物联网技术在铁路信号设备集中监测方面的应用

夏禹

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北沧州062350）

物联网技术在铁路信号设备集中监测方面的应用

夏禹

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北沧州062350）

物联网技术发展方兴未艾，在信息化背景下的铁路信号设备监测发展也顺应潮流发展成熟。论文以物联网技术为导引，深入探讨物联网技术在铁路信号设备集中监测方面的应用。分别从铁路信号设备集中监测系统结构，在此结构基础上应用的各种物联网感应器件及其原理，通过应用相应的感应器件实现的功能几方面进行论述。引入大数据理论，展望物联网技术和大数据技术结合所带来的更加丰富的应用功能。

物联网；铁路信号；集中监测；感应器；大数据

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.142

1 引言

物联网就是把感知器装备到各种真实物体上，并通过互联网连接起来，进而运行特定的程序，以达到远程控制或者实现物与物的直接通信。物联网技术的核心和基础仍然是“互联网技术”，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术。其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯，这种将物体连接起来的网络就称作“物联网”。

铁路信号电气设备相对复杂，其中最主要的分为：道岔、轨道电路、信号机、操作控制台和供电设备。这些设备的日常监测主要是电气方面的监测，包括电压、电流、频率、相位和相对应生成的曲线。各个信号设备通过不同的传感器采集不同的电气特性数据，通过232和422串口通信协议传输至集中监测车站子系统进行分类汇总，并设置报警门限值进行系统监测。集中监测系统采用基于TCP/IP协议之上的广域网络模式。结构可分为监测中心子系统（维护中心）、终端子系统（维修工区、调度中心）和车站子系统（车站、中间/中继站、动车段和线路所）。这种模式属于面向单一机构内部服务的私有物联网模式。

2 集中监测系统介绍

2.1 集中监测系统结构

集中监测系统的数据处理按照处理节点的地位不同可以分为站机、服务器和维修终端等子系统，每个子系统对于数据的处理各不相同。集中监测系统在车站配置信号设备集中监测车站基层系统一套，包括监测站机（工控机、打印机、显示器）、音响、采集机、UPS电源、传感器件、现场总线控制模块和接口设备等。采集设备采集模拟量信息及部分开关量信息。目前，由于集中监测连接的设备智能化集成越来越高，大部分开关量信息（例如站场图、列车运行状态等信息）通过与计算机联锁系统、调度集中系统接口和列控中心系统获得。

具体设备布置如下：（1）在信息中心设置一套信号集中监测系统应用服务器。（2）在各个车间分别设置一套维护管理终端和监测终端。（3）在各个领工区设置一套监测终端。（4）所有车站信号设备电气信息都通过各站的车站子系统（以下简称站机）汇总并通过网络上传至信息中心应用服务器，各个车间和领工区通过网络调用信息中心应用服务器数据。

2.2 集中监测站机结构

站机负责监测系统所需开关量、模拟量、报警信息数据的采集、分类、逻辑分析处理、报警输出、数据统计汇总和存储回放等功能，并提供了人性化的人机交互界面，以图形、列表及曲线等方式给电务维护人员提供最有价值的维修状态信息，同时接收用户数据及指令的输入，实现实时、交互式的浏览和查询。另外，站机作为基层采集和执行单元，和维护监控中心及车间监控系统进行通信，通信方式采用TCP/IP协议。站机将车站实时的数据和报警传送到上层，并接受上级的控制命令。

整个系统中，车站部分是所有信息的来源及基础，车站层集中监测在功能上包含：2006型信号集中监测子系统、ZPW-2000A型区间自闭监测子系统接口、智能电源屏监测接口，预留SCADA环境监控子系统接口、转辙机表示缺口监测子系统等功能模块组成。

车站系统包括车站监控主机、机柜（采集机柜和网络机柜）、采集分机（综合、道岔等）、隔离转换单元、数据处理单元，区间自闭信号采集设备（区间发送，接收综合采集器）、UPS电源、打印机（另外选配）以及车站局域网设备等。站机与采集系统之间的通信采用CAN总线和RS422/485串行通信等方式。

车站监控主机（简称站机，一般为工业控制机）是车站系统的核心，它负责集中监测所需数据的采集、分类、逻辑分析处理、报警、数据统计汇总和存储回放等功能。并提供了集中监测的人机交互界面，以图形、列表及曲线等方式给电务维护人员提供最有价值的维修状态信息，同时接受用户的输入，实时交互式浏览和查询。

车站监控主机作为基层采集和执行单元，和维护中心监控服务器进行通信，通信方式采用TCP/IP协议。站机将车站实时的数据和报警传送到上层，并接受上级的控制命令，然后驱动外围控制单元。

同时，车站监控主机接收道岔缺口分机的数据，将数据处理，汇总并在界面上以图形、报表、报警等方式显示，通过网络传送到维修中心服务器中，维修中心服务器处理后，再分别送给维修监控终端以及其它监控终端显示。同时，上级维修监控终端的命令由网络下发给车站监控主机，由监控主机处理后转发给道岔缺口分机处理。

车站监控主机同时负责和智能电源屏数据主机以及CTC电务维修机、计算机联锁维修机、列控中心系统维修机、ZPW2000系统维修机等设备进行数字接口，获取信息并集中处理显示。

2.3 维护中心系统结构

综合维护中心系统是集中监测系统的中心，通过专用网络与各个监测车站进行通信，收集各个集中监测站机的维护维修信息，对于报警信息，及时给出报警提示。同时可以根据用户的不同查询条件形成各种的维护维修汇总报表，便于对设备进行统一维护和维修指导。综合维护中心系统包括应用服务器、维护终端等子系统。

维护终端包括维护中心调度终端、系统维护工作站、调度中心监测终端等。监测终端可根据需要和类型进行部署和配置。电务段监测终端用于电务段人员的人机操作，监测、控制和管理其权限范围内车站的站场信息；各类开关量、模拟量和报警信息；电务测试与维修信息等。

3 功能实现

3.1 数据采集及报警功能

集中监测对开关量在线测量的要求包括按钮状态、控制台表示状态、区间信号机及轨道占用状态、1DQJ状态、功能型继电器状态等。

采样方式主要以接口方式为主：（1）其站场表示开关量等信息来自计算机联锁系统和列控中心系统；（2）ZPW2000A区间自闭系统电压、电流、载频以及低频的测试来自ZPW2000A系统维修机；（3）电源屏电压、电流和电源状态信息来自智能电源屏；（4）外电网质量监测利用专用智能采集器采集；（5）信号机回线电流、交流转辙机功率、道岔表示电压利用专用智能采集器采集；（6）1DQJ熔丝报警的监测采用开入板单独采集。集中监测对模拟量在线监测包括：电源屏电压、电缆绝缘测试、电源对地漏流测试、ZD6道岔电流、交流转辙机功率测试、道岔表示电压测试、信号机回线电流测试、25Hz相敏轨道电路轨道电压、ZPW2000A区间自闭系统电压、电流、载频以及低频的测试等。

集中监测系统按照信号设备报警的危险等级共分3级24项，主要报警信息包括：挤岔报警、道岔缺口报警、熔丝断丝报警、列车主灯丝转换报警、三相电源错序报警、三相电源断相报警、断电监测、电源屏输入电源瞬间断电报警、UM71发送故障报警、UM71接收故障报警、补偿电容断线报警以及模拟量电气特性超限报警等。

系统维护维修信息的汇总和提供给用户多条件组合查询功能便于维护维修工对整个系统的维护和提高故障分析及处理的效率。

3.2 数据处理和控制功能

集中监测系统的数据处理按照处理节点的地位不同可以分为站机、服务器和终端电子系统，每个子系统对数据的处理各不相同。

站机负责监测系统所需开关量、模拟量、报警信息数据的采集、分类、逻辑分析处理、报警输出、数据统计汇总和存储回放等功能，并提供了人性化的人机交互界面，以图形、列表及曲线等方式给电务维护人员提供最有价值的维修状态信息，同时接收用户数据以及指令的输入，实现实时、交互式的浏览和查询。另外，站机作为基层采集和执行单元，维护监控中心及车间监控系统进行通信，通信方式采用TCP/IP协议。站机将车站实时的数据和报警传送到上层，并接受上级的控制命令。

应用服务器管理全段内所辖车站节点及与之相连的各类监测终端。它主要负责与车站及监测终端进行各种业务数据通信、数据处理、数据存储、数据流的调度；掌握所辖各站设备运用状态，并根据测试数据进行逻辑运算和判断，发出合理、适当的指令给各个功能模块，并协调各个功能模块之间的同步工作。与数据库通信，进行数据交换。综合业务服务器应采用双机热备系统以增强系统的可靠性。

监测终端包括城际轨道交通维护中心调度终端、系统维护工作站、调度中心监测终端等。监测终端可根据需要和类型进行部署和配置。电务段监测终端用于电务段人员的人机操作，监测、控制和管理其权限范围内车站的站场信息；各类开关量、模拟量和报警信息；电务测试与维修信息等。

4 采样原理和人机交互界面

信号设备采样一般为实时采样，采样数据一般为电压或电流。下面以信号设备的直流道岔为例，进行详细分析。

4.1 道岔采样原理

直流电动转辙机在分线盘或组合选取动作电流回线，采集原理如图1所示。

图1 道岔电流采集原理图

采用可开口式穿心传感器，彻底与道岔动作电流回路隔离。测试量程0～10A交、直流电流，0～100mA电流线性输出，经滤波电路调理后输出0～20mA电流输出。

每一组道岔动作电流回路对应一个传感器。需要注意的是直流电机的动作回路穿心时是有方向的，电流反向流过穿心孔时，传感器输出为负，经滤波电路后输出为零。

4.2 传感器应用

传感器是物联网数据采集的基础，通过电压传感器、电流传感器和频率传感器可以进行各种电气设备数据的电压、电流和频率采集，然后以总线的形式汇总至通信接口分机，通过终端软件分析显示至人机交互界面。所以传感器的灵敏度和精度直接决定基础数据的准确性，而且会间接影响分析的结果。

例如电流传感器是根据霍尔原理制成的，是一种先进的、能隔离主回路和测试电路的检测元件，克服了传统的检测元件互感器（一般只适用于交流测量）和分流器（无法进行隔离测量）的不足，既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品，如图2所示。

4.3 连接状态

从最底层的道岔电流采集传感器通过485总线传输至道岔采集组合，在组合内部进行运算后得到道岔功率，通过485总线传输至通信接口分机，通信接口分机再分发至监测机柜的采集板并转发至监测主机后进行人机交互界面的显示。上面的数据流程只反映出本地的信息采集、分发、显示。然后通过网络和传输设备传输至远端服务器存储、分析，最后在远端的各个维护终端进行数据维护和远程指挥。

由于有了互联网的支持，从最基础的现场通过传感器采样一组电流数据，到几百公里外以此为基础的分析、指挥，物联网的核心价值得到充分体现，以基层传感器为基础，以网络传输为通道，以远端分析程序为应用的体系正式完成。

图2 电流传感器原理图

4.4 人机交互界面和报警信息处理

铁路信号集中监测物联网技术应用，通过有线网络互联和应用集成以及基于云计算的专家诊断分析等模式，在铁路专网环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、报警联动、调度指挥、预案管理、安全杀毒、远程调阅、在线升级、统计报表、专家诊断、决策支持等管理和服务功能，实现对铁路信号设备的“高效、节能、安全、统一”的“管、控、营”一体化。通过成立的集中监测分析机构，层层把关，实时调阅，远程分析，集中调度，充分利用互联互通技术，将现场设备状态数据通过软件分类显示到各层监测终端。

通过物联网技术的应用，各种信号设备现场信息集中汇总至服务器，每日信息条目达到数万级，对监测数据不仅需要通过软件进行分类分析，为提高分析人员的工作效率，还要根据设备维护标准设置不同的报警门限，以达到系统分级别报警功能。集中监测系统按照信号设备报警的危险等级共分3级24项，根据不同报警等级，在各级监控终端上显示报警窗，便于不同监测人员重点关注信号设备不同等级隐患，指挥现场维护人员执行相应等级的应急操作流程，将设备维护和设备监测工作分开执行，使信号设备维护工作更加细化，充分发挥工业化分类控制思想在铁路设备维护工作中的应用，减少人工成本，提高工作效率。

5 总结和展望

随着物联网技术在铁路设备维护领域的广泛应用，铁路信号设备的集中监测通过各种传感器的设置，已经覆盖了信号设备的道岔、轨道、信号机和相关周边设备。形成了以各种传感器为基础，通过总线传输方式收集数据，经过基层设备的汇总处理，然后再通过网络传输到上层服务器进行分析，最后在人机界面显示后对数据进行分析，分析结果指挥现场信号设备维护工作的一套完整体系。

论文分析了物联网概念和铁路信号设备现状，并将物联网概念融入到铁路信号设备的电气特性监测中，便于远程管理和维护。通过对集中监测结构的分析，体现物联网的结构。通过对集中监测系统原理的描述，具体分析物联网概念的实际应用。并通过具体的道岔采集功能描述，分析数据流向和应用。充分展现物联网实际应用效果。

集中监测系统自建立之初就处处渗透着物联网思想，而物联网建设只是开始，真正要通过物联网采集大量现场数据，并汇总到远端处理。在此基础上的数据分析必不可少，随着大数据分析概念的兴起，以物联网为基础的大数据分析正蓬勃发展。铁路信号设备集中监测在数据监测基础上开发了专家诊断系统，专门针对集中监测收集的数据进行智能分析处理，提供处理意见。通过大数据的分析和电气特性趋势分析，为维护人员提供维护思路，将物联网和大数据分析应用到实际生产工作中。

【1】毛燕琴，沈苏彬.物联网信息模型与能力分析期刊[J].软件学报，2014（08）.

【2】焦景忠，王永光.信号微机监测系统功能发展趋势[J].铁路通信信号工程技术，2009（6）.

【3】李瑶.基于物联网的物流信息系统的设计与实现[D].长春：吉林大学，2015.

图5 吊模安装现场图

图6 传料口、放线孔等预留洞口铁盒子的安装

5 结语

在高层框架剪力墙结构建筑中，现浇钢筋混凝土墙板抹灰时，非常容易造成空鼓、开裂及脱落现象，导致后续整改工作量巨大，致使业主投诉和索赔现象较多，严重影响开发商和建筑施工企业的声誉和形象，通过铝合金模板的使用，会显著提高工程质量，缩短工期，降低施工成本，而且会提高企业形象和增加社会效益。市场前景十分广阔，有助于整个行业的良好发展。

【参考文献】

【1】段媛.房屋建筑施工工程中的地基处理技术探讨[J].山西建筑，2016 (16)：1-2.

【2】蒋铭凯，张振飞，王继红，等.影响房屋建筑施工质量的常见问题及改进措施[J].河南建材，2016(1)：3-6.

【3】孔祥骏.浅谈房屋建筑施工质量的控制策略[J].建材与装饰，2016(14)：5-8.

【收稿日期】2016-06-22

Application of IoT Technology in Centralized Monitoring of Railway Signal Equipment

XIAYu
（Shuo-Huang Railway Development Co.Ltd.,Cangzhou 062350，China）

Io T Technology development is on the rise,and railway signal equipment monitoring has also developed in the context of in formation.Taking Io T Technology as a guide,the paper discusses the applications of Io T Technology in the railway signal equipment centralized monitoring.From the microcomputer monitoring system of railway signal equipment structure,the Io T sensing device of the structure and its principle,and the function by applying the corresponding induction device implements this paper makes an analysis.It introduces the theory of bigdata,looking to the more application functions from Io T Technology in combination with the big data technology.

Io T technology;railway signal;centralized monitoring;sensor;big data

U284

B

1007-9467（2016）08-0254-03

2016-06-12

夏禹（1982～），男，辽宁昌图人，工程师，从事铁路信号监测研究。