铁路信号系统室内智能试验仪的研制

蒋先进，范建伟，蒋淮申，韩志鹏

（中铁电气化局集团有限公司，北京 100036）

1 现状

信号系统是铁路（地铁）线路中非常重要的控制系统，其对系统试验的完整性、安全性及设备安装精度等要求较高，信号调试质量的好坏将直接影响整个系统是否能够安全可靠的运行。以往在每条线路的联锁集中站系统联动试验前，均需在信号设备室内加工一套现场临时试验盘（由板材、按钮、灯泡、线缆等材料制作而成），模拟轨道电路、信号机、道岔、站台门、扣车、紧急关闭等各种设备状态，用以测试联锁、ATP、ATO 等子系统的基本功能。受现场条件所限和每个设备集中站站场结构布置不一致因素影响，临时试验盘存在制作周期较长、无法通用、功能简单、故障率高等缺陷，严重制约室内模拟试验的顺利进行，且资源浪费较大。为此，中铁电气化局集团有限公司组织研发了能够覆盖目前国内各主流信号制式的智能试验仪。该试验仪为分布式结构，按轨道电路、信号机、道岔、接口柜等不同用途进行模块化设计，各模块可独立工作,也可以任意组合工作。

2 系统架构

为充分满足信号系统模拟试验的需求，试验仪按功能分区分布式架构进行设计，共分为上位机人机交互控制软件、信号机功能模块、道岔功能模块、接口柜（驱动和采集）功能模块、轨道电路功能模块、综合模块、路由模块等7 个功能分区模块，各功能模块可根据不同站场需要增减，自由灵活的组建网络，保证试验工作的快速、准确、高效。系统架构如图1 所示。

图1 试验仪系统架构Fig.1 System architecture of tester

功能分区模块就近设置于分线柜/综合柜/接口柜，与机柜端口相连接，通过无线Wi-Fi 或网线在路由模块进行信息集成，HMI 人机交互界面反馈道岔、信号机等接口设备的实时状态，仿真控制轨道电路和其他驱动继电器的吸起和落下，检测驱动与采集回路配线正确性和设备工作状况。系统电源采用信号设备室最方便采用的直流24 V 作为工作电源。

3 模块工作原理及功能

3.1 信号机模块

3.1.1 模块结构及原理

信号机模块结构如图2 所示。

图2 信号机模块结构Fig.2 Structure of signal module

1）MCU 数据处理单元：通过单片机群组的多个I/O 口进行信号机各点位的信号采集。

2）信号采集单元：兼容国铁信号机220 V/地铁110 V 工作电压，采集信号机灯位点灯模拟信号，经采样、光电耦合隔离后转换为单片机可接受的5 V I/O 数字信号。

3）电源转换单元：外部输入电源直流24 V 或交流220 V，提供MCU 等各单元工作电源。

4）网络单元：使用Wi-Fi/网线进行数据通讯，保证信号机模块与平台主机能够正常无线/有线网络连接。

3.1.2 模块功能

信号机模块设置在分线柜，在信号采集单元内置元件可以仿真室外信号机点灯回路，针对国铁/地铁信号机各灯位显示状态进行实时采集，回路电流调整在120 ～150 mA 之间，满足灯丝继电器工作要求，并将采集数据传递给上位机。

3.2 道岔模块

道岔模块结构如图3 所示。不同点在于此模块内置二极管等道岔转辙机外部表示回路仿真模块，采集道岔表示电路经BD1-7 变压输出的交流110 V模拟信号，转换为单片机可接受的5 V I/O 数字信号，经MCU 数据处理单元处理后回传上位机，实现道岔表示状态的实时显示。

图3 道岔模块架构Fig.3 Architecture of switch module

3.3 轨道电路模块

轨道电路模块结构如图4 所示。针对铁路/城市轨道交通线路中ZPW-2000A 型无绝缘轨道电路、25 Hz 相敏轨道电路、单轨条式50 Hz 相敏单轨条轨道电路等各种制式的轨道电路，信号驱动单元能够完成轨道占用/出清状态进行实时驱动控制，并与上位机命令绑定、单点驱动、状态保持等功能。以ZPW-2000A 无绝缘轨道电路为例，现场试验是在综合柜轨道电路的发送端和接收端之间接入，通过命令控制回路的通断仿真列车在轨道上的占用和出清，利用上位机的编程功能，可方便的对多个轨道电路进行逻辑控制，实现列车在进路上的自动连续运行仿真控制。

图4 轨道电路模块架构Fig.4 Architecture of track circuit module

3.4 接口柜模块

接口柜模块结构如图5 所示，信号驱动、采集单元能够模拟联锁计算机实现对接口柜连接的继电器驱动和状态采集功能，实现信号机LXJ、LJ、UJ、ZXJ、YXJ、DXJ 及道岔DCJ、FCJ、SJ 等不同继电器吸起/落下驱动控制，采集相关继电器接点状态并回传上位机进行实时显示，可高效完成室内接口柜相关回路的试验验证工作。

图5 接口柜模块架构Fig.5 Architecture of interface cabinet module

信号驱动单元对应接口柜驱动32 位计算机插头，32 位接口有两种命令输出方式：一种是1-16左右布局的24 V 成组输出方式，如图6 所示，另一种是1-2 上下布局的24 V 成组输出方式。地铁较多采用左右布局，国铁较多采用上下布局方式，试验模块按1-2 一组的上下布局进行设计，对于左右成组的线路，试验时模块本身无需改动，将输出线缆另一端的插头顺序改变即可实现两种设计思路的通用化。

图6 信号点位分布及驱动原理Fig.6 Signal point distribution and driving schematic diagram

信号采集单元对应接口柜32 位采集计算机插头，采集电源有内部输出共线逻辑回路检查、外部输入共线逻辑回路检查两种方式，如图7 所示，模块统一设计为外部送电检查，逻辑回线单独设置，按实际配置使用。1 个驱动插头对应2 个采集插头，目的是对联锁A 机、联锁B 机采集回路实现一次性试验验证。

图7 信号采集示意Fig.7 Schematic diagram of signal acquisition

3.5 路由模块

路由模块结构如图8 所示。主要功能是采集汇总各模块的信息，与上位机进行通信，平台主机与其他功能模块间通信以Wi-Fi 为主，距离较远时采用网线通信，采用网线+电源线（网线电源综合线）的方式实现通信连接和功能模块供电。

图8 路由模块架构Fig.8 Architecture of routing module

各功能模块除了通过路由模块供电外，也可就近在机柜上取24 V 供电。

3.6 道岔动作检测模块

本系统设计有道岔动作检测模块，在联锁模拟试验完成后，将三相交流电检测模块置于分线柜道岔回路，试验道岔动作回路时可检测动作回路的三相电源电压、相序，提示道岔动作定/反位信息，确保室内道岔所有回路试验正确性、完整性。

3.7 HMI上位机软件

软件功能如下所示。

1）用户管理：用户分为管理员和用户两种类型，管理员拥有增、删、改、查用户信息和管理线路、联锁区等板块的权限；用户仅拥有联锁区管理、数据、日志等板块权限。

2）通讯管理：通过TCP/IP 通讯协议，动态赋值IP 地址和端口号，连接平台主机，实时展示通讯连接状态，以及连接失败代号和原因。

3）线路管理：增、删、改、查本地数据库中线路信息，线路信息由线路名称、规格制式、地理位置、全长公里、车站数量等相关信息。

4）联锁区管理：联锁区与线路为N:1 对应关系，通过信驱采HMI 对联锁区信号设备进行绘制，将预制信号设备通过拖、拉、拽方式，快速布局、绘制信号联锁模拟实验界面。各信号设备能够进行自定义调整，如：信号机设置色灯数量、颜色等。

5）数据统计：通过接收平台主机传递的所有接入信号设备实时状态，使用固定格式表格的形式，按照信号设备-序号的ASC 顺序排序，实时展示信号设备状态。

6）试验日志：日志系统，以联锁区为单位记录信号联锁模拟试验的所有操作，记录内容不限于：联锁区、信号设备编号、信号设备类型、试验用户、试验时间、试验结果等信息。

7）模拟运行：在站场HMI 界面上，通过预设信号设备编号以及运行时间等相关信息，按照预设信息进行带驱动逻辑的命令集发送，用于动态模拟试验。

8）驱动采集对比试验：在HMI 界面上，接口柜模块的驱动和采集以32 针插座为单位集中显示，可以进行单独驱动命令发送，外部继电器接点状态变化实时反应到界面上。

9）系统驱动、采集状态变化到显示的时延小于1 s，界面刷新无闪烁。

4 使用效果

信号系统室内智能试验仪截止到目前已经在重庆4 号线、10 号线，深圳2、8 号线和北京16 号线、川南城际等线路进行了现场应用，通过与原有模拟试验盘从前期准备、站场制作、终端接配、调试实施、效果检查、资源利用等多个方面进行对比，在工效、周期、灵活性、可靠性等方面都处于完全优势，对调试进度、质量检查、效果验证、成本控制有了较大提升。

5 结束语

信号系统室内智能试验仪将先进的计算机控制技术、自动化技术应用到信号系统施工调试设备中，用先进的装备完成施工安装、调试等主要工序，实现高效率、高质量、高安全性的施工调试模式，大幅降低了信号系统的调试时间，用科技、创新思维引导信号系统调试装备往高精度、自动化、智能化方向发展，更好地推动了轨道交通行业信号系统调试技术的发展。