李绍斌1，李文涛2
（1.北京交通大学电子信息工程学院，北京100044；2.中国铁路总公司电务部信号处，北京100844）
摘要：传统的铁路信号系统中的信号点灯控制系统采用集中控制的方法，由于没有使用微处理器，不便于实现故障的自诊断等有用的技术。因此提出一种新颖的方案，将LED信号灯进行网络化控制，每个LED信号灯集成一套具有双网热备通信功能的嵌入式微处理器系统。这套LED系统由安装于室内的智能信号机控制器集中控制，智能信号机控制器接收来自微机联锁系统的信息，执行点灯命令，反馈灯丝继电器信息。该方案可提高铁路信号系统的智能化程度，使信号的电缆使用量大幅度下降，系统可维护性和可扩容性显著提高。
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关键词 ：网络控制；LED；信号控制；铁路信号系统
中图分类号：TN911.7?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0156?04
收稿日期：2015?01?25
基金项目：国家自然科学基金项目（61050001）
0 引言
在传统的铁路信号系统中，信号开启与关闭采用集中控制的方法，即每个信号灯分为供电和可控制两个部分，供电为现场供电，而信号的控制信号，则是通过线缆都需引入控制室集中控制[1]。无论是早期的6502 继电联锁，还是最新的微机联锁系统，信号机控制系统普遍采用继电电路的硬开关，实现信号的开启和关闭。在这种架构下，每个信号机控制单元都采用专门的电缆和室内相连，通过室内电路继电器的组合来控制信号灯开启和关闭。这种传统的信号灯控制方式，每个灯位的控制信号都需引入控制室，虽便于管理，这样会导致信号系统电缆部分投入和施工量较大，并且维护成本和强度较大；同时，由于已布好的线缆不便于调整，使得系统的扩容和改造很不方便[2?3]。
随着现代计算机技术及通信技术的发展，铁路信号正朝着智能化、网络化和数字化的方向发展；针对这种发展方向[4]，本文提出并实现了一种新颖的基于网络信号的控制方案，即采用网络化的结构来控制信号机的开启和关闭。这样可大大提高铁路信号系统的智能化程度；同时，控制信号承载在英特网协议中传输，减少信号的电缆使用量，大大提高系统可维护性和结构灵活性，而且非常有利于今后系统扩容和设备升级。本方案通过对现场信号设备的智能化和模块化设计，使信号设备在现场构成网络并将控制信号承载在英特网协议之上，所有信号设备的控制由网络完成。这种信号机的智能化设计方法，可以做到站场内的全部信号机的控制信号，通过以太网接入到控制室，在控制室内，通过用通信电缆与室内的信号设备连接，实现控制，同时控制信号灯LED显示方式，大大提高了系统的可靠性。
1 系统整体方案
信号机中灯位的控制采用嵌入式系统实现，并具有网络通信功能，其中信号机功能及网络结构图如图1所示。
图1中上半部分为室外设备，包括信号机和双网热备通信电缆，使用以太网连接，这也是现代信号控制发展的方向[5]。对于通信电缆长度超过4 km的站场，还包括双网通信智能中继控制器。每架信号机中的各个信号灯都是一个独立的网络节点，都有独立的网络地址，地址可由位于灯后壳的DIP 开关或是烧入软件时实现设置。接入网络的每个灯位，都可以通过网络汇报自己的健康度和系统自检结果，以供控制机完成健康度汇总分析，同时控制机通过网络控制完成全系统的故障自诊断与故障定位，这样可进一步提高系统的可靠性；对于出现健康隐患的信号灯，站场维护部门可根据控制室的汇总报表定期对设备进行硬件维护和更换。
如图1所示，每架信号机中的几个灯位都采用双电源热备供电。图中下半部分为室内设备及其连接关系，室内设备安装于一个标准机柜中，机柜中的设备包括二乘二取二机柜一个或多个（根据站场大小而定），监控工控机2 台，其中有1 台为冷备机，用于主机故障时候使用。
图1 所示信号机中的每一个灯位都由一个信号智能控制单元和一个LED发光盘组成。如果信号机的架数较多时，可以根据区域分布将相近的信号机组成一个局部网络，即一个组，形成子网，然后通过子网向上层网络汇聚数据。对于同一个组中的所有信号机由智能中继控制器管理；智能中继控制器通过接收上级智能桥接控制器的指令来控制本组中信号设备的工作，并实现信号汇总和传输；指令由通信数据包传输，每个数据包包含寻址的设备地址和控制信息。
智能桥接控制器是智能信号控制系统的核心，各组的智能中继控制器通过第二级网络与智能桥接控制器连接。它可将计算机联锁系统中输出的点灯信号控制信号进行逻辑分析，转换为智能控制网络的控制信息，实现对智能中继控制器的管理，最终实现对现场所有信号机的控制。智能桥接控制器通过网络采集所有信号机的工作状态，传输到信号机系统故障定位及分析单元，用户可以通过终端查询不同故障级别的信号机的分布及健康度。同时，系统也可以自动报警，以提示健康度超限的信号机进行维护，同时将报警信息传输到车站值班室。信号机的控制信号来自联锁系统，智能桥接器可实现联锁系统发出的信号继电器逻辑进行分析转换，通过现场网络传输。
本设计在提高铁路信号系统的智能化程度的同时，使信号的电缆使用量大幅度下降，系统可维护性和可扩容性显著提高。同时，为提高可靠性，本方案中，加入了“信号灯健康度”统计量，“信号灯健康度”主要针对LED信号灯，即LED 信号灯中可正常工作的LED 发光管数目占发光管总数的百分比。为了获得信号灯健康度数据，集成在信号灯中的微处理器需要准确识别LED 发光管中短路（击穿）和开路（烧断）2 种故障，并进行统计，给维护部门提供更换依据。
2 系统关键技术
2.1 二乘二取二系统主备系统
二乘二取二系统是本设计的功能核心。二乘二取二系统接收微机联锁系统发来的点灯逻辑，传送到两系热备的控制机，控制机主机解析点灯逻辑，翻译成网络命令发送给现场的信号灯位，信号灯位反馈回网络状态和健康度；同时控制机分析灯丝继电器逻辑，然后通过二乘二取二系统反馈给微机联锁系统。整套系统替换现有的信号机及点灯逻辑电路后，不改变微机联锁系统的任何操作，所以微机联锁系统感知不到新系统的启用。按照网络理论可表达为“智能信号机系统对微机联锁系统是透明的”。为了不影响微机联锁系统的驱动与采集，系统与微机联锁系统的信号传递采用了全物理隔离，即信号继电器的磁隔离，进一步提高系统安全性能。在本设计中，二乘二取二系统通过控制机实现，主要包含以下4部分：
（1）信号辅助继电器逻辑处理单元：智能信号控制系统的核心，它可将计算机联锁系统中输出的点灯信号进行逻辑分析，转换为智能控制网络的控制信息，最终实现对现场所有信号机的集中控制；
（2）智能桥接控制单元：通过网络采集所有信号机的工作状态和健康度信息，并实现对网络的管理和维护，包括灯位的入网、退网、脱机、故障及监控AB双网的智能切换。
（3）信号机系统故障定位及分析单元：通过智能桥接控制单元接收网络上信号灯的健康度信息、故障自诊断信息、网络注册节点信息，AB网在各个节点的故障情况，将上述情况进行汇总分析，给出综合报警信息，通过邮件报表方式传送给维护部门。
（4）人机接口单元：包括强制倒机切换按钮和监控机系统。强制切换按钮完成二乘二取二的主备系统的硬切换，主要用于出现紧急事故时或网络控制系统出现故障时，为保证行车安全，而进行的硬切换。
2.2 信息的采集和驱动
在设计中，本智能控制系统通过对信号继电器接点的采集，将采集信息输入智能控制机，通过控制机的逻辑分析判断，输出控制命令，从而完成对信号机的开放。信息采集具有以下几个特点：
（1）为减少对原系统的干扰，采用和原联锁系统的无缝连接，所有采集的接点全部为信号继电器的空结点。
（2）为保证信息采集的可靠，对采集每个信号继电器的接点均采用其上下都采集，这样可防止由于继电器接粘连而可能出现的信号升级显示，降低了信号虚假信号的误判率，提高了系统安全性。
在设计中，由于实际上已经取消了继电点灯电路，原灯丝继电器实际也已经不复存在，但由于微机联锁系统仍然在采集灯丝继电器的信息，为减少改动微机联锁系统软件带来的麻烦，设计中仍保留了“灯丝继电器”，并通过智能控制机输出驱动信号使其按照原逻辑吸起。灯丝继电器信号驱动电路如图2所示。
在驱动电路设计时，需要考虑向前向后兼容性，因此，驱动电路具备以下几个特点：
（1）继电器没有使用动态继电器，而是采用普通继电器，考虑到双机切换时，为保持继电器不至于落下，选择了具有缓放功能的继电器。
（2）由于没有采用动态继电器，为保证驱动的安全和可靠，对所驱动的灯丝继电器采取了回采的办法，出现驱动和采集不一致时，立即使该继电器落下，保证故障安全，提高了系统可靠性。
（3）对于一些老车站的信号灯设备，本系统可以较好的实现向下兼容。
2.3 LED信号发光盘
传统的色灯信号灯采用白炽灯作为光源，由光源、集光器、反射镜、色镜及用于形成光分布的透镜组成。由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间，因此需要用反射器将其他方向上的光收集起来投向要求的区域。传统的色灯信号灯的缺点是寿命短，仅1 000~3 000 h；耗电量大，通常要用25 W；光亮效果差，形成可靠光源的结构复杂，焦距调整麻烦；主灯丝断丝不能报到具体灯位，不便维护的缺点尤为明显[6?7]。
本设计采用LED 光源，具有普通LED 信号机的所有优点，如节能、长寿命等，并特有LED发光管短路、断路的自诊断功能和保护功能，并由此可以计算“信号灯健康度”。每个灯位的健康度信息可通过网络传输到控制机。此外，信号灯系统具有系统及网络故障自诊断和故障定位功能，故障信息可通过网络传输到控制机，包括信号的开启关闭状态、工作电流状态、温度状态、湿度状态等。本设计中的LED发光盘为带有智能控制芯片的LED发光盘，每个发光盘有地址拨码开关，相对应于每个信号机灯位，具有固定的地址码，为防止更换发光盘时地址码拨错，在地址码上方具有易于识别的液晶显示对应的数字。同时，LED 能够具有短路断路报警功能，其LED 发光管选用了高亮度低功耗的发光管。本设计所选的LED 灯源外壳为金属外壳，强度高，散热好。对应的2个接线插座分别是电源插座和双网通信插座，LED发光盘和线缆的连接采用航空插头，方便维护更换。图3为LED 信号灯机构的设计及LED 信号灯的机壳机电路系统。
对于LED 灯控制方面，控制系统可对微机联锁系统送来的点灯逻辑信号进行合法性检查，如有非法码则导向安全显示。可诊断信号继电器的上中下触点同时粘连的故障和悬空故障，并自动导向安全。该系统的控制机采用双网控制，无扰切换，可实现故障自诊断，具有历史纪录查询和回放的功能。
2.4 电源模块设计
LED发光盘的点灯电源为高可靠的开关电源，考虑到现场电源可能出现波动，采用了宽幅和抗浪涌的工作的电源，在输入交流电为85~265 V时，均能保证可靠工作。为进一步保证系统可靠，该开关电源设计为双套热备，任何一个的故障，无论开路、短路，均不影响发光盘的点亮。开关电源的接线采用冷压接头连接。
2.5 微机联锁系统的接口
本设计在完成系统安装后，在控制室首先关联的设备是微机联锁系统，为使智能信号机系统不影响微机联锁系统，信号机系统对点灯逻辑信号的采集和灯丝继电器信号的驱动都采用继电器在中间隔离[8]。为不影响微机联锁系统的安全性，智能信号机系统只采集微机联锁信号继电器的空端子，这样可以保证通过继电器隔离的方法传递信号。采集和驱动隔离方式如图4所示。
图4中虚线为隔离线，可以看出微机联锁与智能信号机系统之间没有导线的连接，实现了物理隔离。上下接点同时采集可以判断，中接点和上下接点同时粘连的情况，但对于中接点和上下接点单独粘连的情况则无法判断。对于驱动的灯丝继电器的各种接点粘连则全部能够判断。为了防止智能信号机驱动灯丝继电器信号时对微机联锁造成影响，使微机联锁系统只采集灯丝继电器的空端子，这样保证了智能信号机系统和微机联锁系统没有导线的直接电气连接，如图5所示。
3 系统自身安全性分析
智能信号机系统本身的安全性保障采取多个安全措施，保证了系统自身的安全性[9?10]：
（1）控制机采用故障安全的动态电路采集微机联锁送来的信号；
（2）控制机采用三取二逻辑进行点灯逻辑的计算；
（3）控制机采用硬件防死机技术，保证系统不停机；
（4）系统采取双网热备通信，保证通信安全可靠；
（5）信号灯控制板也采用了硬件防死机技术，保证系统受到干扰后不停机；
（6）大量采用了软件和纠错校正冗余技术，保证系统的容错性能。
4 结语
本文提出一种新颖的方案，将LED 信号灯进行网络化控制，每个LED 信号灯集成一套具有双网热备通信功能的嵌入式微处理器系统，由安装于机械室内的智能信号机控制器集中控制，智能信号机控制器接收来自微机联锁系统的信息，执行点灯命令，反馈灯丝继电器信息。本设计可提高铁路信号系统的智能化程度，使传输信号的电缆使用量大幅度下降，系统可维护性和可扩容性显著提高。
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作者简介：李绍斌（1969—），男，云南昆明人，高级工程师，研究生。研究方向为交通信号与控制。李文涛（1967—），男，山东济南人，教授级高级工程师，研究生。研究方向为铁道信号。