鐵路信號動態(tài)自動檢測系統(tǒng)研究

楊吉，許慶陽，段賀輝，劉曉亮

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司電務(wù)檢測研究部，北京 100081）

0 引言

鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)復(fù)雜，關(guān)聯(lián)因素多。為保障列車運(yùn)行安全、提高作業(yè)效率，一般采用電務(wù)檢測車對信號軌旁設(shè)備進(jìn)行動態(tài)檢測，為信號系統(tǒng)的安全評估和養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)支持［1］。典型的電務(wù)檢測車采用25T客車車體，配備通信、信號檢測系統(tǒng)各1套，采用與客運(yùn)車輛聯(lián)掛或單機(jī)牽引的方式進(jìn)行作業(yè)，具備在160 km/h的速度下雙向檢測能力［2］。

電務(wù)檢測車裝備的鐵路信號檢測系統(tǒng)（簡稱既有檢測系統(tǒng)），用于動態(tài)條件下判別鐵路信號軌旁設(shè)備的工作狀態(tài)［3］。分析現(xiàn)有作業(yè)模式下典型的信號檢測系統(tǒng)存在的問題，提出一種鐵路信號動態(tài)自動檢測系統(tǒng)（簡稱自動檢測系統(tǒng)）。該系統(tǒng)車載端和地面端通過寬帶無線網(wǎng)絡(luò)保持準(zhǔn)實(shí)時(shí)連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)提高車、地設(shè)備的可靠性，可完善監(jiān)控和自校準(zhǔn)能力，在準(zhǔn)無人值守狀態(tài)工作。

1 既有檢測系統(tǒng)存在的問題

既有檢測系統(tǒng)一般由軌道電路檢測子系統(tǒng)、補(bǔ)償電容檢測子系統(tǒng)、牽引回流檢測子系統(tǒng)、應(yīng)答器檢測子系統(tǒng)、環(huán)境視頻檢測子系統(tǒng)、綜合分析子系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。各子系統(tǒng)檢測分機(jī)通過傳感器實(shí)時(shí)采集沿線各設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)信號調(diào)理和數(shù)據(jù)解析后，發(fā)送給綜合分析子系統(tǒng)。綜合分析子系統(tǒng)承擔(dān)著數(shù)據(jù)歸集、處理、存儲，檢測數(shù)據(jù)展示及分析，檢測任務(wù)控制，系統(tǒng)異常事件報(bào)警以及系統(tǒng)維護(hù)等工作［4］。

圖1 電務(wù)檢測車既有檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

既有檢測系統(tǒng)由檢測人員隨車操作，檢測人員主要任務(wù)包括：根據(jù)檢測計(jì)劃對系統(tǒng)進(jìn)行配置，對實(shí)時(shí)里程坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)并處理系統(tǒng)異常，分析檢測數(shù)據(jù)并在檢測完成后出具報(bào)告。在現(xiàn)有作業(yè)模式下典型的信號檢測系統(tǒng)存在以下問題：

（1）設(shè)備監(jiān)控功能不完善，同時(shí)缺乏異常狀態(tài)的自校正功能，一旦出現(xiàn)問題即需人工介入。

（2）綜合分析子系統(tǒng)承擔(dān)著系統(tǒng)維護(hù)、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)控等多種任務(wù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜可靠性較低。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，檢測數(shù)據(jù)就會丟失，導(dǎo)致漏檢。

（3）檢測人員的核心工作是分析檢測數(shù)據(jù)，需具備一定的工作經(jīng)驗(yàn)，但其主要精力卻消耗在監(jiān)控系統(tǒng)、校對坐標(biāo)等非核心工作上，造成人力資源浪費(fèi)。

（4）檢測任務(wù)時(shí)間長，運(yùn)行距離遠(yuǎn)，且相當(dāng)一部分作業(yè)在夜間進(jìn)行。部分檢測人員每年出差時(shí)間超過200 d，且在列車振動、噪聲環(huán)境中工作，人員較為疲憊。

2 自動檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了解決既有檢測系統(tǒng)存在的問題，開展自動檢測系統(tǒng)優(yōu)化研究。自動檢測系統(tǒng)由車載端和地面端2個(gè)部分組成，車載端僅保留數(shù)據(jù)采集等基本功能，其余任務(wù)則轉(zhuǎn)移到地面端，具體優(yōu)化內(nèi)容包括：

（1）對各檢測子系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在工作原理保持不變的同時(shí)，引入完善的監(jiān)控電路，增加關(guān)鍵參數(shù)采集及輸出功能。

（2）以車載端自動檢測主機(jī)替代原綜合分析子系統(tǒng)，承擔(dān)檢測數(shù)據(jù)的歸集、存儲等任務(wù)。

（3）車載端增設(shè)綜合監(jiān)控設(shè)備，用于設(shè)備監(jiān)控及狀態(tài)判別。并預(yù)留分析設(shè)備接口，使系統(tǒng)具備執(zhí)行常規(guī)檢測任務(wù)的能力。

（4）在地面數(shù)據(jù)中心設(shè)置地面端服務(wù)器，承擔(dān)檢測任務(wù)控制，數(shù)據(jù)接收、處理、存儲、展示及分析等任務(wù)，并為檢測人員掌控作業(yè)進(jìn)度、了解車載設(shè)備狀態(tài)提供界面。

（5）車載端和地面端通過寬帶無線網(wǎng)絡(luò)保持連接，用于車地間檢測、狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。

優(yōu)化的自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 自動檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

執(zhí)行檢測任務(wù)時(shí)，信號檢測系統(tǒng)操作人員在地面端預(yù)先（或?qū)崟r(shí)）配置檢測任務(wù)，車載端通電后即啟動并處于無人值守狀態(tài)，在判斷進(jìn)入檢測區(qū)間后自動啟動檢測，車載端通過寬帶無線網(wǎng)絡(luò)將檢測數(shù)據(jù)回傳至地面；地面服務(wù)器自動接收回傳的數(shù)據(jù)并存儲，根據(jù)檢測計(jì)劃安排人員執(zhí)行數(shù)據(jù)分析任務(wù)并出具報(bào)告。

優(yōu)化后，在保證檢測數(shù)據(jù)分析及檢測報(bào)告出具時(shí)效性的基礎(chǔ)上，可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少故障率和維護(hù)、維修工作量，以達(dá)到減少隨車檢測人員、減輕勞動強(qiáng)度、降低漏檢率的目的。

3 自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

自動檢測系統(tǒng)的車載端是信號自動檢測系統(tǒng)的重點(diǎn)［5］，盡可能減少人工介入，提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力是車載端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要包括：無線通道選型、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、定位數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等。

3.1 無線通道選型

在采用二進(jìn)制文件存儲時(shí)，典型的鐵路信號檢測系統(tǒng)每百公里有效數(shù)據(jù)量約15 MB（不包含環(huán)境視頻數(shù)據(jù)），以機(jī)車牽引式電務(wù)檢測車最高運(yùn)行速度160 km/h計(jì)，每小時(shí)有效檢測數(shù)據(jù)量約為24 MB。同一時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)有效狀態(tài)數(shù)據(jù)不大于檢測數(shù)據(jù)量的10%。若以無線網(wǎng)絡(luò)傳輸上述數(shù)據(jù)，所需上行持續(xù)帶寬約為60 kb/s。

地面端至車載端的下行數(shù)據(jù)流包括：檢測交路基礎(chǔ)信息庫、檢測計(jì)劃、數(shù)據(jù)傳輸控制信息以及心跳信號。前兩者為突發(fā)性傳輸且僅存在檢測任務(wù)開始時(shí)；后兩者數(shù)據(jù)流所需帶寬較小，根據(jù)實(shí)際檢測情況，所需持續(xù)帶寬小于1 kb/s。

目前，可使用的無線通道包括鐵路沿線覆蓋的GSM-R專網(wǎng)以及公用4G寬帶無線網(wǎng)絡(luò)。GSM-R專網(wǎng)最大優(yōu)勢在于線路信號覆蓋情況較好，但由于屬于2G制式，傳輸速率較低；再加上相當(dāng)數(shù)量的線路不具備GSM-R專網(wǎng)傳輸條件，故該通道難以滿足需要。公用4G寬帶無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率遠(yuǎn)大于實(shí)際需求，且覆蓋的范圍完全滿足需要，雖因車輛運(yùn)行導(dǎo)致小區(qū)切換引起暫時(shí)性的通信中斷，但時(shí)間延遲依舊能滿足準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢測的需要［6］。同時(shí)，第4代移動通信技術(shù)的應(yīng)用已逐步進(jìn)入軌道交通通信領(lǐng)域，部分線路已采用了基于TD-LTE的無線寬帶移動通信系統(tǒng)［7］。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，其上下行數(shù)據(jù)吞吐量約為15 Mb/s。待新一代鐵路通信系統(tǒng)全面推廣后，只需更換相應(yīng)通信模塊即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的轉(zhuǎn)換。

3.2 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可靠性涵蓋范圍較廣，最為關(guān)注的是系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性，在自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取的基本原則是：在系統(tǒng)可維護(hù)性良好的前提條件下，提高檢測系統(tǒng)的可用性。在設(shè)計(jì)過程中采取了以下措施：

（1）提高硬件平臺可靠性。現(xiàn)有信號檢測系統(tǒng)多采用工控機(jī)運(yùn)行視窗操作系統(tǒng)為平臺。在持續(xù)振動、電磁環(huán)境復(fù)雜、散熱不穩(wěn)定、電源紋波較大的車載環(huán)境下，處于人工實(shí)時(shí)監(jiān)控中其可靠性尚可滿足需要，但無法適應(yīng)無人值守式作業(yè)。自動檢測系統(tǒng)車載端采用嵌入式系統(tǒng)為平臺，增加完善的看門狗電路，同時(shí)改善屏蔽、電源、散熱等運(yùn)行條件，提高系統(tǒng)可靠性。

（2）少數(shù)關(guān)鍵系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)。全面采用冗余設(shè)計(jì)固然有利于提高系統(tǒng)可用性，但會導(dǎo)致可維護(hù)性惡化，與降低人力成本、減輕勞動強(qiáng)度的初衷相違背。故僅在車載端自動檢測主機(jī)、車地通信、電源設(shè)備采用雙系統(tǒng)熱備冗余，并在現(xiàn)有定位數(shù)據(jù)通道的基礎(chǔ)上，引入車載TAX箱數(shù)據(jù)通道作為備份［8］。

（3）各子系統(tǒng)增加關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控。監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)包括：車地通信中斷、車內(nèi)關(guān)聯(lián)設(shè)備心跳信號丟失、檢測數(shù)據(jù)異常波動、設(shè)備溫度、UPS外電源中斷、電源電壓波動、定位誤差過大等。

（4）地面端及車載端報(bào)警。由于車輛自身的摘掛、油水作業(yè)、運(yùn)行過程需要人工介入，同時(shí)出于安全考慮保留少量人員也有利于處理一些極端狀況。故在車內(nèi)設(shè)置綜合監(jiān)測主機(jī)，在各子系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)除傳輸給地面系統(tǒng)外，還傳輸給車載報(bào)警終端，在關(guān)鍵參數(shù)大于報(bào)警門限后提示車載人員介入處理。

3.3 定位數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

自動檢測系統(tǒng)通過定位數(shù)據(jù)接口獲得的定位數(shù)據(jù)包括：車輛的實(shí)時(shí)速度、經(jīng)緯度等。自動檢測系統(tǒng)主要通過對車輛實(shí)時(shí)速度進(jìn)行積分運(yùn)算，推導(dǎo)檢測數(shù)據(jù)對應(yīng)的絕對里程，因此累積誤差是導(dǎo)致系統(tǒng)定位偏差的主要原因；其次，檢測車在站內(nèi)線路走行路徑不確定，當(dāng)檢測車經(jīng)側(cè)線運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)推算出的距離與線路的絕對里程不對應(yīng)；最后，定位系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)誤差及偶發(fā)的錯(cuò)誤也是導(dǎo)致定位偏差的原因之一。為了對定位系統(tǒng)輸出結(jié)果進(jìn)行校核并修正系統(tǒng)累積誤差，提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力，需對系統(tǒng)推算位置進(jìn)行校正。

絕緣節(jié)是由絕緣材料或電氣諧振原理構(gòu)成的用于分隔兩段相鄰的軌道電路的設(shè)備，典型間隔約1 km，作用是阻隔鄰近區(qū)段載頻信號侵入本區(qū)段。反映在軌道電路檢測數(shù)據(jù)上，絕緣節(jié)中點(diǎn)附近當(dāng)前區(qū)段載頻電壓信號與下一區(qū)段載頻電壓信號形成交叉，同時(shí)會發(fā)生載頻切換，補(bǔ)償電容檢測系統(tǒng)也會輸出負(fù)向脈沖，典型絕緣節(jié)處檢測數(shù)據(jù)示例見圖3。

圖3 典型絕緣節(jié)處檢測數(shù)據(jù)示例

由于絕緣節(jié)的絕對位置已知，實(shí)現(xiàn)絕緣節(jié)的自動識別，即可獲得當(dāng)前位置的偏差值［9］。

考慮到提高識別速度，減少占用的系統(tǒng)資源，經(jīng)對比試驗(yàn)擬采用以下算法實(shí)現(xiàn)絕緣節(jié)的自動識別。設(shè)t時(shí)刻軌道電路載頻電壓為V′t、下一區(qū)段載頻電壓為在下一檢測周期（即t+1時(shí)刻）2種載頻電壓分別則在該交叉點(diǎn)處電壓關(guān)系為：

利用式（1）判斷2種載頻電壓的交叉點(diǎn)，若該位置處同時(shí)出現(xiàn)載頻切換或補(bǔ)償電容檢測數(shù)據(jù)負(fù)向脈沖，則判斷該位置對應(yīng)地面絕緣節(jié)設(shè)備。利用實(shí)際檢測數(shù)據(jù)對該算法進(jìn)行校核，地面仿真中識別的絕緣節(jié)見圖4。

圖4 仿真中識別的絕緣節(jié)

在檢測到絕緣節(jié)后，若列車的絕對里程（最佳估計(jì)值）已知，由于絕緣節(jié)是沿線路順序分布的，根據(jù)數(shù)據(jù)庫即可獲得該絕緣節(jié)的名稱、絕對里程、經(jīng)緯度信息等基礎(chǔ)信息。若此時(shí)絕對里程未知（如因車載主機(jī)復(fù)位導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失），則根據(jù)檢測計(jì)劃（及復(fù)位前的斷點(diǎn)信息）搜索本次交路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，并依次計(jì)算起始作業(yè)起始位置（或復(fù)位里程斷點(diǎn)）之后第i個(gè)絕緣節(jié)的經(jīng)緯度與t時(shí)刻列車所處經(jīng)緯度的距離值si。若si小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，即可判斷t時(shí)刻途經(jīng)絕緣節(jié)為i，并通過數(shù)據(jù)庫獲取其基礎(chǔ)里程。

設(shè)t時(shí)刻系統(tǒng)里程坐標(biāo)為Kt，t+1時(shí)刻系統(tǒng)里程坐標(biāo)為Kt+1，通過數(shù)據(jù)庫取得的當(dāng)前絕緣節(jié)絕對里程為Ki，則系統(tǒng)里程修正值C可由式（2）獲得：

若C的絕對值大于預(yù)設(shè)閾值，則判斷定位誤差過大，報(bào)警通知地面人員或隨車工程師介入，若小于預(yù)設(shè)閾值則利用C修正當(dāng)前絕對里程。

4 車載端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 車載端結(jié)構(gòu)

自動檢測系統(tǒng)車載端設(shè)備保留5個(gè)既有檢測項(xiàng)目，每個(gè)檢測項(xiàng)目對應(yīng)1臺檢測分機(jī)。各檢測分機(jī)工作原理與現(xiàn)有檢測系統(tǒng)保持一致，各前端電源、傳感器及信號調(diào)理電路維持現(xiàn)狀不變；后端數(shù)據(jù)處理平臺統(tǒng)一更換為以i.MX6處理器為核心開發(fā)的模塊化計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)為裁剪后的Linux，采用命令行式交互界面以滿足系統(tǒng)維護(hù)的需要；引入分機(jī)關(guān)鍵參數(shù)采集電路，用于分機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測；同時(shí)將各子系統(tǒng)A/D采集板卡統(tǒng)型為2款，以解決既有系統(tǒng)部件型號繁雜，導(dǎo)致備件采購及設(shè)備維修帶來的各種不便，各檢測分機(jī)功能結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 檢測分機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

自動檢測系統(tǒng)車載端結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 自動檢測系統(tǒng)車載端結(jié)構(gòu)

車載端自動檢測主機(jī)同樣采用上述的i.MX6模塊化計(jì)算機(jī)，各檢測分機(jī)、車地通信主機(jī)通過局域網(wǎng)與自動檢測主機(jī)保持?jǐn)?shù)據(jù)交換，定位系統(tǒng)主用及備用數(shù)據(jù)接口則以串行接口與主機(jī)直連。車載端自動檢測主機(jī)以工控機(jī)+Windows操作系統(tǒng)為平臺，接收各子系統(tǒng)監(jiān)測信息，為隨車工程師提供報(bào)警顯示界面。同時(shí)，設(shè)立1臺備用數(shù)據(jù)分析機(jī)并接入局域網(wǎng)，平時(shí)該子系統(tǒng)保持關(guān)機(jī)狀態(tài)，在必要時(shí)直接接收來自檢測主機(jī)的檢測數(shù)據(jù)供檢測人員實(shí)時(shí)分析，以使得自動檢測系統(tǒng)具備在必要情況下執(zhí)行現(xiàn)有人工隨車作業(yè)模式的能力。

4.2 車載端工作流程

自動檢測系統(tǒng)車載端主要作業(yè)流程見圖7。

圖7 自動檢測系統(tǒng)車載端主要作業(yè)流程

隨車工程師開啟車載電源，設(shè)備上電后，車載端自動檢測主機(jī)及各檢測分機(jī)進(jìn)行自檢，并將狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)測主機(jī)。隨后通過無線終端向地面中心請求注冊，若注冊失敗則通過監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行報(bào)警，請求車載工程師介入；若注冊成功，則在車地間同步時(shí)間、檢測計(jì)劃、交路數(shù)據(jù)等信息。隨后系統(tǒng)進(jìn)入待檢測狀態(tài)，通過定位數(shù)據(jù)或時(shí)間點(diǎn)判明滿足檢測條件后，主機(jī)向各檢測分機(jī)下達(dá)執(zhí)行命令，并實(shí)時(shí)接收檢測數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，處理后組包通過通信終端向地面?zhèn)鬏敗?/p>

監(jiān)測主機(jī)實(shí)時(shí)接收由車載主機(jī)傳輸?shù)南到y(tǒng)連接、運(yùn)行環(huán)境、定位誤差等關(guān)鍵信息，大于預(yù)定閾值時(shí)報(bào)警通知隨車工程師介入。待檢測計(jì)劃結(jié)束后（以里程或時(shí)間點(diǎn)判明標(biāo)準(zhǔn)），系統(tǒng)結(jié)束檢測，待檢測數(shù)據(jù)傳輸完畢后關(guān)閉系統(tǒng)，等待車輛斷電；若由于某種原因系統(tǒng)斷電前無法完成數(shù)據(jù)傳輸，則通知隨車工程師拷貝缺失數(shù)據(jù)上傳至地面中心。

5 結(jié)束語

智能化、自動化是鐵路動態(tài)檢測系統(tǒng)的發(fā)展方向，作為電務(wù)檢測另一個(gè)子專業(yè)，通信動態(tài)檢測系統(tǒng)部分項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)了自動化檢測，全面的自動化作業(yè)研究也已展開，并取得了一些成果［10］?；跓o線網(wǎng)絡(luò)的鐵路信號動態(tài)自動檢測系統(tǒng)，在無需對電務(wù)檢測車平臺進(jìn)行大規(guī)模改造的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)無人值守式信號檢測，降低了檢測人員的工作強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。