铁路信号动态检测数据管理系统

周栓林 吕豪英

列车运行控制系统 CTCS是保证行车安全,提高运输效率,实现列车运行控制现代化的主要技术装备。其中的列控数据,包括描述地面线路参数、车站进路参数的应答器报文数据和描述列车特性的车载数据等,其准确与否都直接影响行车安全。为此在目前 “信号动态检测系统”、 “列控设备动态监测系统”和 “应答器数据管理系统”运用的基础上,通过对信号检测项目、数据处理、设备管理等相关技术标准,数据转储设备,地面数据管理系统等进行整合、集成,研制出了铁路信号动态检测数据管理系统。

1 总体方案

系统总体方案是将运用在动检车上的信号动态检测系统的检测数据、运用在动车组上的列控动态监测系统 (DMS)的监测数据和应答器报文数据、ATP车载数据等,通过一定的技术手段,汇集到安装在地面动车所、电务段、铁路局的数据服务器上,经列控数据管理系统对数据进行集成,实现车载数据和地面数据、检测数据和监测数据的综合运用。

1.数据结构。数据来源包括 ATP数据、DMS数据、检测车数据和微机监测数据等。DMS装置监测数据经 GPRS网传递到数据中心车载监测机;ATP车载数据经 PC卡传递到动车所列控数据管理服务器;试验车检测数据经拷贝传递到应答器报文机;现场微机监测列控数据经铁路办公网传递到铁路局数据中心微机监测机。由铁路局数据中心车载监测机经防火墙与铁路办公网相连,并与微机监测、动车所、电务段安全生产调度指挥中心,查询终端交换数据。铁路局数据中心应答器报文机经专线与电务段报文终端相连。车载监测机、应答器报文机及数据库服务器构成局域网。

2.网络结构。建立铁道部以监督为主、铁路局以管理为主、电务段以运用为主的网络管理模式。由应答器报文数据管理系统、ATP数据下载(PC、CF卡)分析系统、列控设备动态监测系统(DMS)及微机监测终端、TDCS终端构成网络总体。网络结构示意图如图 1所示。

2 新型信号动态检测系统

在全路各铁路局试验车及 CRH2-010过渡综合检测列车 “信号动态检测系统”成功运用的基础上,采用全新的分散式系统结构,增加牵引回流检测、应答器模拟信息检测等功能,研制出运用于高速综合检测列车的 TJDX-2000H新型信号动态检测系统,适应中国铁路目前各种轨道电路信号闭塞制式,及 CTCS-2级提速区段信号设备的在线检测,满足各级技术人员对信号设备、列控设备运用质量进行动态检查和分析。设备由信号检测机柜、传感器 (天线)、电缆及接口设备构成。

2.1 基本功能

1.检测轨道电路传输特性:入口电平、出口电平、最低电平、最高电平、衰减率、平顺率。

图 1 新型信号动态检测数据系统网络结构

2.分析地面信息频谱特性:成分谱、能量谱、细化谱。

3.检测 50Hz干扰、邻线路及邻区段干扰。

4.检测轨道电路补偿电容失效及位置。

5.检测应答器位置及报文核对。

6.检测应答器上行信号频率、电平、有效报文包数及报文误码率。

7.检测钢轨牵引回流幅值、不平衡率及谐波成分。

8.全程 GPS卫星定位功能。

9.与检测列车综合系统通信,接收综合系统信息,并向综合系统提交检测结果数据。

10.具备智能自诊断功能。

2.2 原理及特点

1.ATP检测。通过西门子开放车载 ATP数据接口及通信协议,用于在动车组开行过程中实时检测 ATP设备的运行情况,并对相关数据进行实时分析、显示和记录。ATP检测部分主要由工控 PC机和 ATP接口电缆构成,通过接口获取 ATP系统数据,从而进行分析和界面显示。

2.轨道电路检测。在列车动态情况下,对轨道电路传输特性、频率特性、信号干扰情况等信息进行全方位检测分析。以区段为单位,按优良、合格、临界、失格 4个评定等级进行分析、评定和记录,并可以在检测过程中实现在线回放分析。

3.补偿电容检测。主要由电容检测单元箱、高频功率放大器、CTM-S天线、CTM-R天线等设备构成。2个 CTM-S天线和 1个 CTM-R天线组成1套电容检测传感器,用于检测轨道补偿电容状态。天线通过专用电缆连接检测机柜内的电容检测单元箱和高频功率放大器,由电容检测单元箱对传感器接收的信号进行初步处理,将数据发送给工控PC机,由软件进行数据分析处理,解析出电容状态的具体数据,并对数据进行存储和显示。

4.BDU应答器动态综合检测。在距离车载BTM天线大于 4 m的位置增装 BDU天线,与检测机柜内的 BDU应答器检测单元 (欧标 3U机箱)连接。BDU天线的形状和安装要求同西门子 BTM天线。列车通过地面应答器时,BDU天线接收应答器信息,并将该信息送至 BDU应答器检测单元进行检测、译码处理。经工控 PC机处理后得到应答器报文数据和应答器电气参数。

5.综合检测单元。可为整个信号检测系统提供定位、速度等公共信息,供各个检测单元在检测、分析和数据记录中使用。综合检测单元内置的GPS模块通过位于列车顶部的 GPS天线进行定位运算,同时采集、处理来自列车综合系统提供的速度脉冲。综合检测单元把上述信息传给工控 PC机,经工控 PC机处理后,通过数据交换机向各个检测单元发送公共信息,同时显示电子地图信息。

6.主要特点。①采用工业以太网分散式系统结构,处理能力强,可靠性高;②采用 DSP数字信号处理分析技术,高速运算,并行处理;③合理配置硬件设备,提高设备可靠性;④软件编程高起点,模块化设计;⑤界面人性化,各项检测内容清晰直观;⑥点式应答器位置、报文及模拟信息检测;⑦牵引回流幅值、不平衡率及谐波成分检测;⑧检测项目全面,功能实用,测试数据准确;⑨强化分析功能,评估运用质量;⑩采用开放式数据库结构组织各种数据;○11 GPS自动定位与列车综合系统相结合,定位准确便于统一管理。

3 列控设备动态监测系统

列控设备动态监测系统是在各局电务试验车动态检测设备成功运用的基础上,对试验车 “信号动态检测系统”加以扩展、改进、提高,将补偿电容检测设备小型化,将车载信息检测装置安装在动车组内,检测数据通过 GPRS无线方式传送,配以地面网络传输管理分析设备,从而达到在动车组运用过程中,对涉及行车安全和效率的 ATP、应答器、轨道电路、补偿电容等信号设备进行实时检测,实现列控设备和地面设备的实时检测和分析的目的。系统可与微机监测联网,实现信息共享,有源应答器报文的自动校核,及利用车载动态设备检测地面静态设备的功能。

3.1 系统构成

系统由车载信息采集装置、地面数据中心及数据查询终端 3部分组成。车载信息采集装置安装在动车组内,在动车组运行中完成 ATP列控系统运用状态、应答器位置及报文、轨道电路传输特性、补偿电容失效及位置等信息的采集,采集数据通过GPRS网传回地面数据中心服务器,经互联网传给各数据查询终端。地面数据中心又由数据服务器、通信服务器和电源设备组成。

3.2 工作原理

列控设备动态监测系统原理图如图 2所示。

图 2 列控设备动态监测系统原理图

1.采用 DELL PowerEdge 2950 2U数据服务器,ORACLE9数据库。为保证数据的可靠性,服务器采用双磁盘阵列模式,进行数据备份,通过内部局域网,提供数据写入、读取。数据服务器主要提供整个系统的数据库支持,保证子系统间数据的同步共享,同时提供数据的安全备份。数据服务器存储现场设备数据及应答器编号。通信服务器、数据服务器通过交换机组成局域网,DDS监测机通过静态 IP接收通过 GSM/GPRS网络传送的数据,收到数据后,通过 CRC32校验,验证数据的完整性。如果数据接收正确,则向 DDT终端发送正确命令,并通过局域网将接收数据存储在数据服务器中。设在各动车运用所的监测机可通过互联网从数据服务器中获取数据。为保证数据中心不间断工作,设1套可持续供电48h的UPS电源及1台备用发电机。

2.车载信息采集装置采用 W indowsXP Embedded嵌入式操作系统,程序自动加载,数据通过GPRS网络发送到 DDS车载监测机。

GPRS是通用分组无线业务 (General Packet Radio Service)的英文简称,是一种新的移动数据通信业务,在移动用户和数据网络之间提供一种连接,其理论带宽可达 171.2 kb/s。为保证数据传输过程中的完整性与可靠性,装置在传输过程中采用TCP/IP通信协议,数据通信采用 CRC32校验,并在服务器与装置之间建立回应通路。当装置接收到服务器发送正确接收命令后,停止该条记录的发送,以避免进入隧道或其他原因造成的通道断开或数据错误问题。因此,在通信过程中可保证数据的完整性与可靠性。

装置在运行过程中,将数据库与 GPS信息有效的结合在一起,独立成为系统,采用 GPS速度,并结合经纬度信息,实时校正里程,保证现场绝对里程的可靠性,将精度定位在 5 m之内,检测结果可靠。

3.接口采用高阻并接 STM天线,接收轨道电路信息。与无线综合设备共用GPS天线及 GPRS天线。车体下部增加CTM测试天线。与车载 ATP-JRU测试接口串行通信,接收 ATP状态信息。与 BTM主机中通信板串行通信,接收应答器数据。列控设备动态监测系统接口信息图如图 3所示。

图3 列控设备动态监测系统接口信息图

3.3 技术指标

1.系统适应范围。供电电源 DC 110(1±30%)V;电源功率 ＜50W;环境温度 0℃ ～75℃;相对湿度 40% ～90%;大气压力 86～106 kPa(海拔 2500 m以下);绝缘电阻≥10 MΩ

2.GPS搜索时间≤20 ms;GPS定位精度 ＜2m;GPS数据输出 20 Hz;GPS测速范围 0～400km/h

3.模拟量测试精度:2%

4.频率测量范围:400～3000 Hz

5.实时测试周期:＜200ms

6.补偿电容失效检测正确率:＞80%

3.4 测试项目及功能

1.车载信息采集装置。完成 GPS、STM、BTM、CTM、ATP信息采集,经数据处理通过GPRS发送到地面数据服务器;动车组出入库闭环检测信息传输功能;具备上电自检及远程自诊断功能;故障导向安全,任何情况下不影响车载设备的正常使用,具备远程软件升级功能。

2.地面数据服务器、数据查询终端,用于监测报警、数据分析、动车组出入库闭环检测及动车组位置跟踪等。

4 应答器报文数据管理系统

应答器报文数据管理系统是铁路部门对应答器报文进行统一管理的计算机网络系统,由铁路局报文数据管理系统和电务段数据终端组成,二者通过铁路内部办公网进行数据交换。工作过程由程序流程控制,通过计算机网络、视频监控、指纹识别等技术对电务段申请、铁路局发放报文,及写入后的自动校核进行全过程监控,最大限度减少人为错误,将 “人控”转化为 “机控”,最终保证应答器报文的安全和正确使用。

铁路局报文数据管理系统由报文数据服务器、指纹管理系统等组成,主要完成报文管理、发放、检测、校核等功能;电务段数据终端由 PC机、应答器报文读取设备、指纹识别系统、摄像监控系统等组成,主要完成报文的申请、写入、读取工作。

1.系统构成。铁路局是应答器报文管理的主体,设报文服务器;电务段负责报文数据的写入和恢复,设报文下载终端。二者通过铁路办公网进行数据通信。

2.系统功能。报文申请传送、数据库管理、指纹身份认证、环境视频监控。指纹识别器与 PC之间通过 USB连接、服务器与终端采用专网连接、视频监控与服务器采用专网连接。

3.硬件构成。系统由应答器报文管理服务器和应答器数据终端组成。其中应答器报文管理服务器包括指纹机、打印机、显示器、专网、BMS等。应答器数据终端包括工控机、UPS不间断电源、报文读取应答器抽匣等。

4.技术指标。供电电源 AC 220(1±20%)V,(50±2)Hz;电源功率 ＜500W;环境温度 0℃～75℃;相对湿度 40%～90%;大气压力 86～106 kPa(海拔 2500 m以下)。

5.测试项目及功能。应答器报文管理服务器具有报文发放功能、试验车应答器报文数据比较、厂家应答器报文数据比较。应答器数据终端具有报文申请功能、报文写入、报文内容校核。

5 结束语

在信号动态检测领域通过十多年的不懈努力,从研发到产品逐步形成了具有中国铁路特色的信号动态检测模式和列控数据管理模式。全路 18个铁路局电务试验车、铁道部电务检查车、CRH2010动检车、CRH2061C动检车和 0号高速综合检测列车装备了铁路信号动态检测系统,且目前已投入运营的动车组基本全部安装了列控设备动态监测系统设备。

通过对 “信号动态检测系统”、“列控设备动态监测系统”进行系统整合和功能提高,逐步建立铁道部以监督为主、铁路局以管理为主、电务段以运用为主的列控数据管理模式,建立了全路列控数据库、信号动态数据库和故障信息字典库,同时建立了依靠监测、检测数据来考核设备运用质量的评定体系,为实现科学决策及状态修提供依据。

(责任编辑:温志红)