新型信号控制系统的研究

【摘要】目前，我国正在加快对铁路新建线的建设和一些旧线的强化改造。车站设备在进行改修建的过程中，会涉及到大量的信号电缆重新铺设工作。在电缆铺设过程中的极小错误就有可能导致铁路信号系统的工作异常，造成严重的安全隐患，而作为安全苛求系统的信号联锁控制系统必须要保证它的正确性。因此本文提出了一种采用光纤局域网的信号控制系统，以减少联锁系统中信号电缆的接线工作，进而提高系统的安全性。本系统是在联锁系统中加入光纤网络，通过光网络传送数字信息，代替现有的电缆来控制信号装置使系统更加灵活和安全。

【关键词】信号系统；联锁设备；光纤局域网

1.引言

目前，随着我国铁路的大力发展，对铁路列车的运输能力和操作性能提出了更高的要求，以满足我国铁路对高速度、高安全和高可靠性的需求。铁路系统在设备安装、更新或使用过程中通常会涉及到大量的信号电缆布线工作。在这个过程中，由于人为错误造成的运行状况异常的概率非常高，甚至还会导致危险事故的发生。因此，在铺设过程在需要大量的确认工作来检查接线连接的正确性，目前这项工作都必须由人工手动完成。而在这项工作中，一个小的错误就有可能导致整个系统的运行紊乱。因此，我们开发了一种采用光纤局域网络的信号控制系统，由原来使用的信号电缆控制信号设备到使用光纤电缆的数据传输来控制信号设备。通过这种改善铁路车站和铁路沿线的信号设备连接工作来满足上述要求，并对该技术的实际应用进行描述。

2.系统结构

铁路车站信号控制系统主要由列车控制系统和车站联锁系统构成。联锁系统收到CTC的进路控制命令，结合现场设备的状况（包括信号机，道岔，轨道电路等信息）和列控中心传来的限速信息来设置进路，最后将相应的控制命令下发到对应的现场设备，如控制道岔转换，信号开放等。在这个过程中道岔、信号和轨道电路等这些现场信号设备相关命令的接收和传递大多通过继电器和信号电缆实现。

本文开发的新型信号控制系统就是为了降低信号设备在布线过程中出现错误的可能性。本设计中的光线局域网信号控制系统主要是为了减少信号电缆极其接线工作，系统通过一个光网络传送数字信息控制信号设备，并且它有一个系统配置方式可以使系统更加灵活和安全。为了有效的引进本系统，在建设和运营期间需要将本系统和现有的联锁装置共同设置。

系统结构如图1所示，主要由LC（逻辑控制器），FTTZ（光纤接入小区），FC（现场控制器），RS/C（远程服务器/客户端），MT（维护终端）等设备组成。该系统通过光网络发送和接收放置于车站信号楼的逻辑控制器（LC）和嵌入到信号设备中的现场控制器（FC）之间的控制数据和结果数据。

其中LC是一个安全相关的计算机，可以代替联锁系统来控制铁路沿线的信号设备。它具有联锁系统相应的控制功能，如进路控制、信号显示等。在接收到列控系统传来的控制信息和现场设备传来的结果信息的基础上，LC向连接到该系统的信号设备发送控制数据。

FC是安全相关的电气装置，将其嵌入到现场设备中。FC主要用于对LC传来的控制数据进行译码，并根据该数据控制现场设备的动作，如道岔转换、信号开放等，最后将执行结果发送回LC。FC还用于监控信号设备的状态，并将显示信号设备状态的监测数据发送到远程服务器。它是由电源单元、传输单元、故障-安全逻辑单元和I/O单元等标准件组成。

本系统采用FTTZ来接入光纤局域网中，FTTZ是通用的光纤传输系统，它是一个由安装在信号楼内的光线路终端（OLT）和内置到FC中的光网络单元（ONU）组成。由于FTTZ的网络组件少，建网成本低，维护简单，以及网络的高安全性，组网的高灵活和超大的网络容量，加之全双工传输等优势，使得它非常适合构建铁路信号控制系统网络。

RS/C用来获得有关信号设备和网络状态的具体信息，并对系统配置进行操作。MT主要用于维护FC，包括对FC进行安装和测试等工作。MT不与网络连接，它仅仅是在使用的时候才会被连接到网络中。为了便于监测、维护和管理，本系统将RS/C和MT安装在信号室内。

网络传输是用于实现LC和FC之间的信息传送。本系统采用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）实现信息的传输。而且LC和FC之间要定时的发送确认信息，保证通信联通的可靠性，同时要对所接收到的数据进行确认以达到信息传输的安全性。

在本系统中，传输网络和所有设备都采用冗余配置，以提高系统的安全性。如果在传输过程中出现异常，控制系统立即导向安全侧。

3.系统实现

目前我国对信号设备的维护主要是由信号工进行现场维护，而且大部分设备都设置在铁路。本系统中的FC有一个信号设备的控制和维护功能，在信号设备的控制过程中可以减轻信号人员的劳动强度。为此，FC设有三种不同的操作模式：正常、停止和维护模式，模式间的转换通过MT实现。当FC处于维护模式时表示需要对FC进行维护，如在控制程序发生变化时停止接受从LC来的控制数据。此时，FC只接收从MT来的维护数据，并控制信号设备，然后将结果数据发送回MT；当FC处于停止模式时，即使FC接收到了控制数据和维护数据，FC也要停止控制信号设备；当FC处于正常模式时，FC从LC接收控制数据，控制信号设备，然后将结果数据发送回LC。FC在每个模式中都要检查各个数据的内容，并解析它的行为，如图2所示。在停止或维护模式下，由于LC和FC之间的传输停止，LC采用故障-安全的方式控制相关的信号设备。

现有铁路系统中的监控系统是通过测量电压或电流来对信号设备的状态进行监测。主要是通过信号设备中的传感器和从信号设备到信号楼铺设的电缆。如果没有特定的传感器和通信电缆，车站控制系统将得不到信号设备的实时运用状态。而本系统中的FC可以用于监视信号设备的状态，并向远程服务器发送监测数据。远程服务器监视信号设备和网络的通信状态，对于非正常条件事件的发生，需要向远程客户端发出一个警报信息，并通过远程客户端得到详细信息，识别问题的原因，进而做出快速响应。在系统网络中，可以同时共享、控制和监测相关数据。LC和远程服务器也可以通过进路器接收相关的数据。

在过去，信号设备的动作情况要通过联锁逻辑来进行测试，这需要花费一定的时间和精力。而本系统可以在施工期间就对信号设备的工作进行单独测试，有效地缩短了建设周期。表1显示了本文中使用光网络系统和现有系统的比较。采用光网络的信号控制系统可以减少信号电缆，使建设简单化，易于维护等诸多优点。

4.系统安装

传统的信号系统是使用联锁逻辑来测试的信号设备的动作情况，而本系统可以在施工期间单独对信号设备的行为进行测试，缩短了建设周期。

在引入本系统时，需要避免与其它列车设备发生干扰。当用本系统来代替现有的联锁系统时，现有的信号设备必须要被具有FC的信号设备替换，并对它们进行测试。这对于多数具有大量信号现场设备的大型车站来说，同一时间全部替换并进行测试是很难实现的。因此，有必要对该系统进行扩展，将信号现场设备同时与现有的联锁系统和本文提出的系统同时进行连接和操作，两个系统中的任何一个都不允许对其它系统造成危害。为了能提高系统效率，本系统中必须具有便于维护的系统配置，在故障发生以后能尽快的判断和恢复。

在某个装有联锁系统的车站引入该系统时，首先要进行信号设备的网络建设，光缆连接到铁路站场中，网络设备取代原有的装置安装在信号室内。本系统的信号设备还具有一个与联锁装置的接口，用于连接到信号电缆和光缆上。信号机械室到信号设备的网络建成后，安装FC的控制程序，结合MT测试信号设备的情况。FC可以通过接收MT发送的模拟控制数据来控制信号设备。

LC安装在信号机械室内，并连接到控制网络中。LC通过它对应的接口将列控系统和联锁系统连接，还通过它的接口将联锁系统和其它专用设备相连，通过它们对列车位置和相关信息进行检索和处理。在此期间，如果LC向现场信号设备输出错误的控制数据，致使信号错误显示或道岔中途转换，就有可能导致列车相撞或脱轨事故的发生。为了防止这种情况，LC的操作模式要置于测试模式下，即LC不向现场信号设备直接输出控制数据。如果FC置于停止模式下，即使LC发送了控制数据，FC也会忽略。

系统监控确认系统正常以后，该系统启动操作，应切断联锁系统电源，LC和FC的操作模式被改变到正常模式，此后逐步的移除联锁装置和信号电缆。

安装新的信号设备后，MT会通过为新的信号装置中的FC自动分配一个IP地址，然后安装FC的控制程序。当新的信号设备信息被安装在LC上后，就可以对信号设备进行操作。当需要更换和去除信号设备时，替换和删除相应的信号设备，删除来至LC的信号设备信息，然后初始化FC，并通过MT断开它与网络的连接。

5.结论

在本文中，我们对现有信号控制系统存在的问题的基础上，提出了采用光网络的新型的信号控制系统。并给出了具体的设计和实现方法，以满足安全可靠的铁路运输。该系统采用网络连接，在建设和运营期间，可以大量的节省建设时间，并具有较高的灵活性。

参考文献

[1]刘志忠.6502电气集中及计算机联锁系统操作使用问答[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[2]Y.Hirano，T.Kato，T.Kunifuji et al.Development of Railway Signaling System based on Network Technology[J].IEEE SMC，Oct.2005.

[3]M.Matsumoto，K.Mori，et al.Assurance Technologies for Autonomous Train On-board Computer System[J].FTDCS2001，Bologna，ITALY，Oct.2001.

作者简介：张平斌（1985―），男，甘肃会宁人，大学本科，助理工程师，主要从事铁路信号维修管理工作。