一种道岔综合监测系统的硬件设计

隋功浩 齐小民 彭军民

随着铁路高速、高密度行车区段不断增加，为确保行车安全，对道岔性能与状态稳定性要求越来越高，人工维护维修负担也越来越大。为此，特开发了一种道岔综合检测系统，可对室外道岔设备实施工电一体化的综合实时监测，对道岔状态进行智能诊断，并进行状态趋势分析预报，实现了道岔设备状态监控，保证了行车安全。

1 道岔综合监测系统组成

道岔综合检测系统 （TIMS）主要由室外部分和室内控制部分组成，如图1所示。室外部分包含检测传感器部分和轨旁箱。安装于轨旁箱内的机匣是道岔监测系统的现场处理单元，负责现场状态数据的实时采集、缓存、预处理、协议打包，并与室内控制部分进行通信，现场处理单元由4块采集板、1块监测分机板 （MPU）、电源板和防雷板等组成。

图1 TIMS系统组成框图

室内控制单元由接口转换部分、中心服务器组成。通过光纤或者既有的双绞线进行室外轨旁箱和室内通信，室内的接口转换部分将通信数据转成以太网数据，通过网线送到中心服务器。中心服务器选用高可靠性的工控机，道岔检测系统的用户界面安装在服务器上，采用自动触发采集或者人工触发采集模式，从分布在道岔轨旁的轨旁箱收集传感器信息，对接收到的数据进行逻辑处理和分析，根据分析结果进行警告、预警、趋势分析等。

检测传感器部分包括位移、振动、湿度、温度等传感器，以及收集转辙机缺口信息的图像传感器。考虑到铁路现场的电磁干扰比较严重，传感器优先选择0～20mA的电流型，传感器信号通过差分信号传输，对干扰有很好的抑制作用。

2 硬件设计组成

现场处理单元通过采集板收集各种传感器的物理信息，通过监测分机板打包处理，再通过不同的通信接口送到室内主机记录分析。现场处理单元和通信接口是硬件设计的重点。

2．1 现场处理单元

采集板、监测分机板 （MPU）、防雷板、电源板插在轨旁箱的现场处理单元内，在电气接口上，不同的板卡通过插针的形式和PCB背板进行可靠的连接。采集板和监测分机板之间通过CAN总线进行传输。

采集板分时采集多路传感器的0～20mA模拟信号，电气框图如图2所示。在采集板上将电流信号转换成电压信号，经过 MCU的A／D转换、MCU微处理器对数据处理分析及协议打包，最终以CAN总线的方式将传感器信号传输至MPU板。

图2 采集板电气框图

转辙机GAP图像数据通过CAN总线传输到机匣背板，MPU板卡的主要功能是通过CAN接口处理采集单元的传感器数据和GAP图像数据，如图3所示，经过微控制器的数据处理，打包分析，将现场的状态数据以光纤或者双绞线通信的方式发送到室内车站控制单元。数据在上位机进行记录分析，当数据异常时，给出报警信息。

图3 MPU板电气框图

MPU板卡在逻辑上位于采集板卡和室内主机中间，起到中转站的作用，除了完成数据处理外，还要完成通信协议转换。MPU板卡分别提供以太网电平接口和LonWorks网络接口，数据传输方式灵活，可以通过更换MPU板卡适应不同的通信接口。

2．2 通信接口

由于我国铁路光缆网没有覆盖道岔设备，因此现场数据网络多采用成熟的现场工业总线，利用既有信号电缆，满足数据从专用光缆到信号电缆的实时传输。系统可以提供光纤、DSL、LonWorks 3种高、中、低速通信模式，既可以通过光缆与区间道岔数据采集结点通信，也可利用一对普通信号电缆实现车站内的现场数据通信，可根据实际工程情况选用性价比最优的通信方案。

2．2．1 光纤通信模式

光纤通信支持多模光纤和单模光纤。采用单模光纤作为传输介质时传输距离可以长达几十千米，通道速率可以达到100Mb／s。对于新建车站，可以预先铺设光缆，作为道岔监测系统的预留通道，实现轨旁箱监测信息的高像素视频信息的传送。室内采用光纤端口的以太网交换机，将多个轨旁箱的信息通过光纤传输到中心服务器。

2．2．2 DSL通信模式

对于较大车站，最远道岔到达机械室的距离要达到几千米。以太网传输采用网线传输时，由于双绞线的最大传输长度为100m，满足不了通信距离的要求。因此，采用一对DSL设备进行通信距离延伸，如图4所示，在轨旁箱侧和交换机旁布置DSL设备，利用站场内预留的一对双绞线，可以达到 （1Mb／s）／2km的传输指标，可以实现图片或普通视频信息的传送。

图4 DSL通信组网图

图5 LonWorks通信组网图

星型结构是目前应用最广、实用性最好的一种拓扑结构，传输介质是常见的双绞线和光纤，担当集中连接的设备是具有双绞线RJ45以太网端口，或者各种光纤端口的集线器或交换机。系统的光纤通信和DSL通信都采用了星型总线。

2．2．3 LonWorks通信模式

一个铁路车站的道岔分布比较分散，呈片状分布，通常难以通过单一总线连接所有轨旁箱。LonWorks现场总线是由美国Echelon公司推出的局部操作系统，支持自由拓扑结构，并且不需要DSL设备做距离延伸，设备成本更具有优势。使用Doubly总线拓扑时，可以达到 （78kb／s）／2．7km的传输指标，使用现场双绞线／电力线时，传输距离有所下降。如图5所示，上行线和下行线的轨旁箱分别通过LonWorks总线连接，中间通过室内的网络路由器桥接，将LonWorks总线上的数据转换成以太网协议数据，通过网线传输到中心服务器。

3 结束语

道岔综合检测系统采用模块化的设计，机匣可以通过扩展采集板卡灵活扩展检测点的数量，提供了灵活的通信接口，适应不同的现场情况，并且可根据用户需求进行定制。维护人员在远程端可以全面、实时的掌控道岔实际运用状态，提前预警各项参数变化趋势和异常状态，克服人工定期巡视无法实现的实时性和趋势预警，提高运输效率，保障行车安全。

［1］ 徐祯 ．铁路道岔综合监测系统研究［J］．郑铁科技通讯，2010（2）．

［2］ 曹均平 ．高速铁路道岔监测系统现场监测单元的设计与实现［D］．西南交通大学硕士论文，2007．

［3］ 刘克强 ．高速客运专线道岔监测系统研究及应用［J］．中国铁路，2009（4）．

［4］ 张华 ．道岔状态监测系统的研究［J］．铁道通信信号．2008（11）．