鐵路車站信號(hào)聯(lián)鎖試驗(yàn)?zāi)M裝置的研究與實(shí)現(xiàn)

楊貴，賈亞紅

（1、2，中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司 安全監(jiān)察大隊(duì)，工程師，山西臨汾，041000）

鐵路信號(hào)系統(tǒng)是車站的重要設(shè)備之一。目前國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)加快，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備聯(lián)調(diào)聯(lián)試工程量巨大。在日常施工過(guò)程中，施工單位在安裝信號(hào)設(shè)備后，都需要對(duì)室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行全方位的試驗(yàn)［1-4］；鐵路運(yùn)營(yíng)單位也會(huì)組織技術(shù)人員進(jìn)行聯(lián)鎖關(guān)系試驗(yàn)［3］。

傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)盤(pán)，是由三合板加裝鈕子開(kāi)關(guān)、按鈕和指示燈制作而成，用于模擬車站的室外信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路的狀態(tài)，整體外觀和布局需要根據(jù)不同的車站進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)［1-3］。這類模擬實(shí)驗(yàn)盤(pán)簡(jiǎn)單粗糙、功能不全、可靠性差、工效低、不可重復(fù)利用，很難完成充分全面的聯(lián)鎖試驗(yàn)，不便于推廣［4-6］。參考文獻(xiàn)馮景文等人研究方向局限于針對(duì)室外設(shè)備狀態(tài)仿真，未完全實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作過(guò)程的模擬［1］。參考文獻(xiàn)谷勝元等人則提供了一種帶上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車站聯(lián)鎖試驗(yàn)的過(guò)程記錄和分析，但也未實(shí)現(xiàn)對(duì)室外信號(hào)設(shè)備功能的全部仿真［2］。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)接口聯(lián)調(diào)聯(lián)試80%的工作量都花費(fèi)在帶電的接口試驗(yàn)過(guò)程中［2-7］。

本文通過(guò)運(yùn)用通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、電力電子技術(shù)等方法，研究信號(hào)系統(tǒng)室內(nèi)外結(jié)合的特點(diǎn)，融合不同設(shè)備接口，設(shè)計(jì)了一種便于現(xiàn)場(chǎng)使用的鐵路車站信號(hào)聯(lián)鎖試驗(yàn)?zāi)M裝置。該裝置能夠克服傳統(tǒng)模擬盤(pán)的弊端，在車站施工過(guò)程中，能夠替代室外全部真實(shí)信號(hào)設(shè)備，協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員盡快完成上電測(cè)試、接口調(diào)試和聯(lián)鎖試驗(yàn)，減輕工作強(qiáng)度，提高試驗(yàn)效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

在車站聯(lián)鎖施工中，設(shè)備安裝后，必須進(jìn)行帶電測(cè)試，以確保設(shè)備功能和性能。整體信號(hào)系統(tǒng)主要由人機(jī)交互層、室內(nèi)微機(jī)室、室內(nèi)機(jī)械室和室外設(shè)備層組成，接口情況如圖1 所示。本文設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖試驗(yàn)?zāi)M裝置提供標(biāo)準(zhǔn)接口，分別與室內(nèi)機(jī)械室信號(hào)設(shè)備進(jìn)行連接。

圖1 系統(tǒng)接口架構(gòu)示意圖

1）人機(jī)交互層：一般由工業(yè)控制機(jī)組成，完成車站場(chǎng)場(chǎng)的顯示。針對(duì)新建高鐵車站，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖人機(jī)界面及操作方式則統(tǒng)一參考技術(shù)條件《車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖操作顯示技術(shù)規(guī)范》（TJ/DW188-2016）（鐵總運(yùn)［2016］147號(hào)）進(jìn)行設(shè)計(jì)［2-3］。

2）室內(nèi)微機(jī)室：放置聯(lián)鎖機(jī)柜，包括聯(lián)鎖主機(jī)和I/O驅(qū)采模塊。主要功能是實(shí)現(xiàn)車站整體聯(lián)鎖邏輯，邏輯關(guān)系符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》（TB/T3027—2015）的要求［4］。

3）室內(nèi)機(jī)械室：包括接口架、組合架和防雷柜。具有接收聯(lián)鎖命令，并按照一定順序進(jìn)行動(dòng)作，輸出和采集相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的功能。目前，大多數(shù)車站使用的是安全繼電器，少數(shù)新建車站開(kāi)始使用全電子的執(zhí)行機(jī)柜［5-8］。

4）室外設(shè)備層：包括道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路。根據(jù)車站站場(chǎng)大小，設(shè)備數(shù)量和規(guī)模，合理確定室內(nèi)機(jī)械室組合及試驗(yàn)?zāi)M裝置配置數(shù)量。

5）臨時(shí)設(shè)備接口層：本試驗(yàn)?zāi)M裝置主要用于臨時(shí)協(xié)助施工單位和鐵路電務(wù)人員完成信號(hào)系統(tǒng)室內(nèi)調(diào)試和聯(lián)鎖試驗(yàn)，在完成功能和性能聯(lián)調(diào)聯(lián)試后即去除。該部分接口與室外一致，可由室內(nèi)防雷柜直接接入，并甩開(kāi)室外的控制電纜。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成主要包括控制主機(jī)、電源模塊、室外設(shè)備仿真模塊、信號(hào)仿真設(shè)備狀態(tài)控制和顯示模塊、通信模塊等5 大部分（見(jiàn)圖2），采用模塊化設(shè)計(jì)，構(gòu)成信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)室外真實(shí)電氣設(shè)備的仿真模型。

圖2 試驗(yàn)?zāi)M裝置系統(tǒng)組成示意圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）控制主機(jī)。采用高性能嵌入式主機(jī)，具有高運(yùn)算性能，支持開(kāi)放的、可升級(jí)的32 位嵌入式WINDOWS CE6.0 操作系統(tǒng)。控制主機(jī)提供USB 接口，直接通過(guò)U盤(pán)將配置的站場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，就能夠自動(dòng)生成和車站站場(chǎng)相一致的站型圖形，并在高清顯示終端進(jìn)行展示；同時(shí)通過(guò)通信模塊能夠完成對(duì)本試驗(yàn)?zāi)M裝置的整體控制，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)和軌道電路的狀態(tài)設(shè)置。其中高清顯示終端，尺寸為24 英寸，最大支持1 920×1 080 P 高清顯示，滿足現(xiàn)場(chǎng)顯示需求。

2）通信模塊。支持多種通信方式，并采用光電隔離技術(shù)，提高系統(tǒng)抗干擾能力。通信模塊通過(guò)RS-485通信與室外設(shè)備仿真模塊進(jìn)行通信，采用主從應(yīng)答方式，用于控制設(shè)備各個(gè)模塊狀態(tài)。通信模塊與驅(qū)采模塊連接，用于采集按鈕開(kāi)關(guān)和鈕子開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，從而識(shí)別出現(xiàn)場(chǎng)人員的設(shè)置意圖，并將該信息傳至控制主機(jī)。驅(qū)采模塊主要用于現(xiàn)場(chǎng)人員設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)仿真設(shè)備（轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、軌道電路）的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3）電源模塊。本試驗(yàn)?zāi)M裝置使用交流220 V市電，其他模塊用電（DC24 V、DC5 V）均從內(nèi)部直接轉(zhuǎn)化，現(xiàn)場(chǎng)使用非常方便。整體正常工作狀態(tài)額定功率不大于300 W，耗電量較小。

4）轉(zhuǎn)轍機(jī)仿真模塊。能夠仿真出多種如交流五線制S700K、ZDJ9、ZYJ7 系列和直流四六線制ZD6等系列轉(zhuǎn)轍機(jī)的基本功能和性能［7］。能夠模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作過(guò)程和表示電路，并通過(guò)采集控制電纜的電壓、電流、相序和相位等信息，測(cè)試室內(nèi)控制電路組合配線是否正確。例如轉(zhuǎn)轍機(jī)表示電路由表示變壓器、二極管、300Ω電阻和內(nèi)部接點(diǎn)組成，當(dāng)?shù)啦砻苜N，表示正常時(shí)，在分線盤(pán)上測(cè)量五線制道岔控制電路表示狀態(tài)時(shí)，其正常表示電壓極性和數(shù)值是，定表：X1（或X4）+、X2-，直流19～22 V、交流55～65 V；反表：X3+、X1（或X5）-，直流19～22 V、交流55～65 V。針對(duì)三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)原理的仿真表示、仿真動(dòng)作電路分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖3 表示電路簡(jiǎn)化原理圖

圖4 動(dòng)作電路定操簡(jiǎn)化原理圖

以上轉(zhuǎn)轍機(jī)仿真模塊，不僅提供了轉(zhuǎn)轍機(jī)的四開(kāi)、定位、反位等狀態(tài)信息，并且接受控制電路輸出的驅(qū)動(dòng)電流，提供一個(gè)大約在2 A 左右、持續(xù)時(shí)間10 s 的動(dòng)作曲線，仿真出轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)的定操和反操過(guò)程，能夠測(cè)試出室內(nèi)控制電路是否正常，提供參考故障點(diǎn)信息，并在高清顯示終端進(jìn)行展示。

5）信號(hào)機(jī)仿真模塊。國(guó)鐵信號(hào)機(jī)電路，基本框架大同小異，其原理一般都是雙線控制，主要是驅(qū)動(dòng)電壓和額定電流有所區(qū)別［7-8］。目前本模塊提供單相交流220 V 和直流24 V 兩種的模擬負(fù)載，并在控制回路中串可調(diào)電阻和繼電器可控節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員可以根據(jù)實(shí)際信號(hào)機(jī)的類型定制，靈活配置模擬負(fù)載的額定電流值，可控范圍在10～800 mA，并仿真燈絲斷絲等功能。

6）軌道電路仿真模塊。本仿真模塊與室內(nèi)輸出的電纜直接相連，并在回路中串接可調(diào)電阻和繼電器可控節(jié)點(diǎn)，用于仿真調(diào)整鋼軌之間的電阻和狀態(tài)［5］。該模塊可以根據(jù)控制主機(jī)的命令，自動(dòng)模擬出各個(gè)軌道區(qū)段的占用和出清的順序，從而模擬出列車的行駛過(guò)程。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）軟件需求分析。本裝置的軟件需要完成車站站場(chǎng)仿真和控制邏輯，需要安裝于高性能嵌入式主機(jī)之內(nèi)，具體的功能需求見(jiàn)表1。

表1 功能需求列表

2）軟件的實(shí)現(xiàn)。本軟件設(shè)計(jì)需滿足嵌入式主機(jī)的運(yùn)行要求，先利用VS 2005 進(jìn)行界面框架開(kāi)發(fā)，邏輯采用UML 建模方法，盡可能地簡(jiǎn)化軟件規(guī)模，整體功能滿足模塊化設(shè)計(jì)。該軟件由人工采集車站站型和數(shù)據(jù)后，自動(dòng)配置相關(guān)數(shù)據(jù)即可完成，并通過(guò)USB 導(dǎo)入至控制主機(jī)，基于通用WINCE 平臺(tái)即可使用，界面顯示滿足1 920×1 080分辨率要求。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在改造施工過(guò)程中，當(dāng)室外設(shè)備還未安裝或還未進(jìn)行帶電測(cè)試的時(shí)候，首先對(duì)室內(nèi)的信號(hào)設(shè)備功能進(jìn)行驗(yàn)證，是非常重要的，也是現(xiàn)場(chǎng)提高聯(lián)調(diào)測(cè)試重要的環(huán)節(jié)。本裝置的研制與現(xiàn)場(chǎng)的需求緊密結(jié)合，通過(guò)前期調(diào)研，已在某鐵路局內(nèi)新建車站現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建了試驗(yàn)平臺(tái)，該裝置工作適應(yīng)溫度范圍為-40℃～70℃，濕度范圍為≤95%（25℃時(shí)），氣壓范圍70～106kPa，占地面積不大于20 m2。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，相比較傳統(tǒng)方式，提高了測(cè)試效率，大概節(jié)約了1/3 的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和驗(yàn)證試驗(yàn)的時(shí)間，隨著現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)裝置使用熟練程度提高，節(jié)約的時(shí)間也會(huì)進(jìn)一步加大，具體本裝置使用的流程如圖5所示。

圖6 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用流程圖

3.2 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

1）本裝置上電后，一鍵開(kāi)關(guān)機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)使用方便。其各模塊采用獨(dú)立式設(shè)計(jì)、裝卸便捷，與室內(nèi)接口使用萬(wàn)科端子，接線簡(jiǎn)便，利于維護(hù)檢修，實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、和推廣性較強(qiáng)。

2）本裝置的顯示界面和仿真設(shè)備數(shù)量，與現(xiàn)場(chǎng)保持一致，可靈活配置，能夠根據(jù)不同需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

3）本裝置突破傳統(tǒng)模擬盤(pán)的功能，在滿足原功能的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了既往裝置缺乏強(qiáng)電動(dòng)作過(guò)程的仿真，確保了仿真系統(tǒng)能夠與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備保持完全一致。

4）本裝置提供了模擬行車的過(guò)程設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)配合鐵路電務(wù)人員進(jìn)行聯(lián)鎖關(guān)系試驗(yàn)的驗(yàn)收過(guò)程，相較于傳統(tǒng)人工操作，縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了聯(lián)鎖試驗(yàn)的全面性和準(zhǔn)確性。

5）本裝置的室外設(shè)備仿真模塊通過(guò)采集電纜輸出的電壓、電流、相位和相序等電氣特性，能夠分析出室內(nèi)控制電路的故障點(diǎn)，協(xié)助施工單位快速查找設(shè)備故障點(diǎn)，能顯著節(jié)省調(diào)試時(shí)間，縮短車站施工工期。

6）本文研究?jī)?nèi)容符合鐵路未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于提高鐵路技術(shù)水平，確保信號(hào)設(shè)備發(fā)展具有積極意義。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前鐵路車站信號(hào)聯(lián)鎖試驗(yàn)?zāi)M裝置存在不足，著眼于提升模擬聯(lián)鎖試驗(yàn)的可靠性和實(shí)效性，立足于契合現(xiàn)場(chǎng)客觀需求的迫切性和創(chuàng)新性，研發(fā)了一種新型鐵路車站信號(hào)聯(lián)鎖試驗(yàn)?zāi)M裝置，經(jīng)實(shí)際使用檢驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，證明本裝置具有提升試驗(yàn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、便于養(yǎng)護(hù)維修、適用環(huán)境寬松、可以重復(fù)使用等特點(diǎn)，不僅在既有線日常施工、維修進(jìn)行信號(hào)聯(lián)鎖試驗(yàn)時(shí)運(yùn)用該裝置可以取得較好效果，更為顯著的是在加快鐵路新線建設(shè)的新形勢(shì)下，新建鐵路類似工作運(yùn)用該裝置對(duì)于提升線路質(zhì)量、壓縮建設(shè)成本和確保工期控制都具有積極作用。本裝置的深入研究對(duì)于提高車站信號(hào)系統(tǒng)的新建、改造、大修和聯(lián)鎖試驗(yàn)的整體管理水平有重要意義。