基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和光纖傳輸?shù)姆植际借F路信號控制系統(tǒng)

王貴鑫

基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和光纖傳輸?shù)姆植际借F路信號控制系統(tǒng)

王貴鑫

本文提出了一種分布式的鐵路信號控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由中央處理單元、分布在軌道一側(cè)的終端控制裝置和信號箱組成。其中終端控制裝置和中央處理器之間的通信采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和光纖局域網(wǎng)傳輸?shù)木C合方案。不僅減少了由于大量線路傳輸信息出現(xiàn)的人為錯誤，而且鑒于采用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，和目前的系統(tǒng)相比，在安裝信號設(shè)備方面能夠減少很大的工作量。分布式的終端控制裝置自帶處理器，通過安放在鐵路軌道某一側(cè)來實時控制現(xiàn)場信號箱的運行。中央處理單元是一臺集成式微機，帶有實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備功能的軟件程序。分布在中央處理單元和終端裝置之間的光纖局域網(wǎng)和多個并行通信路徑確保了信號的可靠傳遞。

鐵路信號系統(tǒng)在確保鐵路正常運營方面發(fā)揮著重要的角色。隨著鐵路承容量的不斷加大以及時刻表的不斷改變，對信號控制系統(tǒng)的可靠性要求越來越高。普通的信號系統(tǒng)主要包括帶有繼電器電路的邏輯單元，需要特定的配電線。根據(jù)線路手冊單獨設(shè)計的繼電器電路容易出現(xiàn)人為錯誤，這會導(dǎo)致鐵路運輸出現(xiàn)混亂事故。而且，基于繼電器的邏輯電路由于不具備綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，難以滿足現(xiàn)代化交通中高運轉(zhuǎn)率的要求。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，引入了智能化控制系統(tǒng)來解決這些鐵路信號問題。例如，一個電氣連鎖系統(tǒng)具備集成化電路和復(fù)合式結(jié)構(gòu)。別的信號裝置中，包括列車檢測系統(tǒng)和自動列車停止系統(tǒng)已經(jīng)采用了集成化電路智能系統(tǒng)。為了滿足系統(tǒng)的可靠性，列車?？空九_處和運行過程途中均采用了集成化電路，這些電路板被安置在一個封閉的控制柜中，從而使得鐵路控制系統(tǒng)形成了一個集中系統(tǒng)。本文在提出常規(guī)智能信號裝置存在問題的基礎(chǔ)上，引入了一種新的分布式信號系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有智能信號裝置的問題

盡管微機智能技術(shù)在鐵路信號控制中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在很多的缺陷和不足。第一，由于目前的控制邏輯電路安裝在火車站室內(nèi)，而操作部件則分布在鐵道一側(cè)，兩者之間的通信需要線路連接。當該系統(tǒng)需要大量的通信線路、控制線路以及數(shù)據(jù)傳輸線路時，大大的增加了線路建設(shè)成本。同時，鑒于大量的連接線路長期處于超負荷工作狀態(tài)，需要增加線路保護設(shè)備以及故障維護工作。在通信的調(diào)度方面，人為錯誤也會時常出現(xiàn)，容易引起交通運輸?shù)闹刃蚧靵y。第二，由于目前采用控制系統(tǒng)的傳輸路徑是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，一當發(fā)生線路短路或者斷線故障，將會造成很大的交通混亂。因此，有必要研發(fā)具有復(fù)式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。例如，互鎖裝置通過繼電器電路向線路注入電壓信號，以此來直接控制信號設(shè)備。由于一個互鎖裝置控制許多個信號設(shè)備，因此需要接入大量的線路。當鐵路的運輸容量增加或者互鎖裝置性能裂化時，為了改進和替換互鎖裝置，需要引入大量的電力線路。裝設(shè)如此多的線路不僅需要大量的人力和財力，而且容易出現(xiàn)人為的線路布線錯誤，從而造成運輸秩序混亂問題。

在系統(tǒng)更新過程中，比如增加一臺信號設(shè)備，必然引起所有的信號設(shè)備進行重新布置和組合。鑒于所有的信號設(shè)備是獨立安置的，并且具有不同的軟件系統(tǒng)以及互相獨立操作，我們不得不逐一的去操作這些設(shè)備以及避免互相之間造成不良影響。

基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式信號控制系統(tǒng)

分布式信號控制系統(tǒng)的原理分析

為了解決上述提出的問題，本文提出了一種分布式信號控制系統(tǒng)。針對控制中心處理器和現(xiàn)場設(shè)備的信號傳輸引入了光纖局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的技術(shù)。光纖局域網(wǎng)不斷的改變現(xiàn)場設(shè)備的控制方法。圖1給出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，從圖中看出，系統(tǒng)由一個中央邏輯控制單元以及許多現(xiàn)場控制的終端設(shè)備組成，通過光纖來連接中央處理器和這些終端設(shè)備。

該信號控制系統(tǒng)有兩種實現(xiàn)方法。一種是軟件方法，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)置功能來編寫中央處理單元的軟件邏輯。另一種是硬件電路法，引入了基于光纖和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的分布式信號控制系統(tǒng)。

軟件實現(xiàn)方法如圖2所示，盡管常規(guī)系統(tǒng)的各個設(shè)備相互獨立操作，有時它們之間有相似的內(nèi)在邏輯聯(lián)系。我們破壞這些設(shè)備的正常序列，根據(jù)現(xiàn)場信號的需要重新組合這些設(shè)備，從而消除了相互之間的重復(fù)操作。圖三給出了新型信號控制系統(tǒng)的各個部件的相互聯(lián)系。

另一方面硬件方法是基于使用現(xiàn)場終端設(shè)備作為分布式處理器來智能控制信號箱。終端設(shè)備將因特網(wǎng)協(xié)議命令轉(zhuǎn)換成電功率信號（加在LED兩端的直流電壓、中繼裝置等）。該硬件實現(xiàn)方法的信號傳輸示意圖中所示的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和光纖傳輸給現(xiàn)場信號裝置提供數(shù)據(jù)流。

中央處理單元向現(xiàn)場信號箱發(fā)出控制命令，同時將命令轉(zhuǎn)換成經(jīng)光纖傳輸?shù)囊蛱鼐W(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場的終端裝置接受這些因特網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成控制現(xiàn)場設(shè)備的信號?，F(xiàn)場終端裝置的安裝方式有兩種：①內(nèi)嵌在信號指示箱中；這樣的安裝方式需要更換目前現(xiàn)場的信號設(shè)備；②現(xiàn)場終端裝置獨立成柜安裝，一個裝置可以同時控制多個信號箱，因此不需要更換現(xiàn)場信號箱，只需要在改變少數(shù)接線的基礎(chǔ)上，增加一臺控制柜即可。

隨著目前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，逐漸代替了原來由線路進行的直接電傳輸，目前信號可以實現(xiàn)多路快速傳輸。在引入多路信號傳輸后，縮小了因架空線路產(chǎn)生的成本，同時，利用光纖局域網(wǎng)技術(shù)使得多路信號能夠以數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)。

第一種終端裝置安裝方式需要采用特殊的信號低壓柜，并且一次控制一臺信號箱。由于終端裝置和信號設(shè)備安裝在同一個控制中，使得兩者容易受到互相的干擾。采用第二種安裝方式后同時能控制若干個傳統(tǒng)的信號箱，鑒于不需要更換目前的信號箱，因此成本消耗低。由于信號箱和終端裝置之間采用線路連接，因此需要增加保護電路消除來自信號箱的干擾。

光纖傳輸系統(tǒng)由無源光纖網(wǎng)絡(luò)組成，由于該網(wǎng)絡(luò)的每一條支路均由無源器件構(gòu)成，不需要電源模塊因此穩(wěn)定性較好。通過增加分流裝置，一條光纖能夠被分解成30多條控制線，當系統(tǒng)采用10條光纖傳輸時，意味著同時能夠控制300個信號箱，即一個終端設(shè)備可以控制300個信號箱。為了避免電纜損壞或者故障引起的信號傳輸中斷，系統(tǒng)需要采用雙回線路傳輸方式，即一個傳輸路徑由兩條并聯(lián)光纖組成。

為了該鐵路信號控制系統(tǒng)的正常運作，還需要增加在線遠程監(jiān)控模塊。該模塊也是由包括中央處理器和終端設(shè)備等許多綜合設(shè)備組成。本文采用客戶端-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括了4種類型的計算機終端：系統(tǒng)監(jiān)測服務(wù)器、控制服務(wù)器、維修PC終端以及用于終端設(shè)備的維修設(shè)施。

圖1　鐵路信號控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　系統(tǒng)內(nèi)部各個模塊的邏輯關(guān)系

用于提高該系統(tǒng)可靠性的技術(shù)研究

由于本文是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合通信來實現(xiàn)該系統(tǒng)的正常運作的，因此如何使用通信規(guī)約來保證可靠的進行信息傳輸成為一個關(guān)鍵性的技術(shù)問題。因此提出了如下的可靠通信手段。

（1）從中央處理器到終端設(shè)備的信號線是完全重復(fù)的。由于中央處理器和終端設(shè)備是多臺復(fù)式設(shè)備，例如當中央處理器、終端裝置分別都包括A和B兩臺復(fù)式設(shè)備時，因此該系統(tǒng)有如圖5的4條傳輸路徑。每條路徑以200ms的周期同時獨立的發(fā)出和接受信號，中央處理器A和B 互相交換信息，終端設(shè)備A和B是一種熱備用系統(tǒng)。因此只要設(shè)備工作在正常狀態(tài)，這4條路徑傳輸?shù)陌l(fā)出/接受命令具有相同的內(nèi)容。由于一條路徑中傳輸?shù)男畔⒕湍軌蚩刂葡鄳?yīng)的中央處理器和終端設(shè)備，其他傳輸路徑被視為冗余信息。這樣的通信方案足以保證鐵路信號系統(tǒng)的可靠性。

（2）本文提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，該協(xié)議有以下四種技術(shù)構(gòu)成。

①所有的發(fā)出命令和相應(yīng)的反饋都有自己的序列號，中央處理器可以確認系統(tǒng)發(fā)出的命令數(shù)量正好等于反饋信號的數(shù)量，通過引入序列號，工作人員就可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中的通信錯誤。

②中央處理器和終端設(shè)備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)流的時間間隔，如果時間間隔太長，被系統(tǒng)視為發(fā)生了傳輸延遲。

③除了正常的IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）地址，所有的發(fā)出信號和接受信號都有表明它們目的地的識別標簽，為了避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤，該標簽包含4位漢明距離。每一臺信號設(shè)備設(shè)置了相應(yīng)的信號標簽，并且IP地址確定了各個終端裝置。IP地址和識別標簽幾乎沒有同時出現(xiàn)錯誤的可能性。

④循環(huán)冗余校驗法和反碼位數(shù)據(jù)被用于查找數(shù)據(jù)包中的錯誤。為了防止傳輸錯誤，中央處理器和終端裝置將相應(yīng)的設(shè)備調(diào)整到安全傳輸狀態(tài)。

結(jié)束語

本文提出了一種新的分布式鐵路信號控制系統(tǒng)，其中中央處理器和終端裝置是該系統(tǒng)的必不可少的設(shè)備。同時引入了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和光纖局域網(wǎng)作為中央處理器-終端裝置的信息傳輸?shù)氖侄?。分布式終端裝置具有獨立的處理器且被安置在鐵路一側(cè)去控制現(xiàn)場的信號設(shè)備。中央處理器是一個集中式的微機，具有包含實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備功能的軟件程序。同時給出了保證該系統(tǒng)運行可靠性的附加設(shè)施，進一步討論了自主分布信號控制系統(tǒng)。當中央處理器向現(xiàn)場裝置發(fā)出控制信號時，現(xiàn)場裝置將會計算被控制信號箱的邏輯關(guān)系，信號箱將會實現(xiàn)現(xiàn)場裝置發(fā)出的控制命令。本文提出的控制信號系統(tǒng)能夠滿足鐵路運營的現(xiàn)代化要求，可以作為鐵路信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.017