CXG-hk型基于光通信站间安全信息传输设备的研究

张义敏

(中国铁路哈尔滨局集团有限公司计统处，哈尔滨 150006)

1 概述

CXG-hk型基于光通信站间安全信息传输设备（简称传输设备）是以通信技术、铁道信号控制技术及信息安全技术为基础，通过模数-数模转换，利用光纤（或光通道）替代传统电缆传输原有电路电源条件铁路站间信息的传输介质，实现铁路站间信息安全传输的专用设备。可用于传输64D继电半自动闭塞、自动站间闭塞和站场间的联系信息，但不限于以上3种信息。

2 工作原理

传输设备的基本工作原理包括模数和数模转换两个过程，即源站的模拟量转化成数字量的过程和目的站数字量还原成模拟量的过程。第一个过程，源站传输设备采集到本站所需传递线路继电器接点状态，把该接点信息转化成数字信号（开关量），按照站间通信协议对数字信号进行信息安全编码处理，满足系统安全性要求，通过光传输通道传送给目的站；第二个过程，目的站传输设备将接收到的站间安全信息按照协议进行解码，实时还原成相应的继电器状态信息并通过安全驱动电路及结合电路驱动相关继电器动作，从而完成站间信息传递的全过程。

3 系统总体结构

传输设备采用2取2乘2双系冗余结构，两系互为冗余。系统正常运行时，两系以并联方式独立工作，无需切换，无信息交换。当两系中的一系发生故障时，另一系可做到自动“无缝”切换，保证系统正常工作。其中一系正常工作，即可保证整个传输设备系统正常工作，但须及时维修故障系。其硬件结构如图1所示，主要包括以下4部分。

图1 CXG-HK型基干光通信站间安全信息传输设备硬件结构框图Fig.1 Hardware structure of CXG-hk inter-station security information transmission equipment based on optical communication

1）双主控单元：主控单元1（2取2结构）和主控单元2（2取2结构）；

2）双输入输出单元：安全型输入输出单元1和输入输出单元2；

3）双通信单元：具有双系切换功能的通信单元1和通信单元2；

4）双通道接口：专用光纤接口（光纤modem）1和专用光纤接口（光纤modem）2；或光通道接口（E1接口）1和光通道接口（E1接口）2。

3.1 主控单元结构

图2 主控单元结构框图Fig.2 Structure of main control unit

以单系2取2为基础的主控单元并联组成乘2型双系冗余系统结构，主控单元结构如图2所示。两个单元主控电路的硬件结构及原理完全相同，两个主控分别进行自检，独立工作。并通过故障继电器接点实现双系互检，无其他物理信息交换如总线接口。

源站传输设备主控单元（单系）的功能如下。

1）采集源站线路继电器接点状态（电源条件）。

2）对采集到的继电器接点状态进行信息编码。

3）通过现场控制总线（CAN）将编码的信息传送给通信单元，进行信息传送。

4）显示设备状态或系统故障报警信息。

5）通过管理单元（SUPU）向信号集中监测或其他系统传送设备状态，包括故障信息。

目的站主控单元的功能如下。

1）通过现场控制总线（CAN）接收源站信息。

2）对源站编码信息进行解码，实现信息还原。

3）根据还原的站间信息，驱动相应执行继电器。

4）采集所驱动继电器状态，以判断继电器的动作是否与系统计划输出指令一致，实现闭环检测。

5）显示设备状态或故障报警信息。

6）通过管理单元（SUPU）向信号集中监测等其他系统传送设备状态，包括故障信息。

3.2 输入(采集)单元结构

输入（采集）单元设计为安全电路，任一元器件故障均会导致输入信息脉冲的中断，确保信息输入安全，其结构如图3所示。

图3 输入（采集)单元结构框图Fig.3 Structure of input (acquisition) unit

3.3 输出(驱动)单元结构

传输设备目的站最终输出是通过安全型驱动电路驱动安全型继电器。与输入单元类似，设计的核心思路是电路中任一元器件故障均会导致电路无输出，确保继电器的状态处于安全侧。

输出（驱动）单元结构如图4所示。

图4 输出（驱动)单元结构框图Fig.4 Structure of output (drive) unit

3.4 通信单元结构

通信单元结构如图5所示，其主要功能如下。

图5 通信单元结构框图Fig.5 Structure of communication unit

1）通过现场控制总线与主控单元进行信息交换；

2）通过RS-232接口与邻站进行信息交换；

3）显示通信单元状态及故障报警信息。

4 软件设计

传输设备软件设计及编码采用模块化、结构化及标准化设计，并采用SVN系统进行版本控制，规范软件设计开发流程。注重软件测试工作，建立详细完善的测试系统，组织专业人员分别进行白盒和黑盒测试，对软件进行详细系统的测试。特别是故障-安全方面，仿真各类故障，反复确认输出结果的准确性。并在实验室内部不间断模拟进行与64D半自动闭塞系统结合的实际运行试验，验证系统的关键指标。

4.1 数据包流向

源站传输设备数据包发送给目的站，或经中继站发送给目的站，数据包单向传输流向示意如图6所示。

4.2 软件总体结构

图6 数据包单向传输流向示意图Fig.6 Illustration of packet one-way transmission direction

软件分为3部分，即控制模块、传输模块和综合管理模块，分别实现控制功能、通信功能和状态信息管理功能。具体如图7所示。

图7 软件总体结构Fig.7 Software architecture

5 传输设备与64D结合电路设计

按照相关技术条件要求，站间安全信息传输系统在应用于64D半自动闭塞时，应采集和输出车站闭塞电路ZDJ和FDJ继电器接点条件。因此，CXG-hk型基于光通信站间安全信息传输设备与64D半自动闭塞结合部分的电路只改变原线路继电器电路，其他均保持与原64D定型电路不变。具体采取两种改进措施。

1）利用站间安全信息传输设备，实现基于光通道的电源条件信息传输。

2）电源供电（KZ和KF）改由本站电源屏提供。

该电路新增加5个继电器，具体名称及用途如表1所示。

表1 新增继电器名称及用途表Tab.1 Name and use of newly-added relays

电路简要说明如下。

a.电源混电防护措施

在线路继电器电路中，发送电路仍由BZ和BF提供，接收电路供电改由本站提供（KZ和KF）。为避免由于操作不当，造成两路电源反接，导致闭塞电源断路器脱扣落下而影响半自动闭塞的使用，特在接收电路中串入ZDJ和FDJ后接点，保证在本站ZDJ或FDJ吸起的情况下，即发送电路动作时，KZ和KF电源不会接入到接收电路中，从而防止两种电源混电。

b.本站线路极性状态采集（发送电路）

鉴于ZDJ和FDJ没有足够的空闲接点可供采集，因此在发送电路中，通过将ZDJ及FDJ的前接点接入到BZXJ和BFXJ的励磁回路（BZ和BF）中，通过检测BZXJ和BFXJ的前接点，完成本站线路极性状态采集。

c.安全信息输出闭环检测

主要指LZXJ和LZFJ的闭环检测功能，即通过对安全信息输出继电器前接点进行采样，验证安全信息输出状态。若站间安全信息传输设备输出信息与回检状态不一致，则故障继电器落下，系统报警。

6 结束语

CXG-hk型基于光通信站间安全信息传输设备通过中铁检验认证中心的型式试验，并于2011年2月通过原铁道部审查，获得上道应用许可。截至目前，该系统在哈尔滨铁路局及越南统一线铁路均有应用，系统运行稳定，安全性和可靠性高，得到广泛好评。