试论铁路信号设备的自动化控制技术

海鹏博

（宝鸡文理学院 陕西 宝鸡 721000）

1 引言

铁路信号设备的重要性不言而喻，它是信号、联锁、闭塞设备的总称，是确保列车行车与调车安全和提升铁路通过能力的关键装备。随着技术的进步，现代化铁路信号设备的先进程度也在不断提升。本文主要从集中联锁控制的角度分析铁路信号设备的自动化控制技术[1]。

2 铁路信号设备

铁路信号存在的目的是向有关行车人员和调车人员发出指示和命令，支撑这一目的的就是铁路信号设备，包含了铁路信号指示设备、联锁设备、闭塞设备。从铁路信号的角度来讲，设备的表现类型主要包括视觉和听觉两个部分，如常见的信号机、机车信号机、信号旗、信号牌、火炬、号角、响墩、机车鸣笛等。例如列车进站需要接收进站信号机的指令信号，该信号机主要目的是防护车站安全，指示列车能否由区间进入车站以及确认进站条件，通常设置在进站路线最外方道岔尖轨尖端不少于50 m的地点。当信号机显示红色灯，则不准列车越过信号机停止线，黄色灯光（一个）准许列车经由道岔直向位置进入正线准备停车。黄色灯（两个）准许列车经过道岔侧向位置进入站内准备停车。绿色灯，准许列车按照规定的速度经过正线通过车站。

一条铁路线上拥有多种信号设备，这些信号设备与联锁设备、闭塞设备是联动关系，共同发起铁路信号指示列车。其中，信号设备和联锁设备具有相互制约的关系。就联锁来讲，目前采取集中联锁和非集中联锁两种模式。本文主要分析集中联锁。集中联锁分为继电器联锁和计算机联锁两种。联锁的要求是当开放某一进路，必须先完成进路上所有道岔的调整，保证全部处在正确位置，防护这一进路的铁路信号机开放，当信号机开放通行，则这一进路上的道岔闭锁，同时与该进路敌对的进路可能有若干条，只要有部分重叠或交叉，有可能引起冲突的进路上的信号机则应全部闭锁。

而闭塞设备相对特殊是为了防止一个区间内同时进入相对运行的列车或者避免相向而行的列车发生追尾事故，区间两端车站值班员需在区间发车前办理行车联络手续，支撑这一目的的设备就是闭塞设备，其主要保证一个区间内，在同一时间里只允许一辆列车占用。

3 自动化控制技术

自动化控制技术在早期主要采用接触器、继电器等元器件来实现对电气设备的逻辑控制和自动判断电气设备的机械状况。在微电子技术发展过程中，自动化控制技术也发生变化，传统的接触器、继电器被微电子产品所取代。目前比较主流的装备是PLC（可编程逻辑控制器）和单片机等。其中，PLC是目前自动化控制领域最主要的装备。目前，典型的自动化控制体系是PLC+变频器+电气设备的架构，整个架构为M2M形式，即机器连接机器的物联网结构。但是随着技术进步，M2M连接形式的生产效率进入瓶颈，因而开始寻求在信息物理系统支持下，转型为数字化形式的连接，即IOT。

我国在铁路方面发展已经远超世界上的大多数国家，铁路建设情况、建设技术应用都处在世界领先水平。目前，铁路是我国最安全的运输方式，其安全性主要表现在两个方面，一方面是铁路信号接收的安全性，另一方面则是铁路运输线上的信号接收、发射的稳定性。现代科学技术手段融入铁路信号设备之中，极大地促进了铁路安全运输能力。特别是计算机集中联锁的出现，信号机、联锁设备、闭塞设备的操作难度越来越低，有效降低了行车、调车人员的工作量，增强了行车安全性[2]。

4 铁路信号设备的自动化控制技术

铁路信号设备的自动化控制技术在早期是基于继电器来实现的，与电气自动化控制技术的发展进程相当。随着微电子信息技术的进步，计算机控制技术逐步应用于自动化控制领域，并且成为主流。目前，国内铁路信号设备的自动化控制，分为基于继电器的自动化控制和基于计算机的自动化控制两种情况，当然未来必定全面转型为基于计算机的自动化控制[3]。

4.1 继电器联锁

早期铁路信号设备的自动化控制技术，以继电器为核心，在铁路设备中继电器也是非常基础的设备。常见的继电器有两个部分，包括电磁系统和接电系统。其原理是当继电器工作时，由于输入电流存在一大一小的差异，进而使电磁系统的线圈产生电磁力，从而吸引周围的衔铁，接点系统工作，改变运行状况。换言之，继电器也类似电磁开关装置。在早期使铁路信号设备中使用极多的一种电气元件，也是继电集中联锁中的主要元件，通过继电器控制道岔的转换、信号继电开放和关闭、以及进路的闭锁与解锁等。

基于继电器的自动控制体系下，道岔尖轨转换位置主要利用转辙装置来带动，电动转辙机有电动机带动转辙机，通过控制电动机的继电器来实现正转和反转，进而使道岔具有两种不同的开通位置。

控制电路利用铁路的链条钢轨作为导线，其所构成的电气回路可反映线路和道岔区段是否存在列车占用情况和判断钢轨是否完整。当电流从电路电源正极发出，钢轨流过钢轨，并通过轨道继电器进入另一股钢轨电源的负极。当电流经过继电器时，继电器通电工作，吸引衔铁，后接点断开，前接点闭合，接通绿灯电路，信号机绿灯亮起，表示列车可通行，此时表示轨道区间处在空闲状态。而若轨道区间有列车占用，电流走向则是从正极发出电流经过钢轨、轮对到另一股钢轨电源负极。继电器没有电流经过，因而衔铁释放，前接点断开、后接点闭合，接通红灯电路，红灯亮起，表示列车不得越过信号机停止线。

在集中控制下，车站值班室设置有控制台，其正面装有照明盘、盘面带有全站的轨道平面图和各种进路按钮、道岔按钮、信号控制按钮等。在需要办理进站业务时，只需按压控制台模拟站场图上进路控制按钮，就可将进路道岔转换至规定位置，信号机也联动运作开放。

4.2 计算机联锁

计算机联锁是更为先进的一种集中联锁控制方式，目前采用的全电子计算机联锁设备是铁路信号控制中的新型联锁设备，是利用计算机对车站值班员的操作指令和现场表示信息进行逻辑运算，从而实现对信号机、道岔等控制设备进行集中控制的联锁设备。其具有体积小、能耗低、操作方便、监控完善、故障指示到位、自检索完善等特点，对我国进一步提升铁路运行安全性和可靠性具有重要价值意义。它实现了从有接点到无接点的革新，使联锁设备更加小巧可靠。

作为一种新型信号控制系统，其最大特点是实现车站联锁设备执行层的全面电子化，随着智能化分析技术的应用还能实现智能化。全电子化的执行机构和分布式的联锁机构相结合，构成计算机集中联锁控制体系，主要包括联锁机柜、执行机柜和防护机柜3大模块。其中，联锁机柜包含三重冗余联锁计算机、互为备用的监控以及电务维修机，主要承担自动控制软件的运行，主要功能包括控制指令的下发、系统状态检测和相关运算。执行机柜中，包含智能模块和监测模块，完成软件下发的指令，外部设备状态采集和智能化处理。全站可不用设置继电器，完全由联锁机柜进行集中控制，依据关系处理信号机开放闭锁、道岔的转换以及其他线路信号机的控制。智能模块的加入通过现场执行机构集成的传感器等装置采集的信息进行智能化判断，直接处理命令信息至转辙机、信号机、轨道电路、区间联系电路和电码化结合电路，实现车站、区间之间的联动自动化控制。

计算机联锁控制，以计算机控制技术为关键，以电力电子开关技术为基础，并集成计算机通信、电子信息、传感器技术等实现信号控制联锁。这一系统本质上就是一个基于PLC的自动化控制体系架构。例如K5B计算机联锁设备，使用的是单元控制台，完成对站内设备的操作以及状态显示。在控制台上拥有自回复按钮和非自回复按钮两种，前者包含信号按钮、道岔按钮、半自动闭塞按钮、总取消按钮、人工解锁按钮、引导按钮、道岔单独操作按钮、单独锁定按钮、单独解锁按钮、非进路故障恢复按钮等。后者则包含区段按钮、事故解锁按钮、人工解锁按钮、引导按钮、自动闭塞故障恢复按钮等。其操作方法也相对简单，例如办理以及取消非进路调车，只需按下非进路按钮，系统自动完成非进路选路，选路过程中按钮上方指示灯工作，进路闭锁后停止。再按下按钮使按钮抬起，非进路延时30s解锁，若延时解锁失败，指示灯提示故障，需要按下铅封按钮非进路故障恢复按钮解锁进路。

注意上述自动闭塞，其根据列车运行和闭塞分区情况，对信号机进行自动变换显示，列车只需要凭借信号机的显示进行行车安排。其原理是将相邻车站区间正线划分为若干闭塞分区，一般以1 200～1 300 m为一段，在每个分段起点设置色灯信号机，闭塞分区内轨道上安装有电路，通过电路来监测轨道区间情况，集成在信号机中的控制器直接控制信号机显示。

计算机联锁是目前信号设备发展的主要方向，未来智能化则是研究的主要方向，现阶段还需要完善执行器件的电子化、使系统组成标准化，最大限度发挥所用资源潜力，进一步完善行车、调车、操作、维修的自动化，进一步提升系统的可靠性、安全性[4]。

5 结语

综上所述，铁路信号设备的安全可靠运行对于铁路运行有着巨大影响，作为列车行车、调车的关键手段，确保铁路信号设备安全可靠运行非常关键。通过自动化控制技术可提升铁路信号设备运行的安全性和可靠性，目前有两种控制模式，一种是继电联锁控制，另一种则是计算机联锁控制。本文对这两种控制模式进行了简要分析，明确了自动控制的原理，以求为铁路信号设备后续自动化控制技术的研究提供一些理论参考。