高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的研發(fā)

郭奇園

(中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京　100081)

在高速鐵路較為發(fā)達(dá)的日本、法國以及中國的臺灣省，均建立了相應(yīng)的高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，地震監(jiān)測系統(tǒng)利用破壞性地震波來襲前的數(shù)秒至數(shù)十秒時間發(fā)出報警信號，觸發(fā)高速鐵路的信號系統(tǒng)或牽引變電系統(tǒng)動作，使高速列車盡快減速或停車，以防止或減輕地震災(zāi)害對高速鐵路運輸安全帶來的危害，避免重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1]。目前，國外高速鐵路地震緊急處置的模式主要有 2種：一種是以法國地中海線為代表的列控系統(tǒng)控制模式，即接到報警時，由列控系統(tǒng)發(fā)出控制列車運行的信號，自動控制列車停止運行；另一種是以日本新干線為代表的牽引變電系統(tǒng)控制模式，即接到報警時，牽引變電所停止向列車供電，列車因失去動力而自動減速直至停止運行[2-3]。借鑒國外的高速鐵路地震緊急處置技術(shù)，結(jié)合我國高速鐵路的技術(shù)特點和實際需求，目前我國高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)采用的緊急處置方式是信號系統(tǒng)控制列車實施緊急制動和牽引供電系統(tǒng)停止向接觸網(wǎng)供電這2種控車方式并舉的模式[3-6]。為了實現(xiàn)在地震發(fā)生時正確、及時地向地震影響區(qū)域的高速鐵路信號系統(tǒng)輸出地震緊急處置信號，實現(xiàn)信號系統(tǒng)對地震緊急處置信息的快速響應(yīng)，確保高速列車的行車安全和避免或減輕地震次生災(zāi)害，針對我國高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)的地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元開展了研究。

1　構(gòu)成及主要功能

1.1　構(gòu)成

高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元由工控機、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、接口驅(qū)動單元、電源和防雷設(shè)備等組成，并且在高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元中設(shè)置2個繼電器(簡稱接口單元側(cè)地震報警繼電器)，在信號系統(tǒng)中也對應(yīng)設(shè)置2個繼電器(簡稱信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器)，通過控制接口單元側(cè)地震報警繼電器的狀態(tài)，實現(xiàn)向列控系統(tǒng)傳送地震報警信息，從而觸發(fā)信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器動作。接口單元側(cè)地震報警繼電器和信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器均采用獨立電源、雙斷驅(qū)動的AX安全型繼電器。高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元與鐵路局中心系統(tǒng)、地震監(jiān)測臺站間采用鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)連接，并且為雙網(wǎng)冗余設(shè)計，如圖1所示。

1.2　主要功能

高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的主要功能包括接收來自于高速鐵路沿線相鄰地震監(jiān)測臺站的地震P波預(yù)警信息、地震閾值報警信息和鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的緊急處置指令，以及進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)自檢和故障隔離等，功能具體如下。

圖1　地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元聯(lián)網(wǎng)示意圖

(1)接收相鄰地震監(jiān)測臺站發(fā)送的地震P波預(yù)警信息和地震閾值報警信息，并判斷警報級別，當(dāng)警報級別為2級或3級時，觸發(fā)信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器動作。

(2)接收鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送的緊急處置指令，并判斷處置級別，當(dāng)處置級別為2級或3級時，觸發(fā)信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器動作。

(3)接收鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送的地震誤報解除和恢復(fù)行車指令，并向信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器輸出恢復(fù)正常行車狀態(tài)的信號。

(4)系統(tǒng)具備自檢功能，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)工作異常時立即向鐵路局中心系統(tǒng)報告。

(5)當(dāng)高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元自檢出故障或需要維護(hù)時，可通過人工隔離開關(guān)實現(xiàn)故障隔離，并及時向鐵路局中心系統(tǒng)傳輸隔離狀態(tài)的信息。

2　設(shè)　計

2.1　模塊設(shè)計

在設(shè)計高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元時除了考慮需要實現(xiàn)的功能外，還要考慮可靠性和安全性[6]。可靠性是指設(shè)備在規(guī)定的條件下和時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，可靠性越高，設(shè)備的無故障運行時間就越長。安全性是指在設(shè)備發(fā)生故障或判斷信息異常時能夠保障人員和設(shè)備的安全。綜合安全性和可靠性的要求，高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的模塊設(shè)計采用了雙路并行加冗余的結(jié)構(gòu)，其主要模塊包括冗余網(wǎng)絡(luò)接口模塊、處理模塊、輸入輸出接口模塊、控制模塊、電源模塊以及繼電器和防雷單元。高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2中所有對稱的模塊設(shè)計均完全相同。2個網(wǎng)絡(luò)接口模塊分別接入鐵路傳輸網(wǎng)之地震系統(tǒng)專網(wǎng)1(LAN1)和專網(wǎng)2(LAN2)，由于凡是連接到LAN1或者LAN2后端的設(shè)備均可以接收到數(shù)據(jù)，因此處理模塊C和D可分別通過LAN1和LAN2與鐵路局中心系統(tǒng)或相鄰地震監(jiān)測臺站進(jìn)行通訊，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余功能。2個處理模塊對分別接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后生成控制信號，然后2路控制信號經(jīng)對應(yīng)的輸入輸出接口模塊至控制模塊進(jìn)行邏輯處理，即2路控制信號只要其中1路輸出有效，輸出的控制信號就有效。

1)處理模塊

處理模塊為雙機同時運行，并通過以太網(wǎng)互相檢測對端機的工作狀態(tài)是否運行正常。處理模塊接收到相鄰地震監(jiān)測臺站發(fā)送的警報信息和鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的緊急處置指令后，對其進(jìn)行解析，然后回復(fù)相應(yīng)的回執(zhí)信息和設(shè)備狀態(tài)信息，并顯示主機的電源狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、地震報警狀態(tài)以及是否處于隔離狀態(tài)等；處理模塊的功能框圖如圖3所示。

圖3　處理模塊的功能框圖

2) 控制模塊

控制模塊由電源電路、接口電路、控制電路、接口單元側(cè)地震報警繼電器控制的信號輸出電路、繼電器信號回采電路以及接口電路指示燈和隔離開關(guān)等組成；其功能如圖4所示。其中，控制電路仲裁2個處理模塊的輸出信號，并結(jié)合隔離開關(guān)信號，將有效數(shù)據(jù)傳給接口單元側(cè)地震報警繼電器控制的信號輸出電路；報警輸出需要仲裁的邏輯輸入信息有：處理模塊A輸出的控制信號、處理模塊B輸出的控制信號和隔離開關(guān)的狀態(tài)。由于設(shè)定了隔離開關(guān)的信號優(yōu)先級為最高，因此當(dāng)隔離開關(guān)打開時，即使處理模塊發(fā)出了地震報警信號，也不會向接口單元側(cè)地震報警繼電器輸出報警控制信號。在隔離開關(guān)閉合時，處理模塊A和B同時工作，當(dāng)這2個處理模塊的任意一個給出有效的地震報警信號后，則立即向接口單元側(cè)地震報警繼電器發(fā)出報警控制命令，當(dāng)2個處理模塊均給出無效信號時，則向鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)出系統(tǒng)故障報警信息，且使接口單元側(cè)地震報警繼電器處于安全狀態(tài)。

圖4　控制模塊的功能框圖

高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元通過繼電器回采電路采集接口單元側(cè)地震報警繼電器前接點和后接點的工作狀態(tài)，并將其發(fā)送給處理模塊以判斷接口單元側(cè)地震報警繼電器是否按要求工作。

3)電源模塊

采用24 V電源模塊給設(shè)置在每個車站信號機械室內(nèi)的2個信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器供電。因為地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元所在機房與信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器所在的車站信號機械室之間的距離不固定，所以線路的電阻也不固定。為了保證信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器的電壓為24 V，電源模塊具有動態(tài)調(diào)整電壓的功能。電源模塊采用雙電源冗余設(shè)計，即由電源模塊A、電源模塊B和冗余電源模塊C三部分組成，其功能如圖5所示。電源模塊A和B為直流不間斷電源(UPS)，可在電源出現(xiàn)故障的情況下繼續(xù)為負(fù)載供電，且供電時間不少于7×24 h。冗余電源模塊由2個電源并聯(lián)而成，采用ACB(自動電流平衡)技術(shù)以確保均衡供電，并且當(dāng)一路失電時不會導(dǎo)致系統(tǒng)斷電，從而提高系統(tǒng)的可靠性。另外，冗余電源模塊還可以監(jiān)測電源的冗余狀態(tài)、輸出電壓，以及電源輸出接線、解耦合輸出的負(fù)載電流。

圖5　電源模塊的功能框圖

2.2　軟件設(shè)計

高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的工作軟件采用分層方式設(shè)計，如圖6所示，可分為系統(tǒng)軟件層、系統(tǒng)通信層、接口層、數(shù)據(jù)層、邏輯處理層和展現(xiàn)層。

(1) 系統(tǒng)軟件層主要包括操作系統(tǒng)、時鐘同步軟件和通信中間件。操作系統(tǒng)集成了設(shè)備驅(qū)動程序和中斷處理軟件等，負(fù)責(zé)控制和管理全機的資源，包括CPU、內(nèi)存、中斷源、接口和任務(wù)管理等，并提供軟件開發(fā)及系統(tǒng)維護(hù)的平臺。時鐘同步軟件采用NTP (網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)，從而實現(xiàn)了高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元與路局中心系統(tǒng)的時鐘同步。

(2) 在系統(tǒng)通信層，信號接口單元采用雙機同工的方式，每臺主機均擁有雙網(wǎng)卡，將其中一塊網(wǎng)卡設(shè)置成外部的IP地址，通過該地址實現(xiàn)2臺主機與鐵路局中心系統(tǒng)和地震監(jiān)測臺站間的通信；將另外一塊網(wǎng)卡設(shè)置成內(nèi)部的IP地址，通過該地址實現(xiàn)2臺主機間的數(shù)據(jù)通訊，以提高系統(tǒng)的可靠性。

(3) 接口層包括相鄰地震監(jiān)測臺站接口、信號系統(tǒng)接口以及鐵路局中心系統(tǒng)接口等。

(4) 數(shù)據(jù)層包括鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的地震緊急處置指令數(shù)據(jù)、地震警報數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)。

(5) 邏輯處理層主要包括地震警報信息接收處理軟件、系統(tǒng)震后恢復(fù)與系統(tǒng)自檢軟件、系統(tǒng)故障診斷軟件、系統(tǒng)日志維護(hù)軟件等。其中，地震警報信息接收處理軟件的功能主要包括接收來自鐵路局中心系統(tǒng)的地震緊急處置指令、來自相鄰地震監(jiān)測臺站的地震報警信息、生成的接口單元側(cè)地震報警繼電器控制指令，同時將已收到緊急處置指令的回執(zhí)發(fā)送給鐵路局中心系統(tǒng)；在震后恢復(fù)階段，輸出控制信號以使信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器的狀態(tài)恢復(fù)為正常狀態(tài)。系統(tǒng)故障診斷軟件主要負(fù)責(zé)診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信故障、接口單元側(cè)地震報警繼電器故障、電源故障等，并將故障信息實時發(fā)送給鐵路局中心系統(tǒng)。系統(tǒng)日志維護(hù)軟件主要負(fù)責(zé)高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元工作過程日志的生成與維護(hù)。

圖6　地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元軟件的架構(gòu)圖

(6) 展現(xiàn)層主要以表格和圖形的方式通過客戶端軟件提供報警、設(shè)備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)以及為信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器供電的電源狀態(tài)等信息。

2.3　接口設(shè)計

高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元與鐵路局中心系統(tǒng)、相鄰監(jiān)測臺站、信號系統(tǒng)的接口設(shè)計如下。

(1)在高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元與相鄰地震監(jiān)測臺站的監(jiān)控單元之間建立SOCKET(套接字)連接。相鄰地震監(jiān)測臺站的監(jiān)控單元將P波預(yù)警數(shù)據(jù)、閾值報警數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，并實時發(fā)送給高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元；高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元接收到數(shù)據(jù)包后對其進(jìn)行解析并據(jù)此做相應(yīng)的動作。

(2)在高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元與鐵路局中心系統(tǒng)的接口服務(wù)器之間建立MQ(消息隊列)連接。鐵路局中心系統(tǒng)將緊急處置命令等信息封裝成數(shù)據(jù)包并采用實時方式發(fā)送至高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元，信號接口單元接收到數(shù)據(jù)包后對其進(jìn)行解析并做相應(yīng)的處置。

(3)高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元與信號系統(tǒng)之間以信號分線盤為分界，通過繼電方式實現(xiàn)物理接口[7]，如圖7所示。高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元通過控制接口單元側(cè)地震報警繼電器(DZYJ1和DZYJ2)的接點狀態(tài)，向信號系統(tǒng)傳送地震報警信息，而列控中心則根據(jù)采集到的信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器(DZJ1和DZJ2)的接點狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)處置，對運行列車進(jìn)行防護(hù)。

圖7高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元與信號系統(tǒng)的接口示意圖

3　關(guān)鍵技術(shù)

3.1　冗余技術(shù)

為提高地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的可用性，盡量避免誤報和系統(tǒng)級的單點故障，對其所有硬件的設(shè)置均采用交叉冗余，即可概括為雙網(wǎng)通信、雙機并行運行、2個不間斷電源為信號接口單元供電、二乘二的24 V獨立電源為信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器供電、2個獨立的控制模塊進(jìn)行信號輸出及回采。

3.2　故障自檢及隔離技術(shù)

通過對硬件狀態(tài)的回采及與軟件的邏輯判斷相結(jié)合的方式，實現(xiàn)故障自檢。比如，通過回采電源的電壓，可判斷電源是否有故障；通過回采繼電器的狀態(tài)并與輸出的指令進(jìn)行比較，可判斷繼電器是否有故障；通過雙機互相監(jiān)測“心跳”信息及網(wǎng)絡(luò)狀況，可判斷2臺主機是否宕機及軟件是否正常運行；等等。當(dāng)高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的某個硬件出現(xiàn)故障后，立刻自動將相關(guān)硬件的狀態(tài)信息發(fā)送至鐵路局中心系統(tǒng)，鐵路局中心系統(tǒng)根據(jù)其故障的原因遠(yuǎn)程發(fā)送指令，停止或繼續(xù)允許地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元參與有效控制。當(dāng)需要對地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元進(jìn)行維修時，先由人工啟動隔離開關(guān)，使地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元處于隔離狀態(tài)，以避免信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器因誤動作而導(dǎo)致意外事故，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

3.3　雙重過電保護(hù)技術(shù)

地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元通過電纜與信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器連接。為避免信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器短路時損壞地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的電源和相關(guān)器件，在地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元中設(shè)置了恒流二極管和短路保護(hù)器的雙重過電保護(hù)。恒流二極管用于在瞬時短路甚至是較長時間短路時保證供電回路中的電流不會對地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元造成損壞，而短路保護(hù)器則可在恒流二極管被擊穿后切斷回路，保證設(shè)備的安全。若僅使用短路保護(hù)器，瞬時短路就可造成其跳閘，并需要人工到現(xiàn)場才可恢復(fù)。雙重過電保護(hù)技術(shù)在保證設(shè)備安全的前提下盡量提高了其可用性，減少了人工干預(yù)。

4　現(xiàn)場試驗

為了檢驗筆者研發(fā)的地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元，在大同至西安的客運專線(以下簡稱大西線)對其進(jìn)行了現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗的主要內(nèi)容包括：基本功能驗證、性能測試、故障模擬試驗、輔助功能驗證等。其中的性能測試又包括地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元控制接口單元側(cè)地震報警繼電器的時延和控制信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器的成功率。

表1　地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的性能測試結(jié)果　s

注：地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元與鐵路局中心系統(tǒng)的時鐘同步，時間誤差≤10 ms。

試驗結(jié)果表明，試驗期間地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元運行穩(wěn)定，各項功能完全達(dá)到要求。對試驗中得到的40組性能測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，結(jié)果見表1。由表1可知，地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的性能指標(biāo)均符合《高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警暫行技術(shù)要求》[8]，而且地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元的處理延時完全滿足≤150 ms的技術(shù)要求，控制信號系統(tǒng)側(cè)地震報警接口繼電器的成功率為100%。

5　結(jié)束語

地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元作為高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，對于實現(xiàn)高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)向地震影響區(qū)域內(nèi)的列控中心及時發(fā)布地震預(yù)警信息，進(jìn)而對運行中列車采取有效的緊急處置措施，保證列車運行安全，提高高速鐵路防災(zāi)減災(zāi)能力，具有重要作用。采用冗余、故障自檢及隔離、雙重過電保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的地震監(jiān)測預(yù)警信號接口單元通過了大西線現(xiàn)場試驗的考核，各項功能及性能符合規(guī)定的技術(shù)條件要求。

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