基于光纖通信技術的鐵路車站信號系統控制方法

邢博

（中鐵二十二局集團電氣化工程有限公司，北京 102300）

鐵路車站信號系統主要實現“建立進路”和“解鎖”兩個功能。所謂進路，是列車在車站內運行時經過的路徑。建立進路就是將進路上的道岔轉換到指定位置，然后將該進路的防護信號機開放，引導列車安全經過該路徑。在列車經過后，再通過進路解鎖使其恢復至初始狀態，等待下一次建立進路的指令。由于鐵路車站每天都有大量的列車駛入、駛出，因此對信號控制系統的運行穩定性、精確性提出了嚴格要求。在這一基礎上設計一種基于光纖通信的鐵路車站信號控制系統，利用光纖在信號傳輸速度和傳輸質量方面的優勢提高了系統響應速度，保證該系統控制功能的順利實現。

1 基于光纖通信的鐵路車站信號控制系統

以往鐵路車站信號控制系統的各個設備之間，使用銅質線纜進行數據傳輸。由于數據傳輸容量小、使用成本高，逐漸替換成光纖通信。利用光纖網絡將室內控制部分與室外終端設備連接起來，在顯著提高信號傳輸速度的同時，還能降低長距離傳輸時的信號損耗。確保了控制系統發出的各項操作指令，能夠快速傳遞到終端設備，并準確無誤地執行。除此之外，終端設備的狀態信息、運行工況等，也會以數據包的形式，通過光纖反饋到控制室，從而形成完整的閉環。使用光纖連接的鐵路車站信號系統結構如圖1 所示。

圖1 基于光纖通信的鐵路車站信號系統結構圖

2 鐵路車站信號系統控制過程設計

2.1 進路控制流程

通常來說，建立進路需要4 個步驟：a.收到進路請求，并判斷此時是否屬于正常情況下接車；b.根據上一步的判斷結果，若屬于非正常情況下接車，則執行引導進路、引導總閉鎖等操作；若屬于正常情況下接車，則建立進路；c.在建立進路環節，操作人員首先利用進路始、末端的按鈕來選排進路，目的是確定進路的范圍、方向（接車方向或發車方向）和性質（列車進路或調車進路）。然后自動確定與該進路匹配的道岔，同時確認進路開通位置。將道岔轉換到指定位置后，此時進路鎖閉，信號機發出允許經過的燈光，等到列車駛入該進路。d.列車安全駛出該進路后，執行進路解鎖操作，可選擇自動解鎖或非自動解鎖模式。整個進路控制流程如圖2 所示。

圖2 進路控制過程

2.1.1 選路過程

在選路控制設計中，首先執行多個判定程序，如選路操作是否符合規范、進路是否空閑、進路處于解鎖狀態等。如果存在任意一個判斷程序的輸出結果為“否”，則系統給出提示，操作人員做進一步處理；若全部判斷程序的輸出結果均為“是”，則進入選路主程序。用征用標志R 標記軌道區段，若該軌道區段被占用，則用R1 表示；若未被占用則用R0 表示，此時允許排路。系統自動生成進路表，按照順序選定進路，若進路解鎖則進路表自動刪除。系統自動編輯道岔控制命令，并判斷道岔當前所在位置與進路要求位置是否一致，若不一致則根據控制命令將道岔轉換到指定位置。此時進路的閉鎖標志F 置位為0，選路結束，進入鎖閉進程。

2.1.2 進路鎖閉過程

進路鎖閉的作用是確保該進路在解鎖前不會被占用，從而保證列車安全駛入和駛出。進路鎖閉過程設計主要是檢查區段鎖閉標志位，設標志位為S，以S1 為區段空閑，以S0 為區段鎖閉。具體過程為：執行一個判斷程序“F 是否為0”。若判斷結果為“否”，則重置鎖閉標志；若判斷結果為“是”，則進行下一步。繼續執行新的判斷程序“進路是否空閑”，在確定進路處于空閑狀態的情況下，再判斷“道岔位置是否正確”，在確定道岔位置正確的情況下，再判斷“是否建立敵對進路”，在確定未建立敵對進路的情況下，將進路鎖閉，將S 置位為0。同時，信號控制標志P 置位，為開放信號做準備，F 設為1，解除鎖閉狀態。

2.1.3 信號控制進程

此過程由兩部分組成，即信號開放與信號關閉。其中，信號關閉需要滿足3 個條件，即信號不滿足開放條件、人工取消進路、列車駛過信號機。三個條件均滿足后即可關閉信號。信號開放進程較為復雜，主要包括以下步驟：判斷是否進入信號控制過程，即P 是否置0。判斷滿足后，依次執行“進路是否空閑”、“道岔位置是否正確”、“路徑是否鎖閉”等判斷程序。所有程序判斷結果均為“是”后，判斷信號機的狀態。信號機開放前為B0，開放后為B1。若判斷B 值為1，則允許接車；若判斷B 值為0，則檢查信號線路是否完好。若信號線路正常，則允許正線發車；若信號線路故障，則關閉信號。在系統判斷允許接車或正線發車的情況下，生成開放信號的命令。

2.2 取消進路和人工解鎖

2.2.1 接近區段的設置

進路正常鎖閉后，原則上不允許在列車尚未駛入進路前進行其他操作。但是確有其他原因（如操作失誤、系統故障等）必須解鎖進路鎖閉時，需要人工介入操作。出于安全方面的考慮，在人工解鎖前要檢查列車是否接近進路。如果列車距離該進路仍有較遠距離，則可以直接人工解鎖；相反，如果列車距離進路較近，則不允許操作人員人工解鎖。因此，根據列車行駛速度合理設置接近區段是人工解鎖和取消進路的關鍵。理論上來說，接近區段的長度（L 接）必須以下條件：

L 接≥L 確+L 制

L 確表示列車確認信號時的距離，L 制表示列車制動需要的距離，其關系如圖3 所示。

圖3 接近距離的計算示意圖

實際中，鐵路車站進站信號機接近區段長度是相關部門按照列車最高運行時速下的L 確和L 制計算得出的，通常接近區段的長度不低于30m 即可滿足要求。

2.2.2 預先閉鎖與接近閉鎖

當列車接近車站時，為保證列車安全、順利進站，需要將進路閉鎖，防止在此期間因為誤操作等原因導致控制信號變更而影響列車行駛安全。進路閉鎖控制包含預先閉鎖、接近閉鎖2 個環節。其中，在防護信號機開放、接近區段空閑時，進入預先閉鎖狀態；通過取消進路操作可以解除預先閉鎖。在防護信號機開放、接近區段有列車駛入時，進入預先閉鎖狀態；通過人工解鎖可以解除接近閉鎖。在系統實際運行中，為了能夠準確判斷是執行預先閉鎖程序還是接近閉鎖程序，會設計一個接近預告變量J。當該變量復位（即J=1）時，進路處于預先閉鎖狀態。相反，當該變量置位（即J=0）時，進路處于接近閉鎖狀態。

2.2.3 取消進路

當進路為“預先鎖閉”狀態時，車站人員需要同時按下總取消按鈕和進路始端按鈕，此時信號機會關閉。只要進路處于空閑狀態，則該進路的鎖閉狀態能夠立即解除。解除預先鎖閉狀態后，鎖閉變量S 復位（S=1）。取消進路的控制程序為：首先執行一個判斷程序“是否取消進路”，若判斷為“是”，則依次執行“信號是否關閉”、“列車是否接近”、“本段是否空閑”3 個判斷程序。如果判斷結果均為“是”，則進路參數全部復位，完成取消進路操作。整個過程如圖4 所示。

圖4 取消進路流程圖

2.2.4 人工延時解鎖

正常情況下，操作人員執行了人工解鎖操作后，信號機同步響應并關閉。但是在信號機關閉后，會延時一定時間進路才能正常解鎖。對于不同線路的列車，設置的延遲時間并不相同。其中接車進路和正線發車進路解鎖時，將延遲設置為3min，而對于側線發車進路和調車進路，將延遲設置為30s。人工延時解鎖的實現程序為：依次執行4 個判斷程序“解鎖操作是否正確”、“是否接近閉鎖”、“進路是否空閑”、“信號是否關閉”。均判斷為“是”的情況下，啟動人工延時解鎖指令，正線3min，側線30s。延遲時間結束后，即可正常完成解鎖。此時進路參數重新復位，等待新的控制命令，整個過程如圖5 所示。

圖5 人工解鎖流程圖

3 鐵路車站信號控制系統的仿真驗證

3.1 基于Petri 的模型構建

考慮到鐵路信號發生事件具有離散性特點，因此本次實驗中選擇Petri 網結構模擬仿真鐵路信號的操作與執行過程。基于Petri 網構建的鐵路車站信號控制模型，用圓形表示狀態節點，用矩形表示事件節點。事件節點與狀態節點之間采用有向弧連接，由此構成基于Petri 網的信號連鎖結構模型，該模型可用于進路選路、進路鎖閉、取消進路、人工解鎖等系統功能的仿真驗證。在仿真模型運行時，命令開始與P0。當接收到P0 指令后，開始進入選路狀態，并執行判斷程序P1。首先判斷命令操作是否合法，若判斷結果為“否”，則直接生成操作錯誤報告，結束程序；若判斷結果為“是”，則繼續執行下一步驟，轉入道岔環節P2。執行“道岔是否與進路要求路徑一致”的判斷程序，若判斷結果為“否”，則將道岔轉換到P5 位置；若判斷結果為“是”，則繼續執行下一步驟，轉入聯鎖條件檢查。判斷聯鎖條件是否成立，若不成立則直接終止進程；若成立，則鎖閉進路，開放信號。

3.2 分層模型驗證

本文設計的鐵路車站信號控制模型可支持進路選路、進路鎖閉、取消進路等一系列功能的仿真驗證。現以進路選路為例，其仿真過程如圖6 所示。合適的進路。其中，所有可供選擇的進路均存儲在記錄表中。通常系統會設置一個默認進路，當然也可以通過管理員權限自定義默認進路。在進入進路選路程序后，首先驗證默認進路是否空閑；若默認進路已經被占用，則再從進路表中尋找其他處于空閑狀態的進路。除此之外，還要判斷空閑區段是否解鎖或處于未征用狀態。以上判斷程序只要任何一個輸出結果為“否”，則自動退出本次操作，并生產錯誤報告信息。只有在全部判斷結果為“是”的情況下，才能按照程序順序依次執行，選出合適的進路。最后由T7 結束并轉出，進入到下一個流程中。

圖6 進路選路過程仿真圖

結束語

在鐵路車站電氣化、自動化裝置不斷增多的背景下，使用光纖通信能夠更好地滿足終端控制系統與前端執行設備之間的信息交互，從而提高了系統響應速度、保證了各項控制操作的精準完成。在使用光纖通信的基礎上，構建鐵路車站信號控制系統，根據預設指令自動完成進路選路、進路鎖閉、信號開放、進路解鎖、取消進路等一系列操作，一方面能夠有效避免因為人工誤操作而引發的安全隱患，另一方面也能實現智能化控制，提高整個系統的運行效率。本文設計的一種基于Petri 網的鐵路車站信號控制模型，經過仿真實驗表明了進路選路、進路鎖閉等功能均可以正常實現，為鐵路安全運行提供了保障。