賀昌壽，王 磊，尤 剛

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

現(xiàn)有的鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)無法實時監(jiān)測鐵路局中心和鐵路列車段中心的相關信息。針對此問題，文獻[1]提出了基于無人機三維影像技術的鐵路信號設備自動巡檢系統(tǒng)。文獻[2]結合人工智能技術設計了高速鐵路信號系統(tǒng)。

基于以上研究成果，該文設計了一種基于行車控制類中心設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，集中分析列車運行數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，實現(xiàn)鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)與網(wǎng)絡服務器的互聯(lián)互通。

1 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

該文設計的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構如圖1 所示。

圖1 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構

1.1 電源電路設計

在監(jiān)測系統(tǒng)的電源電路中，內部基準電壓設定為2.5 V，外部基準電壓為3 V，內部基準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，內部電壓漂移最高達1 500×10-6V，即15 mV，當鐵路信號要求具有較高的精度和溫漂時，可采用內部基準[3-7]。由于鐵路信號在監(jiān)測過程中，可能會受到一些噪聲影響，所以需要對監(jiān)測系統(tǒng)的電源電路進行優(yōu)化設計，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，對輸出驅動器電源進行去耦處理，為了避免驅動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電壓漂移，最高為1.2 μV/℃，失調電壓的最大值為45 μV[10-12]。

1.2 采集器設計

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

圖2 采集器結構

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到512 ks/s，其基本特點是8 通道單極性，輸入阻抗高；通過引腳設置輸入電壓值為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，當電源電壓為3.3 V 時，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，能同時觸發(fā)內部配置的轉換器和處理器，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。該款采集器可以實時采集行車類數(shù)據(jù)、信號監(jiān)測數(shù)據(jù)、道岔數(shù)據(jù)以及信號機數(shù)據(jù)。

1.3 單片機設計

監(jiān)測系統(tǒng)的單片機選擇三星公司的SY8529，該單片機可通過A/D 轉換采集鐵路信號，并將其存入緩存區(qū)，根據(jù)網(wǎng)絡通信協(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 電壓范圍內工作，可將低電平轉換為高電平，內部配置了寄存器、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，單片機的輸出端為接收器的輸入端。當寄存器的輸入端為邏輯0 時，單片機可發(fā)送鐵路信號，接收器處于發(fā)送狀態(tài)；當寄存器的輸出端為邏輯1 時，單片機內的接收器處于接收狀態(tài)，可實時接收外界發(fā)送的鐵路信號。單片機的片上集成了一個高效的16位A/D 轉換器、一個增益放大器和一個驅動器，數(shù)據(jù)的轉換方式可通過放大器來控制。在系統(tǒng)復位后，單片機的默認方式為雙端輸入，監(jiān)測器的監(jiān)測范圍包括聯(lián)鎖、閉塞、TCC、RBC、TSRS、電源屏、DMS、機車信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)、鐵路列車區(qū)間監(jiān)控等信號設備。

1.4 報警器設計

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

中斷報警器具有16 個優(yōu)先級，可同時處理4 個中斷源，對每個中斷源可進行優(yōu)先定義，能夠驅動寄存器快速輸入中斷請求，中斷請求可能來自報警器的外部引腳或內部外設，電源報警器集成了一個振蕩器和一個定時器，電源報警器可向監(jiān)測系統(tǒng)提供26 個外設時鐘和8 個可編程時鐘，可編程時鐘可支持報警器的外設[13-14]。在充分獲得行車類數(shù)據(jù)、信號監(jiān)測類數(shù)據(jù)、基礎設備（道岔、信號機）數(shù)據(jù)的基礎上，實現(xiàn)以下幾個智能化報警：

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

2）聯(lián)鎖進路與RBC 系統(tǒng)接收SA 智能化報警；

3）聯(lián)鎖進路與RBC 系統(tǒng)接收MA 邏輯智能化報警；

4）TCC 進路信息和聯(lián)鎖進路信息智能化報警；

5）車站聯(lián)鎖執(zhí)行TCC 進站信號機降級命令智能化報警；

6）TCC 碼序與聯(lián)鎖信號邏輯智能化報警；

7）各子系統(tǒng)間連接狀態(tài)的綜合智能化報警；

8）相鄰站TCC 方向智能化報警；

9）TCC 與聯(lián)鎖線路方向信息智能化報警；

10）TCC 鄰站鄰接區(qū)段占用邏輯智能化報警；

11）區(qū)間信號機與區(qū)間方向的智能化報警；

12）具備條件下，實現(xiàn)信號顯示與區(qū)段發(fā)碼的智能化報警。

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

2 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

該文設計的行車控制類中心設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

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

然后，網(wǎng)絡通信設備每隔2 min 向采集設備發(fā)送握手信號，采集設備接收握手信號并回復報文信息，如果網(wǎng)絡通信設備連續(xù)發(fā)送3 次無響應，則網(wǎng)絡通信設備認為網(wǎng)絡中斷，斷開與采集設備的連接，等待采集設備再次發(fā)送連接和注冊請求，在等待請求的過程中，網(wǎng)絡通信設備可采用TCP/IP 網(wǎng)絡原則判斷當前列車的運行狀態(tài)，并將當前軌道電路頻率解調的結果傳送到列車控制中心進行處理。在文件基礎上，作質量分析。對單個設備生成質量評價指標、趨勢曲線，該指標是設備維護的參考依據(jù)。

最后，在采集設備和網(wǎng)絡通信設備通信中斷期間，采集設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)的時間，在通信重新恢復后，由網(wǎng)絡通信設備向采集設備發(fā)送通信中斷故障信息詢問報文，采集設備接收報文信息后，將保存的故障數(shù)據(jù)、中斷持續(xù)時間以及通信恢復的狀態(tài)信息全部發(fā)送給網(wǎng)絡通信設備，由網(wǎng)絡通信設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)和列車運行信息。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的行車控制類中心設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)進行實驗對比，實驗結果表明，RBC、TSRS、DMS、機車信號、CTC/TDCS 等信號設備狀態(tài)信息與傳統(tǒng)信號監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的信號設備狀態(tài)信息在同一時間窗內。

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 內能夠監(jiān)測8 路鐵路信號，而該文設計的監(jiān)測系統(tǒng)在2 min 內可以同時監(jiān)測12 路鐵路信號，證明該文設計的監(jiān)測系統(tǒng)可以在較短時間內監(jiān)測多路鐵路信號。這是因為該文設計的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)采用網(wǎng)絡通信設備智能化診斷故障信息，通過車載信號監(jiān)測設備實時監(jiān)測列車運行過程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，通過接入行車控制類中心設備實現(xiàn)車載信號設備維護信息的集中監(jiān)測，指導現(xiàn)場設備維護工作，其具有較好的有效性、穩(wěn)定性和可靠性。

4 結束語

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