一種新型的鐵路智能信號控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李紹斌+李文濤

摘 要： 傳統(tǒng)的鐵路信號系統(tǒng)中的信號點燈控制系統(tǒng)采用集中控制的方法，由于沒有使用微處理器，不便于實現(xiàn)故障的自診斷等有用的技術(shù)。因此提出一種新穎的方案，將LED信號燈進行網(wǎng)絡(luò)化控制，每個LED信號燈集成一套具有雙網(wǎng)熱備通信功能的嵌入式微處理器系統(tǒng)。這套LED系統(tǒng)由安裝于室內(nèi)的智能信號機控制器集中控制，智能信號機控制器接收來自微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的信息，執(zhí)行點燈命令，反饋燈絲繼電器信息。該方案可提高鐵路信號系統(tǒng)的智能化程度，使信號的電纜使用量大幅度下降，系統(tǒng)可維護性和可擴容性顯著提高。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)控制； LED； 信號控制； 鐵路信號系統(tǒng)

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0156?04

Design and implementation of a novel intelligent signal control system for railway

LI Shaobin1， LI Wentao2

（1. College of Electronic Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China；

2. Electric Service Department， China Railway Corporation， Beijing 100844， China）

Abstract： The traditional railway signal system is not able to realize the self?diagnosis due to the centralized control of all the signal lights and a lack of microprocessor. A novel signal control scheme is proposed in this paper， in which the LED signal lights are controlled by network， and an embedded microprocessor system with the dual?network hot backup function is integrated into every LED signal light. The LED system is controlled by intelligent controller equipped indoor. When the intelligent controller receives a command from the computer interlocking system， it will conduct the light?on instruction and feedback the information of filament relay. This design scheme can improve the intelligent level of the railway signal system， decrease the usage of cable， and enhance the maintainability and scalability.

Keywords： network control； LED； signal control； railway signal system

0 引 言

在傳統(tǒng)的鐵路信號系統(tǒng)中，信號開啟與關(guān)閉采用集中控制的方法，即每個信號燈分為供電和可控制兩個部分，供電為現(xiàn)場供電，而信號的控制信號，則是通過線纜都需引入控制室集中控制[1]。無論是早期的6502繼電聯(lián)鎖，還是最新的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)，信號機控制系統(tǒng)普遍采用繼電電路的硬開關(guān)，實現(xiàn)信號的開啟和關(guān)閉。在這種架構(gòu)下，每個信號機控制單元都采用專門的電纜和室內(nèi)相連，通過室內(nèi)電路繼電器的組合來控制信號燈開啟和關(guān)閉。這種傳統(tǒng)的信號燈控制方式，每個燈位的控制信號都需引入控制室，雖便于管理，這樣會導(dǎo)致信號系統(tǒng)電纜部分投入和施工量較大，并且維護成本和強度較大；同時，由于已布好的線纜不便于調(diào)整，使得系統(tǒng)的擴容和改造很不方便[2?3]。

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，鐵路信號正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的方向發(fā)展；針對這種發(fā)展方向[4]，本文提出并實現(xiàn)了一種新穎的基于網(wǎng)絡(luò)信號的控制方案，即采用網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)來控制信號機的開啟和關(guān)閉。這樣可大大提高鐵路信號系統(tǒng)的智能化程度；同時，控制信號承載在英特網(wǎng)協(xié)議中傳輸，減少信號的電纜使用量，大大提高系統(tǒng)可維護性和結(jié)構(gòu)靈活性，而且非常有利于今后系統(tǒng)擴容和設(shè)備升級。本方案通過對現(xiàn)場信號設(shè)備的智能化和模塊化設(shè)計，使信號設(shè)備在現(xiàn)場構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)并將控制信號承載在英特網(wǎng)協(xié)議之上，所有信號設(shè)備的控制由網(wǎng)絡(luò)完成。這種信號機的智能化設(shè)計方法，可以做到站場內(nèi)的全部信號機的控制信號，通過以太網(wǎng)接入到控制室，在控制室內(nèi)，通過用通信電纜與室內(nèi)的信號設(shè)備連接，實現(xiàn)控制，同時控制信號燈LED顯示方式，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)整體方案

信號機中燈位的控制采用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，并具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，其中信號機功能及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中上半部分為室外設(shè)備，包括信號機和雙網(wǎng)熱備通信電纜，使用以太網(wǎng)連接，這也是現(xiàn)代信號控制發(fā)展的方向[5]。對于通信電纜長度超過4 km的站場，還包括雙網(wǎng)通信智能中繼控制器。每架信號機中的各個信號燈都是一個獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，都有獨立的網(wǎng)絡(luò)地址，地址可由位于燈后殼的DIP開關(guān)或是燒入軟件時實現(xiàn)設(shè)置。接入網(wǎng)絡(luò)的每個燈位，都可以通過網(wǎng)絡(luò)匯報自己的健康度和系統(tǒng)自檢結(jié)果，以供控制機完成健康度匯總分析，同時控制機通過網(wǎng)絡(luò)控制完成全系統(tǒng)的故障自診斷與故障定位，這樣可進一步提高系統(tǒng)的可靠性；對于出現(xiàn)健康隱患的信號燈，站場維護部門可根據(jù)控制室的匯總報表定期對設(shè)備進行硬件維護和更換。

如圖1所示，每架信號機中的幾個燈位都采用雙電源熱備供電。圖中下半部分為室內(nèi)設(shè)備及其連接關(guān)系，室內(nèi)設(shè)備安裝于一個標(biāo)準(zhǔn)機柜中，機柜中的設(shè)備包括二乘二取二機柜一個或多個（根據(jù)站場大小而定），監(jiān)控工控機2臺，其中有1臺為冷備機，用于主機故障時候使用。

圖1所示信號機中的每一個燈位都由一個信號智能控制單元和一個LED發(fā)光盤組成。如果信號機的架數(shù)較多時，可以根據(jù)區(qū)域分布將相近的信號機組成一個局部網(wǎng)絡(luò)，即一個組，形成子網(wǎng)，然后通過子網(wǎng)向上層網(wǎng)絡(luò)匯聚數(shù)據(jù)。對于同一個組中的所有信號機由智能中繼控制器管理；智能中繼控制器通過接收上級智能橋接控制器的指令來控制本組中信號設(shè)備的工作，并實現(xiàn)信號匯總和傳輸；指令由通信數(shù)據(jù)包傳輸，每個數(shù)據(jù)包包含尋址的設(shè)備地址和控制信息。

智能橋接控制器是智能信號控制系統(tǒng)的核心，各組的智能中繼控制器通過第二級網(wǎng)絡(luò)與智能橋接控制器連接。它可將計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中輸出的點燈信號控制信號進行邏輯分析，轉(zhuǎn)換為智能控制網(wǎng)絡(luò)的控制信息，實現(xiàn)對智能中繼控制器的管理，最終實現(xiàn)對現(xiàn)場所有信號機的控制。智能橋接控制器通過網(wǎng)絡(luò)采集所有信號機的工作狀態(tài)，傳輸?shù)叫盘枡C系統(tǒng)故障定位及分析單元，用戶可以通過終端查詢不同故障級別的信號機的分布及健康度。同時，系統(tǒng)也可以自動報警，以提示健康度超限的信號機進行維護，同時將報警信息傳輸?shù)杰囌局蛋嗍?。信號機的控制信號來自聯(lián)鎖系統(tǒng)，智能橋接器可實現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)出的信號繼電器邏輯進行分析轉(zhuǎn)換，通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)傳輸。

本設(shè)計在提高鐵路信號系統(tǒng)的智能化程度的同時，使信號的電纜使用量大幅度下降，系統(tǒng)可維護性和可擴容性顯著提高。同時，為提高可靠性，本方案中，加入了“信號燈健康度”統(tǒng)計量，“信號燈健康度”主要針對LED信號燈，即LED信號燈中可正常工作的LED發(fā)光管數(shù)目占發(fā)光管總數(shù)的百分比。為了獲得信號燈健康度數(shù)據(jù)，集成在信號燈中的微處理器需要準(zhǔn)確識別LED發(fā)光管中短路（擊穿）和開路（燒斷）2種故障，并進行統(tǒng)計，給維護部門提供更換依據(jù)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 二乘二取二系統(tǒng)主備系統(tǒng)

二乘二取二系統(tǒng)是本設(shè)計的功能核心。二乘二取二系統(tǒng)接收微機聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)來的點燈邏輯，傳送到兩系熱備的控制機，控制機主機解析點燈邏輯，翻譯成網(wǎng)絡(luò)命令發(fā)送給現(xiàn)場的信號燈位，信號燈位反饋回網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和健康度；同時控制機分析燈絲繼電器邏輯，然后通過二乘二取二系統(tǒng)反饋給微機聯(lián)鎖系統(tǒng)。整套系統(tǒng)替換現(xiàn)有的信號機及點燈邏輯電路后，不改變微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的任何操作，所以微機聯(lián)鎖系統(tǒng)感知不到新系統(tǒng)的啟用。按照網(wǎng)絡(luò)理論可表達為“智能信號機系統(tǒng)對微機聯(lián)鎖系統(tǒng)是透明的”。為了不影響微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的驅(qū)動與采集，系統(tǒng)與微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的信號傳遞采用了全物理隔離，即信號繼電器的磁隔離，進一步提高系統(tǒng)安全性能。

在本設(shè)計中，二乘二取二系統(tǒng)通過控制機實現(xiàn)，主要包含以下4部分：

（1） 信號輔助繼電器邏輯處理單元：智能信號控制系統(tǒng)的核心，它可將計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中輸出的點燈信號進行邏輯分析，轉(zhuǎn)換為智能控制網(wǎng)絡(luò)的控制信息，最終實現(xiàn)對現(xiàn)場所有信號機的集中控制；

（2） 智能橋接控制單元：通過網(wǎng)絡(luò)采集所有信號機的工作狀態(tài)和健康度信息，并實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的管理和維護，包括燈位的入網(wǎng)、退網(wǎng)、脫機、故障及監(jiān)控AB雙網(wǎng)的智能切換。

（3） 信號機系統(tǒng)故障定位及分析單元：通過智能橋接控制單元接收網(wǎng)絡(luò)上信號燈的健康度信息、故障自診斷信息、網(wǎng)絡(luò)注冊節(jié)點信息，AB網(wǎng)在各個節(jié)點的故障情況，將上述情況進行匯總分析，給出綜合報警信息，通過郵件報表方式傳送給維護部門。

（4） 人機接口單元：包括強制倒機切換按鈕和監(jiān)控機系統(tǒng)。強制切換按鈕完成二乘二取二的主備系統(tǒng)的硬切換，主要用于出現(xiàn)緊急事故時或網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為保證行車安全，而進行的硬切換。

2.2 信息的采集和驅(qū)動

在設(shè)計中，本智能控制系統(tǒng)通過對信號繼電器接點的采集，將采集信息輸入智能控制機，通過控制機的邏輯分析判斷，輸出控制命令，從而完成對信號機的開放。信息采集具有以下幾個特點：

（1） 為減少對原系統(tǒng)的干擾，采用和原聯(lián)鎖系統(tǒng)的無縫連接，所有采集的接點全部為信號繼電器的空結(jié)點。

（2） 為保證信息采集的可靠，對采集每個信號繼電器的接點均采用其上下都采集，這樣可防止由于繼電器接粘連而可能出現(xiàn)的信號升級顯示，降低了信號虛假信號的誤判率，提高了系統(tǒng)安全性。

在設(shè)計中，由于實際上已經(jīng)取消了繼電點燈電路，原燈絲繼電器實際也已經(jīng)不復(fù)存在，但由于微機聯(lián)鎖系統(tǒng)仍然在采集燈絲繼電器的信息，為減少改動微機聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件帶來的麻煩，設(shè)計中仍保留了“燈絲繼電器”，并通過智能控制機輸出驅(qū)動信號使其按照原邏輯吸起。燈絲繼電器信號驅(qū)動電路如圖2所示。

在驅(qū)動電路設(shè)計時，需要考慮向前向后兼容性，因此，驅(qū)動電路具備以下幾個特點：

（1） 繼電器沒有使用動態(tài)繼電器，而是采用普通繼電器，考慮到雙機切換時，為保持繼電器不至于落下，選擇了具有緩放功能的繼電器。

（2） 由于沒有采用動態(tài)繼電器，為保證驅(qū)動的安全和可靠，對所驅(qū)動的燈絲繼電器采取了回采的辦法，出現(xiàn)驅(qū)動和采集不一致時，立即使該繼電器落下，保證故障安全，提高了系統(tǒng)可靠性。

（3） 對于一些老車站的信號燈設(shè)備，本系統(tǒng)可以較好的實現(xiàn)向下兼容。

圖2 燈絲繼電器信號驅(qū)動方法

2.3 LED信號發(fā)光盤

傳統(tǒng)的色燈信號燈采用白熾燈作為光源，由光源、集光器、反射鏡、色鏡及用于形成光分布的透鏡組成。由于白熾燈的光輻射幾乎占據(jù)整個空間，因此需要用反射器將其他方向上的光收集起來投向要求的區(qū)域。傳統(tǒng)的色燈信號燈的缺點是壽命短，僅1 000～3 000 h；耗電量大，通常要用25 W；光亮效果差，形成可靠光源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焦距調(diào)整麻煩；主燈絲斷絲不能報到具體燈位，不便維護的缺點尤為明顯[6?7]。

本設(shè)計采用LED光源，具有普通LED信號機的所有優(yōu)點，如節(jié)能、長壽命等，并特有LED發(fā)光管短路、斷路的自診斷功能和保護功能，并由此可以計算“信號燈健康度”。每個燈位的健康度信息可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂茩C。此外，信號燈系統(tǒng)具有系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)故障自診斷和故障定位功能，故障信息可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂茩C，包括信號的開啟關(guān)閉狀態(tài)、工作電流狀態(tài)、溫度狀態(tài)、濕度狀態(tài)等。本設(shè)計中的LED發(fā)光盤為帶有智能控制芯片的LED發(fā)光盤，每個發(fā)光盤有地址撥碼開關(guān)，相對應(yīng)于每個信號機燈位，具有固定的地址碼，為防止更換發(fā)光盤時地址碼撥錯，在地址碼上方具有易于識別的液晶顯示對應(yīng)的數(shù)字。同時，LED能夠具有短路斷路報警功能，其LED發(fā)光管選用了高亮度低功耗的發(fā)光管。本設(shè)計所選的LED燈源外殼為金屬外殼，強度高，散熱好。對應(yīng)的2個接線插座分別是電源插座和雙網(wǎng)通信插座，LED發(fā)光盤和線纜的連接采用航空插頭，方便維護更換。圖3為LED信號燈機構(gòu)的設(shè)計及LED信號燈的機殼機電路系統(tǒng)。

圖3 LED信號燈機構(gòu)的設(shè)計及LED信號燈的機殼機電路系統(tǒng)

對于LED燈控制方面，控制系統(tǒng)可對微機聯(lián)鎖系統(tǒng)送來的點燈邏輯信號進行合法性檢查，如有非法碼則導(dǎo)向安全顯示?？稍\斷信號繼電器的上中下觸點同時粘連的故障和懸空故障，并自動導(dǎo)向安全。該系統(tǒng)的控制機采用雙網(wǎng)控制，無擾切換，可實現(xiàn)故障自診斷，具有歷史紀(jì)錄查詢和回放的功能。

2.4 電源模塊設(shè)計

LED發(fā)光盤的點燈電源為高可靠的開關(guān)電源，考慮到現(xiàn)場電源可能出現(xiàn)波動，采用了寬幅和抗浪涌的工作的電源，在輸入交流電為85～265 V時，均能保證可靠工作。為進一步保證系統(tǒng)可靠，該開關(guān)電源設(shè)計為雙套熱備，任何一個的故障，無論開路、短路，均不影響發(fā)光盤的點亮。開關(guān)電源的接線采用冷壓接頭連接。

2.5 微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口

本設(shè)計在完成系統(tǒng)安裝后，在控制室首先關(guān)聯(lián)的設(shè)備是微機聯(lián)鎖系統(tǒng)，為使智能信號機系統(tǒng)不影響微機聯(lián)鎖系統(tǒng)，信號機系統(tǒng)對點燈邏輯信號的采集和燈絲繼電器信號的驅(qū)動都采用繼電器在中間隔離[8]。為不影響微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性，智能信號機系統(tǒng)只采集微機聯(lián)鎖信號繼電器的空端子，這樣可以保證通過繼電器隔離的方法傳遞信號。采集和驅(qū)動隔離方式如圖4所示。

圖4 采集和驅(qū)動隔離方式原理框圖

圖4中虛線為隔離線，可以看出微機聯(lián)鎖與智能信號機系統(tǒng)之間沒有導(dǎo)線的連接，實現(xiàn)了物理隔離。上下接點同時采集可以判斷，中接點和上下接點同時粘連的情況，但對于中接點和上下接點單獨粘連的情況則無法判斷。對于驅(qū)動的燈絲繼電器的各種接點粘連則全部能夠判斷。為了防止智能信號機驅(qū)動燈絲繼電器信號時對微機聯(lián)鎖造成影響，使微機聯(lián)鎖系統(tǒng)只采集燈絲繼電器的空端子，這樣保證了智能信號機系統(tǒng)和微機聯(lián)鎖系統(tǒng)沒有導(dǎo)線的直接電氣連接，如圖5所示。

圖5 智能信號機系統(tǒng)和微機聯(lián)鎖系統(tǒng)隔離原理圖

3 系統(tǒng)自身安全性分析

智能信號機系統(tǒng)本身的安全性保障采取多個安全措施，保證了系統(tǒng)自身的安全性[9?10]：

（1） 控制機采用故障安全的動態(tài)電路采集微機聯(lián)鎖送來的信號；

（2） 控制機采用三取二邏輯進行點燈邏輯的計算；

（3） 控制機采用硬件防死機技術(shù)，保證系統(tǒng)不停機；

（4） 系統(tǒng)采取雙網(wǎng)熱備通信，保證通信安全可靠；

（5） 信號燈控制板也采用了硬件防死機技術(shù)，保證系統(tǒng)受到干擾后不停機；

（6） 大量采用了軟件和糾錯校正冗余技術(shù)，保證系統(tǒng)的容錯性能。

4 結(jié) 語

本文提出一種新穎的方案，將LED信號燈進行網(wǎng)絡(luò)化控制，每個LED信號燈集成一套具有雙網(wǎng)熱備通信功能的嵌入式微處理器系統(tǒng)，由安裝于機械室內(nèi)的智能信號機控制器集中控制，智能信號機控制器接收來自微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的信息，執(zhí)行點燈命令，反饋燈絲繼電器信息。本設(shè)計可提高鐵路信號系統(tǒng)的智能化程度，使傳輸信號的電纜使用量大幅度下降，系統(tǒng)可維護性和可擴容性顯著提高。

參考文獻

[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] 袁成華.鐵路信號設(shè)備故障分析與處理[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3] 田紅旗，張云麗，雷定猷.鐵路通信與信號[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2013.

[4] 劉大為，郭進，王小敏，等.中國鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2014（5）：904?912.

[5] 劉貞.鐵路信號系統(tǒng)中以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2012（5）：27?30.

[6] 馮金洲.LED鐵路信號光源應(yīng)用技術(shù)研究[J].鐵道通信信號，2010，46（12）：64?66.

[7] 王翀.新型軌道交通信號點燈系統(tǒng)淺析[J].光譜實驗室，2012，29（4）：2537?2539.

[8] 袁季修.電流互感器和電壓互感器[M].北京：中國電力出版社，2011.

[9] 黃荒蘭.鐵路信號點燈電路在極限環(huán)境溫度下狀態(tài)分析[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2008（5）：49?52.

[10] 酈萌，吳芳美.鐵路信號可靠性安全性理論及證實[M].北京：中國鐵道出版社，2008.