行車控制類中心設(shè)備接入下的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀昌壽，王 磊，尤 剛

（1.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司，四川成都 610000；2.成都地鐵運(yùn)營有限公司，四川成都 610000；3.四川網(wǎng)達(dá)科技有限公司，四川 成都 610000）

現(xiàn)有的鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵路局中心和鐵路列車段中心的相關(guān)信息。針對此問題，文獻(xiàn)[1]提出了基于無人機(jī)三維影像技術(shù)的鐵路信號設(shè)備自動(dòng)巡檢系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]結(jié)合人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)了高速鐵路信號系統(tǒng)。

基于以上研究成果，該文設(shè)計(jì)了一種基于行車控制類中心設(shè)備接入下的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)匯集車載信號和地面信號，集中分析列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的互聯(lián)互通。

1 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

在監(jiān)測系統(tǒng)的電源電路中，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓設(shè)定為2.5 V，外部基準(zhǔn)電壓為3 V，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的溫度漂移最大值為15×10-6℃，具有720 μV 的分辨率，在0～60 ℃溫度范圍內(nèi)，內(nèi)部電壓漂移最高達(dá)1 500×10-6V，即15 mV，當(dāng)鐵路信號要求具有較高的精度和溫漂時(shí)，可采用內(nèi)部基準(zhǔn)[3-7]。由于鐵路信號在監(jiān)測過程中，可能會(huì)受到一些噪聲影響，所以需要對監(jiān)測系統(tǒng)的電源電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將噪聲對鐵路信號的影響降到最低。電路中引入一定量的電源抑制器，對輸出驅(qū)動(dòng)器電源進(jìn)行去耦處理，為了避免驅(qū)動(dòng)器電源上的噪聲干擾電源電路，需要對電源電路作去耦處理，該電源電路具有20 μF 的鉭電容和200 μF 的陶瓷電容，電源電路的引腳用50 μF 的電容去耦[8-9]。

除噪聲因素外，還應(yīng)考慮輸入放大器對鐵路信號的影響，電源電路中的放大器需要具有低噪聲和低失調(diào)電壓，為鐵路信號的傳輸和監(jiān)測提供緩沖，因此該電源電路中配置的放大器具有較低的失調(diào)電壓漂移，最高為1.2 μV/℃，失調(diào)電壓的最大值為45 μV[10-12]。

1.2 采集器設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)的采集器選用三星公司生產(chǎn)的SD7392，該采集器內(nèi)部配置了多通道雙極性轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器采用了互補(bǔ)雙極型工藝，能將較多的鐵路信號鏈路功能集成在采集器芯片內(nèi)，以提高其性能。該轉(zhuǎn)換器是高精度、16 通道、8 bit 逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部配置了3.5 V 基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器，具有較低的功耗。采集器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，該采集器具有較高的采樣精度和采樣速度，每通道的采樣速度能達(dá)到512 ks/s，其基本特點(diǎn)是8 通道單極性，輸入阻抗高；通過引腳設(shè)置輸入電壓值為3.5 V；高速采樣速率為512 ks/s；除了以上特點(diǎn)外，該款采集器的輸入頻率為80 kHz，信噪比為65.3 dB，具有豐富的外設(shè)和外部接口，接口包括并行接口、串行接口、SPI 接口和USB 接口，當(dāng)電源電壓為3.3 V 時(shí)，采集器的采樣速率為256 ks/s，消耗的功耗為100 mW。采集器每條通道的采樣速率為256 ks/s，能同時(shí)觸發(fā)內(nèi)部配置的轉(zhuǎn)換器和處理器，通過其USB 接口和SPI 接口獲得鐵路信號輸出數(shù)據(jù)，在256 ks/s 采樣速率下最大功耗為185.3 mW，在休眠模式下，最大功耗為12.4 mW。該款采集器可以實(shí)時(shí)采集行車類數(shù)據(jù)、信號監(jiān)測數(shù)據(jù)、道岔數(shù)據(jù)以及信號機(jī)數(shù)據(jù)。

1.3 單片機(jī)設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)的單片機(jī)選擇三星公司的SY8529，該單片機(jī)可通過A/D 轉(zhuǎn)換采集鐵路信號，并將其存入緩存區(qū)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將鐵路信號數(shù)據(jù)發(fā)送到鐵路現(xiàn)場總線上。單片機(jī)的芯片選用TI 公司的TS796 芯片，采用半雙工通信方式，在1.8～3.3 V 電壓范圍內(nèi)工作，可將低電平轉(zhuǎn)換為高電平，內(nèi)部配置了寄存器、接收器和監(jiān)測器。寄存器的輸入端與串行通信接口連接，接收器的輸出端與并行通信接口相連，單片機(jī)的輸出端為接收器的輸入端。當(dāng)寄存器的輸入端為邏輯0 時(shí)，單片機(jī)可發(fā)送鐵路信號，接收器處于發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)寄存器的輸出端為邏輯1 時(shí)，單片機(jī)內(nèi)的接收器處于接收狀態(tài)，可實(shí)時(shí)接收外界發(fā)送的鐵路信號。單片機(jī)的片上集成了一個(gè)高效的16位A/D 轉(zhuǎn)換器、一個(gè)增益放大器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方式可通過放大器來控制。在系統(tǒng)復(fù)位后，單片機(jī)的默認(rèn)方式為雙端輸入，監(jiān)測器的監(jiān)測范圍包括聯(lián)鎖、閉塞、TCC、RBC、TSRS、電源屏、DMS、機(jī)車信號遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)、鐵路列車區(qū)間監(jiān)控等信號設(shè)備。

1.4 報(bào)警器設(shè)計(jì)

報(bào)警器采用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行串行通信，該款報(bào)警器選用TD 公司的TD8773，報(bào)警器內(nèi)部具有消息處理狀態(tài)機(jī)制、一個(gè)中斷報(bào)警器和一個(gè)電源報(bào)警器。該款報(bào)警器最高可支持25 個(gè)通道，含有一個(gè)8位寄存器，可用作下個(gè)傳輸計(jì)數(shù)，消息處理狀態(tài)機(jī)制可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾，列車在行駛過程中產(chǎn)生的各種狀態(tài)信息可通過消息處理狀態(tài)機(jī)制進(jìn)行發(fā)送和處理，并可同時(shí)存儲(chǔ)48 個(gè)消息對象，鐵路信號數(shù)據(jù)和消息對象可臨時(shí)存儲(chǔ)在消息RAM 中。

中斷報(bào)警器具有16 個(gè)優(yōu)先級，可同時(shí)處理4 個(gè)中斷源，對每個(gè)中斷源可進(jìn)行優(yōu)先定義，能夠驅(qū)動(dòng)寄存器快速輸入中斷請求，中斷請求可能來自報(bào)警器的外部引腳或內(nèi)部外設(shè)，電源報(bào)警器集成了一個(gè)振蕩器和一個(gè)定時(shí)器，電源報(bào)警器可向監(jiān)測系統(tǒng)提供26 個(gè)外設(shè)時(shí)鐘和8 個(gè)可編程時(shí)鐘，可編程時(shí)鐘可支持報(bào)警器的外設(shè)[13-14]。在充分獲得行車類數(shù)據(jù)、信號監(jiān)測類數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)備（道岔、信號機(jī)）數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)智能化報(bào)警：

1）區(qū)段占用信息智能化報(bào)警：聯(lián)鎖系統(tǒng)、TCC、軌道電路、RBC 系統(tǒng)、CTC 系統(tǒng)；

2）聯(lián)鎖進(jìn)路與RBC 系統(tǒng)接收SA 智能化報(bào)警；

3）聯(lián)鎖進(jìn)路與RBC 系統(tǒng)接收MA 邏輯智能化報(bào)警；

4）TCC 進(jìn)路信息和聯(lián)鎖進(jìn)路信息智能化報(bào)警；

5）車站聯(lián)鎖執(zhí)行TCC 進(jìn)站信號機(jī)降級命令智能化報(bào)警；

6）TCC 碼序與聯(lián)鎖信號邏輯智能化報(bào)警；

7）各子系統(tǒng)間連接狀態(tài)的綜合智能化報(bào)警；

8）相鄰站TCC 方向智能化報(bào)警；

9）TCC 與聯(lián)鎖線路方向信息智能化報(bào)警；

10）TCC 鄰站鄰接區(qū)段占用邏輯智能化報(bào)警；

11）區(qū)間信號機(jī)與區(qū)間方向的智能化報(bào)警；

12）具備條件下，實(shí)現(xiàn)信號顯示與區(qū)段發(fā)碼的智能化報(bào)警。

另外，針對采集器采集到的相關(guān)信號監(jiān)測類數(shù)據(jù)，報(bào)警器可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖進(jìn)路與RBC 系統(tǒng)接收SA 智能化報(bào)警、各子系統(tǒng)間連接狀態(tài)的綜合智能化報(bào)警、相鄰站TCC 方向智能化報(bào)警、區(qū)間信號機(jī)與區(qū)間方向的智能化報(bào)警[15-16]。

2 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的行車控制類中心設(shè)備接入下的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的軟件流程如圖3 所示。

圖3 行車控制類中心設(shè)備接入下的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程

首先對采集設(shè)備進(jìn)行初始化。由采集設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備發(fā)送連接請求，連接完成后，采集設(shè)備再向網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備發(fā)送注冊請求，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備接收注冊請求并建立連接[17]。建立連接后，采集設(shè)備先不發(fā)送列車運(yùn)行狀態(tài)消息（包括列車運(yùn)行數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)），待網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備向其進(jìn)行詢問，采集設(shè)備接收詢問消息后進(jìn)行響應(yīng)，開始上報(bào)列車運(yùn)行過程中的所有狀態(tài)信息，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備連續(xù)發(fā)送4 次詢問消息沒有得到響應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備自動(dòng)中斷網(wǎng)絡(luò)連接，自動(dòng)屏蔽采集設(shè)備已經(jīng)發(fā)送的重新連接消息，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備接收到采集設(shè)備發(fā)送的列車運(yùn)行狀態(tài)消息后，向其發(fā)送接收確認(rèn)消息，回復(fù)確認(rèn)并發(fā)送握手信號，采集設(shè)備回復(fù)握手信號。

然后，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備每隔2 min 向采集設(shè)備發(fā)送握手信號，采集設(shè)備接收握手信號并回復(fù)報(bào)文信息，如果網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備連續(xù)發(fā)送3 次無響應(yīng)，則網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中斷，斷開與采集設(shè)備的連接，等待采集設(shè)備再次發(fā)送連接和注冊請求，在等待請求的過程中，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備可采用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)原則判斷當(dāng)前列車的運(yùn)行狀態(tài)，并將當(dāng)前軌道電路頻率解調(diào)的結(jié)果傳送到列車控制中心進(jìn)行處理。在文件基礎(chǔ)上，作質(zhì)量分析。對單個(gè)設(shè)備生成質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)、趨勢曲線，該指標(biāo)是設(shè)備維護(hù)的參考依據(jù)。

最后，在采集設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備通信中斷期間，采集設(shè)備保存通信中斷期間的故障數(shù)據(jù)并記錄通信中斷持續(xù)的時(shí)間，在通信重新恢復(fù)后，由網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備向采集設(shè)備發(fā)送通信中斷故障信息詢問報(bào)文，采集設(shè)備接收報(bào)文信息后，將保存的故障數(shù)據(jù)、中斷持續(xù)時(shí)間以及通信恢復(fù)的狀態(tài)信息全部發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，由網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備一并上傳到列車總控制中心，列車總控制中心分析并處理故障數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行信息。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的行車控制類中心設(shè)備接入下的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，將傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)與該文監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RBC、TSRS、DMS、機(jī)車信號、CTC/TDCS 等信號設(shè)備狀態(tài)信息與傳統(tǒng)信號監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的信號設(shè)備狀態(tài)信息在同一時(shí)間窗內(nèi)。

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測過程穩(wěn)定性如圖4 所示。

圖4 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性

該文監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測過程穩(wěn)定性如圖5 所示。

圖5 該文監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性

根據(jù)圖5 可知，該文提出的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測穩(wěn)定性更好。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)在2 min 內(nèi)能夠監(jiān)測8 路鐵路信號，而該文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)在2 min 內(nèi)可以同時(shí)監(jiān)測12 路鐵路信號，證明該文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)可以在較短時(shí)間內(nèi)監(jiān)測多路鐵路信號。這是因?yàn)樵撐脑O(shè)計(jì)的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備智能化診斷故障信息，通過車載信號監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測列車運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，通過接入行車控制類中心設(shè)備實(shí)現(xiàn)車載信號設(shè)備維護(hù)信息的集中監(jiān)測，指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)工作，其具有較好的有效性、穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語

行車控制類中心設(shè)備接入下的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)接入了車載信號設(shè)備、地面信號接收設(shè)備、行車控制類中心設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)了鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的互聯(lián)互通，對列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種狀態(tài)信息能夠及時(shí)處理和響應(yīng)，通過匯集車載信號設(shè)備和地面信號設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了鐵路列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的集中控制，具有很好的實(shí)際應(yīng)用效果。