鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉賀軍 胡亞峰

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟高速增長和城鎮(zhèn)化進程加快，交通擁堵已成為制約發(fā)展的瓶頸之一。軌道交通具有大運量、安全、綠色等優(yōu)勢，可為我國交通狀況改善提供根本保障。近年來，高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)在我國發(fā)展迅猛，取得了驕人業(yè)績。作為行車安全的關(guān)鍵保障系統(tǒng)，鐵路信號系統(tǒng)在技術(shù)和設(shè)備上也不斷推陳出新，進入了快速發(fā)展的新時代。各類信號設(shè)備高效可靠運行是影響軌道交通運營安全、效率和旅客滿意度的關(guān)鍵因素。為此，鐵路管理部門需全面實時地掌握各信號設(shè)備的運行狀態(tài)，迅速深入分析，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。這要求有一套完備的監(jiān)測和分析系統(tǒng)，作為鐵路管理部門的支撐，以實現(xiàn)信號設(shè)備管理和維護從傳統(tǒng)的人工或半人工模式向智能化和信息化模式轉(zhuǎn)換。

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)（Centralized?Signaling?Monitoring，CSM）是保證行車安全、加強信號設(shè)備結(jié)合部管理、監(jiān)測信號設(shè)備狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)信號設(shè)備隱患、分析信號設(shè)備故障原因、輔助故障處理、指導現(xiàn)場維修、反映設(shè)備運用質(zhì)量、提高電務部門維護水平和維護效率的重要行車設(shè)備[1]。該系統(tǒng)融合先進的傳感技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和軟件工程技術(shù)，實時、準確、可靠地檢測并記錄信號設(shè)備及其結(jié)合部的運行狀態(tài)和運用質(zhì)量，為電務部門掌握設(shè)備運用狀況和故障分析提供科學依據(jù)，是面向用戶的開放性和模塊化設(shè)計的系統(tǒng)。本系統(tǒng)已成功應用于國內(nèi)各普速線、快速線和城市軌道交通線路，累計開通車站超過5?000個，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

本文結(jié)合北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司（簡稱通號院）在該領(lǐng)域的研究成果，回顧了信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展歷史，分析了現(xiàn)階段應用狀況，討論了若干發(fā)展方向。需要指出的是，本文的研究背景為國有鐵路信號系統(tǒng)，但相關(guān)研究成果對城市軌道交通信號系統(tǒng)同樣具有借鑒意義。

2 發(fā)展回顧

我國對鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的研究已有20多年的歷史。早在20世紀80年代，部分鐵路局已開始研發(fā)信號微機監(jiān)測系統(tǒng)。截至1996年，研制單位已達20多家，全路200多個車站裝備了該類系統(tǒng)。受當時技術(shù)條件的限制，該階段的微機監(jiān)測系統(tǒng)制式不一，標準各異，精度不高，可靠性差，很少集中聯(lián)網(wǎng)，運用狀況不理想。這類系統(tǒng)可算作信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的雛形階段。

1997年，為規(guī)范信號微機監(jiān)測系統(tǒng)的上道管理，鐵道部組織相關(guān)專家進行了大規(guī)模的調(diào)研，并在此基礎(chǔ)上組建了由各研制單位組成的聯(lián)合攻關(guān)組。經(jīng)過近六個月的努力，第一代TJWX-97型信號微機監(jiān)測系統(tǒng)問世，并在五大干線推廣實施，為監(jiān)督信號設(shè)備運用狀態(tài)及鐵路運輸安全做出了貢獻。該階段的特點是高起點、高標準和高要求，是信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的第一階段。

隨著第一代信號微機監(jiān)測設(shè)備的成功應用，鐵路部門對其重要性有了新的認識。鐵道部在2000年初將信號微機監(jiān)測系統(tǒng)稱為電務系統(tǒng)的“黑匣子”，列為鐵路運輸安全的首要措施，按行車安全設(shè)備對待。但第一代系統(tǒng)在現(xiàn)場應用中由各研制單位進行了不同程度的完善，造成了制式不一、無法聯(lián)網(wǎng)的局面 ；“4.29”、“7.9”、“10.29”系列事故也要求新一代微機監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確判斷違章操作帶來的事故隱患。為使微機監(jiān)測系統(tǒng)真正成為運輸安全設(shè)備，鐵道部于2000年匯集各單位意見，發(fā)布了新的微機監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件[2]。同年，鐵道部召集各研制單位的技術(shù)專家，進行了第二次聯(lián)合攻關(guān)，開發(fā)了新型的TJWX-2000型信號微機監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以新的技術(shù)條件為依據(jù)，采用統(tǒng)一的標準和制式，具備全路聯(lián)網(wǎng)功能，能夠準確判斷設(shè)備故障和違章操作帶來的事故隱患，實現(xiàn)防患于未然。該階段是信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的第二階段。

隨著TJWX-2000型產(chǎn)品的普遍應用，用戶對微機監(jiān)測系統(tǒng)的要求和期望也日益增高。鐵路信號的新技術(shù)和新設(shè)備不斷上道運用，且電務段生產(chǎn)力布局的調(diào)整也加大了電務部門安全管理的難度。這迫切需要提高信號微機監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)水平，充分發(fā)揮其在保證行車安全、加強信號設(shè)備結(jié)合部管理、監(jiān)測信號設(shè)備運用狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)信號設(shè)備隱患、分析故障和指導現(xiàn)場維修方面的作用。2006年，鐵道部組織各鐵路局和研制單位，編制了新的信號微機監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件[3]。各研制單位以此技術(shù)條件為依據(jù)，對原系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)作了較大改進，增加和完善了監(jiān)測內(nèi)容，不斷提高測試精度和穩(wěn)定性，相繼推出了TJWX-2006型信號微機監(jiān)測系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已在各高速鐵路和主要干線廣泛應用，提高了電務部門維護水平和維護效率，壓縮了電務故障延時，充分發(fā)揮了保障運輸安全和提高運輸效率的作用。該階段是信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的第三階段。

隨著我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)和投入運營，鐵路安全生產(chǎn)面臨的問題日益突出，與鐵路安全相關(guān)的信號設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)也備受關(guān)注。鐵路電務部門迫切需要一個集設(shè)備監(jiān)控、診斷維護、生產(chǎn)管理等功能于一體的綜合化和智能化平臺，來提高維護能力和決策能力。2010年，鐵道部組織各鐵路局和研制單位，對原技術(shù)條件進行修訂，制定了新的技術(shù)條件[4]。該技術(shù)條件將信號集中監(jiān)測系統(tǒng)作為原信號微機監(jiān)測系統(tǒng)的升級版，定位為信號設(shè)備的綜合監(jiān)測平臺；在堅持原有體系結(jié)構(gòu)下，明確了電務段子系統(tǒng)的中心地位，增設(shè)了WEB、時鐘、網(wǎng)管和防病毒等服務器，對關(guān)鍵設(shè)備要求實現(xiàn)雙機熱備和負載均衡功能；強化了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，明確了預警分析和故障診斷內(nèi)容；增加了對高速鐵路特有信號設(shè)備的監(jiān)測。當前，各研制單位正以新的技術(shù)標準為依據(jù)，對原系統(tǒng)進行改造和升級。各鐵路局也已全面展開新技術(shù)條件下既有監(jiān)測系統(tǒng)的升級和新建線路的實施工作。當前是信號集中監(jiān)測系統(tǒng)向綜合化和智能化發(fā)展的關(guān)鍵階段，可歸為系統(tǒng)的第四階段。

3 現(xiàn)階段應用分析

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)由鐵道部電務監(jiān)測子系統(tǒng)、鐵路局電務監(jiān)測子系統(tǒng)、電務段監(jiān)測子系統(tǒng)、車站監(jiān)測網(wǎng)和廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車站監(jiān)測網(wǎng)是系統(tǒng)的基本單元，負責數(shù)據(jù)的采集、分類和分析處理，實現(xiàn)信號設(shè)備的實時監(jiān)測與故障診斷。它包括站機、采集設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。

電務段監(jiān)測子系統(tǒng)是系統(tǒng)的中樞，管理全段內(nèi)所有車站節(jié)點，接收和存儲站機數(shù)據(jù)，發(fā)送有關(guān)指令對站機進行操作，根據(jù)監(jiān)測終端要求進行數(shù)據(jù)分發(fā)和WEB服務。它配置數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、通信前置機、接口服務器、WEB服務器、維護終端和監(jiān)測終端等設(shè)備。

鐵路局電務監(jiān)測子系統(tǒng)是全局信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控中心，管理局內(nèi)所有的電務段及車站節(jié)點，負責與所轄電務段及鐵道部建立通信連接和數(shù)據(jù)交換。它配置應用服務器、監(jiān)測終端和維護工作站。

鐵道部電務監(jiān)測子系統(tǒng)是全路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控中心，管理全路的聯(lián)網(wǎng)車站，負責與各鐵路局建立通信連接和數(shù)據(jù)交換。它配置通信管理機和鐵道部監(jiān)測終端。

廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由車站與電務段間的基層網(wǎng)及電務段與鐵路局、鐵道部的上層網(wǎng)組成。基層網(wǎng)采用環(huán)形組網(wǎng)方式，每5～12個車站形成一個環(huán)路，并以不低于2?M通道抽頭方式與電務段星型連接。上層網(wǎng)采用不低于2?M通道星型連接的組網(wǎng)方式。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間采用TCP/IP協(xié)議和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進行通信。

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象可分為模擬量、開關(guān)量和帶自診斷功能的信號設(shè)備3類，如表1所示。系統(tǒng)實時采集信號設(shè)備的電氣特性、設(shè)備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)和故障告警等信息，并以報表、曲線等形式提供人機交互界面，具有信息展示、歷史回放、統(tǒng)計分析、預警報警和輔助故障處理等功能。系統(tǒng)采集第一手的信號設(shè)備運用信息，同時對各信號子系統(tǒng)的維護單元進行資源整合，為電務維護人員提供統(tǒng)一的集中監(jiān)測和故障分析平臺。

該系統(tǒng)應用以來，科學指導了故障處理和現(xiàn)場維修，為事故分析和定責提供了科學依據(jù)，極大降低了電務部門的勞動強度，提高了電務維護水平和生產(chǎn)效率，保障了行車安全，已成為鐵路信號系統(tǒng)的標準裝備。

水利部、財政部2012年5月啟動了《全國中小河流治理重點縣綜合整治試點規(guī)劃》編制工作，在全國范圍內(nèi)選擇一批中小河流治理重點縣開展綜合整治和水系連通試點項目區(qū)。本文是在分析縣鄉(xiāng)河道面臨主要問題的基礎(chǔ)上，提出在治理規(guī)劃設(shè)計中的基本思路以及需要注意的幾個要點，以期為工程技術(shù)和管理人員在相關(guān)規(guī)劃設(shè)計中提供借鑒和參考。

表1 信號集中監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測對象

隨著軌道交通安全要求的不斷提高，信號集中監(jiān)測系統(tǒng)也面臨諸多發(fā)展瓶頸，可分為如下3個方面。

首先，系統(tǒng)的智能分析與故障診斷水平較低。當前系統(tǒng)基本還停留在采集數(shù)據(jù)的展示層面，設(shè)備的維修和維護信息主要依靠人工調(diào)閱和判斷，無法通過系統(tǒng)自動判別設(shè)備隱患和精確定位故障。盡管各研制單位已開始研究該類課題，并取得了一些成果，但離可靠實用的應用目標尚有較大差距。如何將系統(tǒng)采集的信息進行科學的歸納和分析，給電務維護人員提供及時的診斷信息和高效的解決方案，是迫切需要解決的問題。

其次，系統(tǒng)的監(jiān)測范圍有待拓展。對于RBC、TSRS和有源應答器等設(shè)備，盡管當前系統(tǒng)已預留接口，但未實現(xiàn)監(jiān)測；車載ATP子系統(tǒng)的信息尚未納入；與信號系統(tǒng)相關(guān)的安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、GSM-R無線網(wǎng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)也未納入監(jiān)測范圍。對于部分已納入監(jiān)測范圍的信號設(shè)備，系統(tǒng)采集的設(shè)備狀態(tài)信息和業(yè)務信息也需進一步精細和拓廣。

最后，系統(tǒng)的功能有待延伸。當前系統(tǒng)主要集中于信號設(shè)備的監(jiān)控，對于電務部門的生產(chǎn)調(diào)度、施工管理和應急指揮涉及很少。同時，信號設(shè)備履歷管理系統(tǒng)、電務故障管理系統(tǒng)、機車信號故障管理系統(tǒng)和檢修基地管理系統(tǒng)等信息系統(tǒng)也在先后電務部門應用。由于網(wǎng)絡(luò)、標準以及信息平臺等因素的限制，這些系統(tǒng)大多限于局部應用，整體性不強，無法實現(xiàn)信息交互和協(xié)同應用。以信號集中監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建統(tǒng)一的信息平臺，實現(xiàn)電務生產(chǎn)和管理信息的資源整合和優(yōu)化，是電務信息化建設(shè)的迫切需求和必然趨勢。

4 研究展望

信號集中監(jiān)測技術(shù)近年來已獲得廣泛關(guān)注，業(yè)界也提出了大量理論和方法。本文結(jié)合通號院的研究進展，介紹若干值得深入研究的方向。

4.1 基于機器學習的設(shè)備級故障診斷

轉(zhuǎn)轍機是故障類型較復雜的信號設(shè)備之一，其相關(guān)的監(jiān)測量包括動作電流、動作功率、轉(zhuǎn)換方向及表示電路電壓。通號院基于這些觀測數(shù)據(jù)，應用機器學習技術(shù)，對轉(zhuǎn)轍機故障診斷進行了研究，取得了階段性成果。系統(tǒng)自適應設(shè)置閾值，對原始電流和功率曲線進行分割，使其分割為與動作次數(shù)匹配的片段；對于各片段，通過各類信號處理方法提取穩(wěn)定的統(tǒng)計特征，如電流強度、噪聲水平和噪聲分布均衡度等；基于高斯核函數(shù)估算各故障類型的先驗概率密度分布；對于待診斷數(shù)據(jù)，基于后驗概率密度分布將故障分析結(jié)果排序給出。系統(tǒng)支持對未知故障類型的自學習和既有故障類型的自適應更新，適用于交流轉(zhuǎn)轍機和直流轉(zhuǎn)轍機，并涵蓋單機單動、單機多動、雙機單動和雙機多動等應用場景。

4.2 基于仿真的系統(tǒng)級故障診斷

鐵路信號系統(tǒng)由各子系統(tǒng)和設(shè)備等基本單元構(gòu)成，各單元間主要靠業(yè)務信息發(fā)生關(guān)聯(lián)，在電氣特性上并無太多相關(guān)性。分析各單元的業(yè)務功能，提取關(guān)鍵業(yè)務數(shù)據(jù)，構(gòu)建業(yè)務模型，是系統(tǒng)級故障診斷的基礎(chǔ)?；诜抡娴南到y(tǒng)級故障診斷，也即用數(shù)學模型來模擬真實的信號系統(tǒng)，再將模型狀態(tài)與信號系統(tǒng)的真實業(yè)務狀態(tài)進行比較，從而發(fā)現(xiàn)和定位系統(tǒng)的故障。用于診斷的數(shù)學模型包括各單元的業(yè)務模型及相互間的交互關(guān)系，應反映真實系統(tǒng)的主要特征。通過對信號系統(tǒng)的業(yè)務流程分析，可歸其為離散事件系統(tǒng)，即其狀態(tài)在某些離散時間點上發(fā)生變化。仿真的實現(xiàn)依靠事件驅(qū)動，這類事件包括道岔鎖閉、區(qū)段占用和進路開放等，其發(fā)生時間與真實系統(tǒng)同步。當仿真系統(tǒng)與真實系統(tǒng)的業(yè)務狀態(tài)存在差異時，依據(jù)時間次序及判別規(guī)則對故障進行識別和分析。圖3描述了基于仿真的系統(tǒng)級故障診斷流程框架。

4.3 電務綜合監(jiān)測平臺

將信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍擴展，構(gòu)建涵蓋全部信號設(shè)備和通信設(shè)備的電務綜合監(jiān)測平臺，是系統(tǒng)往廣度發(fā)展的一大方向。各信號設(shè)備及關(guān)聯(lián)的通信設(shè)備是一個緊密結(jié)合的大系統(tǒng)，分散和孤立的信息不利于系統(tǒng)級的故障診斷。同時，若單類設(shè)備配置獨立的維護單元，則維護人員需要查看各自的維護終端進行分散維護，將給管理和維護帶來極大不便。對照既有功能，該平臺需將RBC、TSRS、有源應答器和車載ATP等信號設(shè)備納入，還需將安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、GSM-R無線網(wǎng)和視頻監(jiān)控等通信設(shè)備納入。

4.4 電務綜合管理平臺

將信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的功能擴展，構(gòu)建涵蓋鐵道部、鐵路局、電務段、工區(qū)和設(shè)備供應商的電務綜合管理平臺，是系統(tǒng)往廣度發(fā)展的又一方向。通過該平臺對電務部門既有各信息系統(tǒng)進行整合，可徹底消除信息孤島現(xiàn)象。平臺以電務段為中心，在此建立數(shù)據(jù)中心，匯集電務生產(chǎn)和管理的各類信息，各應用終端可以WEB方式進行遠程訪問。如圖4所示，整個平臺的功能可分為設(shè)備管理、生產(chǎn)管理、應急指揮、經(jīng)營管理、網(wǎng)絡(luò)辦公和系統(tǒng)維護等6大部分。基于該平臺，通過對電務信息的整合和挖掘，優(yōu)化電務作業(yè)流程，改進作業(yè)方式，將極大提高電務生產(chǎn)效率，有力推動鐵路電務信息化建設(shè)。

5 結(jié)束語

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)從我國軌道交通實際出發(fā)，歷經(jīng)幾代發(fā)展，實現(xiàn)了信號設(shè)備狀態(tài)的準確采集與可靠傳輸，提高了電務維修的自動化和智能化水平，保證了行車安全和運營效率。本文回顧了該系統(tǒng)的發(fā)展歷史，分析了現(xiàn)階段應用狀況，提出了一些需深入研究的方向。信號集中監(jiān)測系統(tǒng)作為一項重要的技術(shù)裝備，必將隨著其深度和廣度的不斷拓展而得到更廣泛的應用。

[1]李萍.鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社,2012.

[2] TB/T2496-2000 信號微機監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[3]運基信號[2006]317號 信號微機監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件（暫行）[S].

[4]運基信號[2010]709號 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[5] Murphy K.P.Machine Learning：A Probabilistic Perspective[M].Cambridge,MA：MIT Press,2012.