基于互联网协议和光纤传输的分布式铁路信号控制系统

王贵鑫

基于互联网协议和光纤传输的分布式铁路信号控制系统

王贵鑫

本文提出了一种分布式的铁路信号控制系统，该系统由中央处理单元、分布在轨道一侧的终端控制装置和信号箱组成。其中终端控制装置和中央处理器之间的通信采用互联网协议和光纤局域网传输的综合方案。不仅减少了由于大量线路传输信息出现的人为错误，而且鉴于采用了互联网技术，和目前的系统相比，在安装信号设备方面能够减少很大的工作量。分布式的终端控制装置自带处理器，通过安放在铁路轨道某一侧来实时控制现场信号箱的运行。中央处理单元是一台集成式微机，带有实现现场设备功能的软件程序。分布在中央处理单元和终端装置之间的光纤局域网和多个并行通信路径确保了信号的可靠传递。

铁路信号系统在确保铁路正常运营方面发挥着重要的角色。随着铁路承容量的不断加大以及时刻表的不断改变，对信号控制系统的可靠性要求越来越高。普通的信号系统主要包括带有继电器电路的逻辑单元，需要特定的配电线。根据线路手册单独设计的继电器电路容易出现人为错误，这会导致铁路运输出现混乱事故。而且，基于继电器的逻辑电路由于不具备综合系统结构，难以满足现代化交通中高运转率的要求。

随着计算机技术的发展，引入了智能化控制系统来解决这些铁路信号问题。例如，一个电气连锁系统具备集成化电路和复合式结构。别的信号装置中，包括列车检测系统和自动列车停止系统已经采用了集成化电路智能系统。为了满足系统的可靠性，列车停靠站台处和运行过程途中均采用了集成化电路，这些电路板被安置在一个封闭的控制柜中，从而使得铁路控制系统形成了一个集中系统。本文在提出常规智能信号装置存在问题的基础上，引入了一种新的分布式信号系统。

1 现有智能信号装置的问题

尽管微机智能技术在铁路信号控制中已经得到广泛的应用，但是仍然存在很多的缺陷和不足。第一，由于目前的控制逻辑电路安装在火车站室内，而操作部件则分布在铁道一侧，两者之间的通信需要线路连接。当该系统需要大量的通信线路、控制线路以及数据传输线路时，大大的增加了线路建设成本。同时，鉴于大量的连接线路长期处于超负荷工作状态，需要增加线路保护设备以及故障维护工作。在通信的调度方面，人为错误也会时常出现，容易引起交通运输的秩序混乱。第二，由于目前采用控制系统的传输路径是一个复杂的结构，一当发生线路短路或者断线故障，将会造成很大的交通混乱。因此，有必要研发具有复式结构的现场控制系统。例如，互锁装置通过继电器电路向线路注入电压信号，以此来直接控制信号设备。由于一个互锁装置控制许多个信号设备，因此需要接入大量的线路。当铁路的运输容量增加或者互锁装置性能裂化时，为了改进和替换互锁装置，需要引入大量的电力线路。装设如此多的线路不仅需要大量的人力和财力，而且容易出现人为的线路布线错误，从而造成运输秩序混乱问题。

在系统更新过程中，比如增加一台信号设备，必然引起所有的信号设备进行重新布置和组合。鉴于所有的信号设备是独立安置的，并且具有不同的软件系统以及互相独立操作，我们不得不逐一的去操作这些设备以及避免互相之间造成不良影响。

基于互联网技术的分布式信号控制系统

分布式信号控制系统的原理分析

为了解决上述提出的问题，本文提出了一种分布式信号控制系统。针对控制中心处理器和现场设备的信号传输引入了光纤局域网和互联网结合的技术。光纤局域网不断的改变现场设备的控制方法。图1给出了该系统的结构框图，从图中看出，系统由一个中央逻辑控制单元以及许多现场控制的终端设备组成，通过光纤来连接中央处理器和这些终端设备。

该信号控制系统有两种实现方法。一种是软件方法，根据现场设备的设置功能来编写中央处理单元的软件逻辑。另一种是硬件电路法，引入了基于光纤和互联网技术结合的分布式信号控制系统。

软件实现方法如图2所示，尽管常规系统的各个设备相互独立操作，有时它们之间有相似的内在逻辑联系。我们破坏这些设备的正常序列，根据现场信号的需要重新组合这些设备，从而消除了相互之间的重复操作。图三给出了新型信号控制系统的各个部件的相互联系。

另一方面硬件方法是基于使用现场终端设备作为分布式处理器来智能控制信号箱。终端设备将因特网协议命令转换成电功率信号（加在LED两端的直流电压、中继装置等）。该硬件实现方法的信号传输示意图中所示的互联网协议和光纤传输给现场信号装置提供数据流。

中央处理单元向现场信号箱发出控制命令，同时将命令转换成经光纤传输的因特网协议数据。现场的终端装置接受这些因特网协议数据并将其转换成控制现场设备的信号。现场终端装置的安装方式有两种：①内嵌在信号指示箱中；这样的安装方式需要更换目前现场的信号设备；②现场终端装置独立成柜安装，一个装置可以同时控制多个信号箱，因此不需要更换现场信号箱，只需要在改变少数接线的基础上，增加一台控制柜即可。

随着目前互联网技术的发展，逐渐代替了原来由线路进行的直接电传输，目前信号可以实现多路快速传输。在引入多路信号传输后，缩小了因架空线路产生的成本，同时，利用光纤局域网技术使得多路信号能够以数据传输的方式实现。

第一种终端装置安装方式需要采用特殊的信号低压柜，并且一次控制一台信号箱。由于终端装置和信号设备安装在同一个控制中，使得两者容易受到互相的干扰。采用第二种安装方式后同时能控制若干个传统的信号箱，鉴于不需要更换目前的信号箱，因此成本消耗低。由于信号箱和终端装置之间采用线路连接，因此需要增加保护电路消除来自信号箱的干扰。

光纤传输系统由无源光纤网络组成，由于该网络的每一条支路均由无源器件构成，不需要电源模块因此稳定性较好。通过增加分流装置，一条光纤能够被分解成30多条控制线，当系统采用10条光纤传输时，意味着同时能够控制300个信号箱，即一个终端设备可以控制300个信号箱。为了避免电缆损坏或者故障引起的信号传输中断，系统需要采用双回线路传输方式，即一个传输路径由两条并联光纤组成。

为了该铁路信号控制系统的正常运作，还需要增加在线远程监控模块。该模块也是由包括中央处理器和终端设备等许多综合设备组成。本文采用客户端-服务器体系结构的远程监控系统。系统包括了4种类型的计算机终端：系统监测服务器、控制服务器、维修PC终端以及用于终端设备的维修设施。

图1　铁路信号控制系统结构示意图

图2　系统内部各个模块的逻辑关系

用于提高该系统可靠性的技术研究

由于本文是基于互联网技术的综合通信来实现该系统的正常运作的，因此如何使用通信规约来保证可靠的进行信息传输成为一个关键性的技术问题。因此提出了如下的可靠通信手段。

（1）从中央处理器到终端设备的信号线是完全重复的。由于中央处理器和终端设备是多台复式设备，例如当中央处理器、终端装置分别都包括A和B两台复式设备时，因此该系统有如图5的4条传输路径。每条路径以200ms的周期同时独立的发出和接受信号，中央处理器A和B 互相交换信息，终端设备A和B是一种热备用系统。因此只要设备工作在正常状态，这4条路径传输的发出/接受命令具有相同的内容。由于一条路径中传输的信息就能够控制相应的中央处理器和终端设备，其他传输路径被视为冗余信息。这样的通信方案足以保证铁路信号系统的可靠性。

（2）本文提出了一种基于互联网技术的新的数据传输协议，该协议有以下四种技术构成。

①所有的发出命令和相应的反馈都有自己的序列号，中央处理器可以确认系统发出的命令数量正好等于反馈信号的数量，通过引入序列号，工作人员就可以发现数据传输过程中的通信错误。

②中央处理器和终端设备实时监测数据流的时间间隔，如果时间间隔太长，被系统视为发生了传输延迟。

③除了正常的IP（互联网协议）地址，所有的发出信号和接受信号都有表明它们目的地的识别标签，为了避免数据传输的错误，该标签包含4位汉明距离。每一台信号设备设置了相应的信号标签，并且IP地址确定了各个终端装置。IP地址和识别标签几乎没有同时出现错误的可能性。

④循环冗余校验法和反码位数据被用于查找数据包中的错误。为了防止传输错误，中央处理器和终端装置将相应的设备调整到安全传输状态。

结束语

本文提出了一种新的分布式铁路信号控制系统，其中中央处理器和终端装置是该系统的必不可少的设备。同时引入了互联网技术和光纤局域网作为中央处理器-终端装置的信息传输的手段。分布式终端装置具有独立的处理器且被安置在铁路一侧去控制现场的信号设备。中央处理器是一个集中式的微机，具有包含实现现场设备功能的软件程序。同时给出了保证该系统运行可靠性的附加设施，进一步讨论了自主分布信号控制系统。当中央处理器向现场装置发出控制信号时，现场装置将会计算被控制信号箱的逻辑关系，信号箱将会实现现场装置发出的控制命令。本文提出的控制信号系统能够满足铁路运营的现代化要求，可以作为铁路信号系统的基础设施。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.017