行车控制类中心设备接入下的铁路信号集中监测系统设计

贺昌寿，王 磊，尤 刚

（1.中国铁路成都局集团有限公司，四川成都 610000；2.成都地铁运营有限公司，四川成都 610000；3.四川网达科技有限公司，四川 成都 610000）

现有的铁路信号监测系统无法实时监测铁路局中心和铁路列车段中心的相关信息。针对此问题，文献[1]提出了基于无人机三维影像技术的铁路信号设备自动巡检系统。文献[2]结合人工智能技术设计了高速铁路信号系统。

基于以上研究成果，该文设计了一种基于行车控制类中心设备接入下的铁路信号集中监测系统。该监测系统汇集车载信号和地面信号，集中分析列车运行数据和运行状态，实现铁路信号集中监测系统与网络服务器的互联互通。

1 铁路信号集中监测系统硬件设计

该文设计的铁路信号集中监测系统硬件结构如图1 所示。

图1 铁路信号集中监测系统硬件结构

1.1 电源电路设计

在监测系统的电源电路中，内部基准电压设定为2.5 V，外部基准电压为3 V，内部基准电压的温度漂移最大值为15×10-6℃，具有720 μV 的分辨率，在0～60 ℃温度范围内，内部电压漂移最高达1 500×10-6V，即15 mV，当铁路信号要求具有较高的精度和温漂时，可采用内部基准[3-7]。由于铁路信号在监测过程中，可能会受到一些噪声影响，所以需要对监测系统的电源电路进行优化设计，将噪声对铁路信号的影响降到最低。电路中引入一定量的电源抑制器，对输出驱动器电源进行去耦处理，为了避免驱动器电源上的噪声干扰电源电路，需要对电源电路作去耦处理，该电源电路具有20 μF 的钽电容和200 μF 的陶瓷电容，电源电路的引脚用50 μF 的电容去耦[8-9]。

除噪声因素外，还应考虑输入放大器对铁路信号的影响，电源电路中的放大器需要具有低噪声和低失调电压，为铁路信号的传输和监测提供缓冲，因此该电源电路中配置的放大器具有较低的失调电压漂移，最高为1.2 μV/℃，失调电压的最大值为45 μV[10-12]。

1.2 采集器设计

监测系统的采集器选用三星公司生产的SD7392，该采集器内部配置了多通道双极性转换器，转换器采用了互补双极型工艺，能将较多的铁路信号链路功能集成在采集器芯片内，以提高其性能。该转换器是高精度、16 通道、8 bit 逐次逼近型转换器，内部配置了3.5 V 基准电压源和基准缓冲器，具有较低的功耗。采集器结构如图2 所示。

图2 采集器结构

由图2 可知，该采集器具有较高的采样精度和采样速度，每通道的采样速度能达到512 ks/s，其基本特点是8 通道单极性，输入阻抗高；通过引脚设置输入电压值为3.5 V；高速采样速率为512 ks/s；除了以上特点外，该款采集器的输入频率为80 kHz，信噪比为65.3 dB，具有丰富的外设和外部接口，接口包括并行接口、串行接口、SPI 接口和USB 接口，当电源电压为3.3 V 时，采集器的采样速率为256 ks/s，消耗的功耗为100 mW。采集器每条通道的采样速率为256 ks/s，能同时触发内部配置的转换器和处理器，通过其USB 接口和SPI 接口获得铁路信号输出数据，在256 ks/s 采样速率下最大功耗为185.3 mW，在休眠模式下，最大功耗为12.4 mW。该款采集器可以实时采集行车类数据、信号监测数据、道岔数据以及信号机数据。

1.3 单片机设计

监测系统的单片机选择三星公司的SY8529，该单片机可通过A/D 转换采集铁路信号，并将其存入缓存区，根据网络通信协议将铁路信号数据发送到铁路现场总线上。单片机的芯片选用TI 公司的TS796 芯片，采用半双工通信方式，在1.8～3.3 V 电压范围内工作，可将低电平转换为高电平，内部配置了寄存器、接收器和监测器。寄存器的输入端与串行通信接口连接，接收器的输出端与并行通信接口相连，单片机的输出端为接收器的输入端。当寄存器的输入端为逻辑0 时，单片机可发送铁路信号，接收器处于发送状态；当寄存器的输出端为逻辑1 时，单片机内的接收器处于接收状态，可实时接收外界发送的铁路信号。单片机的片上集成了一个高效的16位A/D 转换器、一个增益放大器和一个驱动器，数据的转换方式可通过放大器来控制。在系统复位后，单片机的默认方式为双端输入，监测器的监测范围包括联锁、闭塞、TCC、RBC、TSRS、电源屏、DMS、机车信号远程监测系统、铁路列车区间监控等信号设备。

1.4 报警器设计

报警器采用TCP/IP 协议进行串行通信，该款报警器选用TD 公司的TD8773，报警器内部具有消息处理状态机制、一个中断报警器和一个电源报警器。该款报警器最高可支持25 个通道，含有一个8位寄存器，可用作下个传输计数，消息处理状态机制可进行数据发送和接收过滤，列车在行驶过程中产生的各种状态信息可通过消息处理状态机制进行发送和处理，并可同时存储48 个消息对象，铁路信号数据和消息对象可临时存储在消息RAM 中。

中断报警器具有16 个优先级，可同时处理4 个中断源，对每个中断源可进行优先定义，能够驱动寄存器快速输入中断请求，中断请求可能来自报警器的外部引脚或内部外设，电源报警器集成了一个振荡器和一个定时器，电源报警器可向监测系统提供26 个外设时钟和8 个可编程时钟，可编程时钟可支持报警器的外设[13-14]。在充分获得行车类数据、信号监测类数据、基础设备（道岔、信号机）数据的基础上，实现以下几个智能化报警：

1）区段占用信息智能化报警：联锁系统、TCC、轨道电路、RBC 系统、CTC 系统；

2）联锁进路与RBC 系统接收SA 智能化报警；

3）联锁进路与RBC 系统接收MA 逻辑智能化报警；

4）TCC 进路信息和联锁进路信息智能化报警；

5）车站联锁执行TCC 进站信号机降级命令智能化报警；

6）TCC 码序与联锁信号逻辑智能化报警；

7）各子系统间连接状态的综合智能化报警；

8）相邻站TCC 方向智能化报警；

9）TCC 与联锁线路方向信息智能化报警；

10）TCC 邻站邻接区段占用逻辑智能化报警；

11）区间信号机与区间方向的智能化报警；

12）具备条件下，实现信号显示与区段发码的智能化报警。

另外，针对采集器采集到的相关信号监测类数据，报警器可以实现联锁进路与RBC 系统接收SA 智能化报警、各子系统间连接状态的综合智能化报警、相邻站TCC 方向智能化报警、区间信号机与区间方向的智能化报警[15-16]。

2 铁路信号集中监测系统软件设计

该文设计的行车控制类中心设备接入下的铁路信号集中监测系统的软件流程如图3 所示。

图3 行车控制类中心设备接入下的铁路信号集中监测系统软件流程

首先对采集设备进行初始化。由采集设备向网络通信设备发送连接请求，连接完成后，采集设备再向网络通信设备发送注册请求，网络通信设备接收注册请求并建立连接[17]。建立连接后，采集设备先不发送列车运行状态消息（包括列车运行数据与故障数据），待网络通信设备向其进行询问，采集设备接收询问消息后进行响应，开始上报列车运行过程中的所有状态信息，网络通信设备连续发送4 次询问消息没有得到响应，网络通信设备自动中断网络连接，自动屏蔽采集设备已经发送的重新连接消息，网络通信设备接收到采集设备发送的列车运行状态消息后，向其发送接收确认消息，回复确认并发送握手信号，采集设备回复握手信号。

然后，网络通信设备每隔2 min 向采集设备发送握手信号，采集设备接收握手信号并回复报文信息，如果网络通信设备连续发送3 次无响应，则网络通信设备认为网络中断，断开与采集设备的连接，等待采集设备再次发送连接和注册请求，在等待请求的过程中，网络通信设备可采用TCP/IP 网络原则判断当前列车的运行状态，并将当前轨道电路频率解调的结果传送到列车控制中心进行处理。在文件基础上，作质量分析。对单个设备生成质量评价指标、趋势曲线，该指标是设备维护的参考依据。

最后，在采集设备和网络通信设备通信中断期间，采集设备保存通信中断期间的故障数据并记录通信中断持续的时间，在通信重新恢复后，由网络通信设备向采集设备发送通信中断故障信息询问报文，采集设备接收报文信息后，将保存的故障数据、中断持续时间以及通信恢复的状态信息全部发送给网络通信设备，由网络通信设备一并上传到列车总控制中心，列车总控制中心分析并处理故障数据和列车运行信息。

3 实验研究

为了验证该文设计的行车控制类中心设备接入下的铁路信号集中监测系统的有效性，将传统监测系统与该文监测系统进行实验对比，实验结果表明，RBC、TSRS、DMS、机车信号、CTC/TDCS 等信号设备状态信息与传统信号监测系统所监测的信号设备状态信息在同一时间窗内。

传统监测系统监测过程稳定性如图4 所示。

图4 传统监测系统的稳定性

该文监测系统监测过程稳定性如图5 所示。

图5 该文监测系统的稳定性

根据图5 可知，该文提出的监测系统监测稳定性更好。传统监测系统在2 min 内能够监测8 路铁路信号，而该文设计的监测系统在2 min 内可以同时监测12 路铁路信号，证明该文设计的监测系统可以在较短时间内监测多路铁路信号。这是因为该文设计的铁路信号集中监测系统采用网络通信设备智能化诊断故障信息，通过车载信号监测设备实时监测列车运行过程中出现的异常数据，通过接入行车控制类中心设备实现车载信号设备维护信息的集中监测，指导现场设备维护工作，其具有较好的有效性、稳定性和可靠性。

4 结束语

行车控制类中心设备接入下的铁路信号集中监测系统接入了车载信号设备、地面信号接收设备、行车控制类中心设备等，实现了铁路信号集中监测系统数据与网络服务器的互联互通，对列车运行过程中产生的各种状态信息能够及时处理和响应，通过汇集车载信号设备和地面信号设备，实现了铁路列车运行数据和运行状态的集中控制，具有很好的实际应用效果。