡通信協議將鐵路信號數據發送到鐵路現場總線上。單片機的芯片選用TI 公司的TS796 芯片，采用半雙工通信方式，在1.8～3.3 V 電壓范圍內工作，可將低電平轉換為高電平，內部配置了寄存器、接收器和監測器。寄存器的輸入端與串行通信接口連接，接收器的輸出端與并行通信接口相連，單片機的輸出端為接收器的輸入端。當寄存器的輸入端為邏輯0 時，單片機可發送鐵路信號，接收器處于發送狀態；當寄存器的輸出端為邏輯1 時，單片機內的接收器處于接收狀態，可實時接收外界發送的鐵路信號。單片機的片上集成了一個高效的16位A/D 轉換器、一個增益放大器和一個驅動器，數據的轉換方式可通過放大器來控制。在系統復位后，單片機的默認方式為雙端輸入，監測器的監測范圍包括聯鎖、閉塞、TCC、RBC、TSRS、電源屏、DMS、機車信號遠程監測系統、鐵路列車區間監控等信號設備。

1.4 報警器設計

報警器采用TCP/IP 協議進行串行通信，該款報警器選用TD 公司的TD8773，報警器內部具有消息處理狀態機制、一個中斷報警器和一個電源報警器。該款報警器最高可支持25 個通道，含有一個8位寄存器，可用作下個傳輸計數，消息處理狀態機制可進行數據發送和接收過濾，列車在行駛過程中產生的各種狀態信息可通過消息處理狀態機制進行發送和處理，并可同時存儲48 個消息對象，鐵路信號數據和消息對象可臨時存儲在消息RAM 中。

中斷報警器具有16 個優先級，可同時處理4 個中斷源，對每個中斷源可進行優先定義，能夠驅動寄存器快速輸入中斷請求，中斷請求可能來自報警器的外部引腳或內部外設，電源報警器集成了一個振蕩器和一個定時器，電源報警器可向監測系統提供26 個外設時鐘和8 個可編程時鐘，可編程時鐘可支持報警器的外設[13-14]。在充分獲得行車類數據、信號監測類數據、基礎設備（道岔、信號機）數據的基礎上，實現以下幾個智能化報警：

1）區段占用信息智能化報警：聯鎖系統、TCC、軌道電路、RBC 系統、CTC 系統；

2）聯鎖進路與RBC 系統接收SA 智能化報警；

3）聯鎖進路與RBC 系統接收MA 邏輯智能化報警；

4）TCC 進路信息和聯鎖進路信息智能化報警；

5）車站聯鎖執行TCC 進站信號機降級命令智能化報警；

6）TCC 碼序與聯鎖信號邏輯智能化報警；

7）各子系統間連接狀態的綜合智能化報警；

8）相鄰站TCC 方向智能化報警；

9）TCC 與聯鎖線路方向信息智能化報警；

10）TCC 鄰站鄰接區段占用邏輯智能化報警；

11）區間信號機與區間方向的智能化報警；

12）具備條件下，實現信號顯示與區段發碼的智能化報警。

另外，針對采集器采集到的相關信號監測類數據，報警器可以實現聯鎖進路與RBC 系統接收SA 智能化報警、各子系統間連接狀態的綜合智能化報警、相鄰站TCC 方向智能化報警、區間信號機與區間方向的智能化報警[15-16]。

2 鐵路信號集中監測系統軟件設計

該文設計的行車控制類中心設備接入下的鐵路信號集中監測系統的軟件流程如圖3 所示。

圖3 行車控制類中心設備接入下的鐵路信號集中監測系統軟件流程

首先對采集設備進行初始化。由采集設備向網絡通信設備發送連接請求，連接完成后，采集設備再向網絡通信設備發送注冊請求，網絡通信設備接收注冊請求并建立連接[17]。建立連接后，采集設備先不發送列車運行狀態消息（包括列車運行數據與故障數據），待網絡通信設備向其進行詢問，采集設備接收詢問消息后進行響應，開始上報列車運行過程中的所有狀態信息，網絡通信設備連續發送4 次詢問消息沒有得到響應，網絡通信設備自動中斷網絡連接，自動屏蔽采集設備已經發送的重新連接消息，網絡通信設備接收到采集設備發送的列車運行狀態消息后，向其發送接收確認消息，回復確認并發送握手信號，采集設備回復握手信號。

然后，網絡通信設備每隔2 min 向采集設備發送握手信號，采集設備接收握手信號并回復報文信息，如果網絡通信設備連續發送3 次無響應，則網絡通信設備認為網絡中斷，斷開與采集設備的連接，等待采集設備再次發送連接和注冊請求，在等待請求的過程中，網絡通信設備可采用TCP/IP 網絡原則判斷當前列車的運行狀態，并將當前軌道電路頻率解調的結果傳送到列車控制中心進行處理。在文件基礎上，作質量分析。對單個設備生成質量評價指標、趨勢曲線，該指標是設備維護的參考依據。

最后，在采集設備和網絡通信設備通信中斷期間，采集設備保存通信中斷期間的故障數據并記錄通信中斷持續的時間，在通信重新恢復后，由網絡通信設備向采集設備發送通信中斷故障信息詢問報文，采集設備接收報文信息后，將保存的故障數據、中斷持續時間以及通信恢復的狀態信息全部發送給網絡通信設備，由網絡通信設備一并上傳到列車總控制中心，列車總控制中心分析并處理故障數據和列車運行信息。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的行車控制類中心設備接入下的鐵路信號集中監測系統的有效性，將傳統監測系統與該文監測系統進行實驗對比，實驗結果表明，RBC、TSRS、DMS、機車信號、CTC/TDCS 等信號設備狀態信息與傳統信號監測系統所監測的信號設備狀態信息在同一時間窗內。

傳統監測系統監測過程穩定性如圖4 所示。

圖4 傳統監測系統的穩定性

該文監測系統監測過程穩定性如圖5 所示。

圖5 該文監測系統的穩定性

根據圖5 可知，該文提出的監測系統監測穩定性更好。傳統監測系統在2 min 內能夠監測8 路鐵路信號，而該文設計的監測系統在2 min 內可以同時監測12 路鐵路信號，證明該文設計的監測系統可以在較短時間內監測多路鐵路信號。這是因為該文設計的鐵路信號集中監測系統采用網絡通信設備智能化診斷故障信息，通過車載信號監測設備實時監測列車運行過程中出現的異常數據，通過接入行車控制類中心設備實現車載信號設備維護信息的集中監測，指導現場設備維護工作，其具有較好的有效性、穩定性和可靠性。

4 結束語

行車控制類中心設備接入下的鐵路信號集中監測系統接入了車載信號設備、地面信號接收設備、行車控制類中心設備等，實現了鐵路信號集中監測系統數據與網絡服務器的互聯互通，對列車運行過程中產生的各種狀態信息能夠及時處理和響應，通過匯集車載信號設備和地面信號設備，實現了鐵路列車運行數據和運行狀態的集中控制，具有很好的實際應用效果。