安全型LED信號機關鍵技術研究

劉川河，謝博才，蔣立生，張夫松

（1.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100038；2.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；3.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；4.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

鐵路信號顯示系統負責向機車司機提供前方進路信息，對于保障行車安全、提高運輸效率具有十分重要的作用。國內鐵路信號顯示系統主要采用白熾燈作為信號機光源，白熾燈燈泡壽命約2 000 h，在環境惡劣、晝夜溫差大的地區，燈泡壽命還會相應降低。電務維護人員利用天窗點更換燈泡，維護成本高。少量應用了LED光源的信號機由于沒有實現可靠的故障檢測，存在安全隱患。為解決這些問題，本文提出一種可兼容既有信號機點燈控制電路的安全型LED信號機。

1 既有信號顯示系統存在的問題

既有鐵路信號顯示系統在應用中存在以下3方面問題。

1）白熾燈信號機燈泡燈絲壽命較短、可用性不高，維護工作量大。近3年全路發生的因信號顯示系統故障造成的影響情況如表1所示。數據表明信號顯示系統每年故障次數從300次到500次不等，每次故障影響時長在1 h左右，嚴重影響行車效率。

表1 信號顯示系統故障統計Tab.1 Signal indication system fault statistics

2）已經少量應用的基于LED 光源的信號機，僅對既有鐵路信號顯示系統中的雙燈絲白熾燈泡進行簡單替換，并且為了匹配既有鐵路信號顯示系統中燈絲繼電器的電氣參數，在LED信號燈端使用假負載以滿足燈絲繼電器的勵磁條件，存在安全隱患。

3）目前采用LED光源的信號機不能有效檢測LED短路、斷路等故障，對LED亮度差異缺少檢測，存在安全隱患。

基于上述分析，為提高鐵路信號顯示設備的安全性、可用性，減少設備維護工作量，有必要研究高安全、高可靠、低維護的鐵路信號顯示設備。

2 安全型LED信號機架構設計

既有鐵路信號顯示系統由室內電源、繼電控制電路、防雷元件、室外的點燈單元和雙燈絲白熾燈泡組成。系統結構如圖1所示。繼電控制電路包含燈絲繼電器、點燈控制繼電器，通過繼電邏輯實現不同點燈狀態的控制。

圖1 信號顯示控制系統結構Fig.1 Structure of signal indication control system

安全型LED信號機為兼容既有鐵路信號顯示系統接口，室內部分及室外部分的透鏡組及燈室采用既有的標準信號機構組件，采用LED作為光源組件，采用故障導向安全的控制系統確保設備安全性。

安全型LED信號機的光源組件由6顆大功率LED發光管組成，共有綠、黃、紅、月白、藍5種顏色的發光組。分為主副兩組光源，每組由3顆發光管組成，聚光點和白熾燈一致，故采用既有的無色透明透鏡組即可。主發光組發生故障后，切換至副發光組點亮并報警，主副發光組均采用大功率點光源式LED。經過試驗表明，該種方式的光源組件，發光強度、發光角度、照射距離等性能指標均可達到鐵標要求。

安全控制系統是安全型LED信號機的關鍵部分，由開關控制電路、故障檢測電路、邏輯控制電路組成，系統結構如圖2所示。為兼容室內既有的點燈電路，滿足室內電流監督繼電器（JZXC-H18）電流不小于80 mA才能可靠吸起的條件，添加阻性負載進行功率消耗。

圖2 安全型LED信號機系統結構Fig.2 Structure of safety LED signal system

邏輯控制電路依據點燈電壓控制開關電路實現發光組的點燈驅動，同時檢測自身狀態。故障檢測電路周期采集發光組工作電流、電壓，與LED驅動芯片正常工作電流、電壓閾值進行對比判斷，根據判斷結果控制開關電路通斷，同時檢測發光強度，判別信號燈的亮度是否滿足顯示要求。

3 LED信號機故障-安全設計

為解決既有采用LED光源信號機不能有效檢測新光源器材短路、斷路等故障的問題，對發光組及控制電路的組成部分進行多維度并行的故障檢測。當出現導向危險的故障時，邏輯控制電路均控制開關電路切斷負載，以保證回路電流小于40 mA，確保點燈回路的電流小于室內電流監督繼電器的落下電流值。

1）發光組采用恒流驅動，當LED發光管出現故障時，芯片兩端電壓會發生相應變化。當邏輯控制電路中CPU檢測到發光芯片電壓變化范圍超過閾值范圍，控制開關電路切斷負載。

2）對恒流源端的電壓進行實時采集，當恒流源端電壓變化超過閾值范圍時，控制開關電路切斷負載。

3）對阻性假負載進行電流、電壓的實時采集，當阻性負載部分的電流、電壓變化超過閾值范圍時，控制開關電路切斷負載。

4）發光組設置光強傳感器，邏輯控制電路實時采集各傳感器數值，與預設的光強參數進行對比，當光強發生較大衰減時控制開關切斷負載。由于LED工作特性，可能出現LED芯片電流、電壓均在正常范圍內，但光發射減弱的情況，此時采用光強傳感器檢測信號燈的亮度是否滿足要求。

當系統出現上述故障點后會及時切斷開關電路及阻性負載。采用安全與電路保證即使任一CPU發生無法對故障點進行判斷的情況時，也能保障通路的可靠切斷。開關電路由2個安全與門驅動電路控制的3開1閉繼電器及接點采集電路組成，該電路為安全相關模塊。

安全與門電路控制兩個互斥勵磁的繼電器，以達到對任意繼電器的狀態檢測及繼電器驅動故障的識別。正常工作時，控制其中一個繼電器吸起而另一個則斷開，同時周期性的進行切換以檢測安全繼電器能否可靠斷開。

安全與門電路拓撲如圖3所示。安全與門電路由兩級DC/DC組成，前一級DC/DC為后一級DC/DC提供控制電源。只有兩CPU分別給出動態控制信號才能使安全與門輸出，確保任一CPU故障仍能切斷輸出回路。

圖3 安全與門拓撲Fig.3 Safety and gate topology

為預防邏輯控制電路的短路故障，增設R1限流電阻，該電阻為單層繞線電阻，可以保障當邏輯控制電路部分發生短路時，輸出電流不會過大。同時后端無負載進行電流消耗，保證輸出電流低于40 mA。由于單層繞線式電阻只會發生斷路，不出現短路的器件特性，有效避免了R1電阻短路、低功耗邏輯電路沒有安全防護的現象發生。

4 安全型LED信號機其他設計

4.1 器件選型的設計

安全型LED信號機設置于軌旁，經受溫濕度、電磁騷擾等不利因素的影響，器件選型是關系設備可靠性的關鍵因素，主要從以下幾個方面開展。

1）選用耐受寬溫區的器件，器件耐受高溫不低于105℃、低溫-45℃工作環境；

2）選用成熟度高的元器件，成熟度高的元器件經過大量的使用檢驗，經過器件廠家不斷的優化，性能參數優，保證了器件的高可靠性；

3）基于降額使用的原則，選擇合適的器件參數，提高器件的使用壽命；

4）選用抗瞬態過載能力高的元器件。

4.2 發光組的兼容性設計

安全型LED信號機的發光源由6顆LED燈珠構成，其位置布局如圖4所示。6顆LED燈珠分為主副兩組，主副燈組聚光點在發光盤中心部，光通量與白熾燈相同。其聚焦原理與既有菲涅爾透鏡可兼容。同時燈盤為可拆卸式模塊化設計，當LED燈發生故障時，僅需替換發光盤即可，在提升維修效率的同時降低維修成本。

圖4 光源分布示意Fig.4 Schematic diagram of light source distribution

4.3 冷絲檢測的設計

安全型LED信號機對處于常態滅燈狀態的LED燈珠進行周期性檢測，給燈盤提供低頻小幅值電壓信號，對LED燈珠進行快速檢測，檢測時不會發送人眼能夠觀察到燈珠的閃爍或明暗變化的情況，不會對司機造成錯誤顯示及行車干擾。該方法可以保障信號顯示系統具備冷絲檢測的功能，及時發現故障。

4.4 散熱設計

在安全型LED信號機中，每個燈位的點燈控制單元電路通過熱傳導的方式散熱，充分仿真和測試了電路中發熱器件，設計了高效的散熱片進行散熱，以適應-40℃～70℃的溫度范圍。板卡散熱設計結構如圖5所示。

圖5 板卡散熱設計Fig.5 Board heat dissipation design

4.5 抗電磁干擾設計

為提高安全型LED信號機適應電氣化區段復雜的電磁環境，沿用現有點燈系統的防護結構，充分采用了隔離、接地、屏蔽等電磁干擾防護技術。

采用隔離變壓器對電路進行防護，抵御浪涌、雷電等強脈沖干擾對電路的沖擊。控制電路中也設計了防護電路，逐級削弱外部干擾。

通過輸入電壓的檢測判斷，點燈電壓滿足條件后才允許點燈，避免瞬態沖擊造成的燈位閃爍。

系統控制電路采用浮地設計，信號機機構采用接地設計，控制電路和信號機機構采取充分的絕緣措施。信號機機構也形成了屏蔽效應，有利于防護電磁干擾。

4.6 可維護性設計

安全型LED信號機設計考慮維護方便，可兼容既有燈絲報警儀，在電路關鍵節點進行檢測，發現異常自動進行報警并且能定位到具體燈位。設備采用模塊化設計結構，便于更換，易于維修。

5 結論

本文提出的安全型LED信號機采用兩組主副LED發光管作為光源，采用二取二反應式故障-安全架構，對各關鍵部位的電壓、電流以及發光強度進行檢測，當發現危險的故障時切斷負載，導向安全側。其中繞線電阻的運用、雙繼電器交替檢測電路的運用確保了“切斷”動作的安全性。該安全型LED信號機解決了白熾燈壽命短導致維護工作量大的問題，消除了普通LED信號機存在的安全隱患。