基于有线通信反向传输的光纤信号系统复杂度自动化控制方法

车颜泽

（中国铁建电气化局集团有限公司，北京 100000）

0 引言

光纤信号系统中采用了被广泛应用的信号技术，它可以在光纤信号系统中交换多种信号信息，而实现信号信息的快速传输和自动化控制很大程度上依赖于信号传输设备，所以信号传输设备和自动化控制设备需要具有智能传输、发送和信号信息联网功能，使光纤信号系统的复杂度实现冗余化和自动化，光纤信号系统外的信号配件在符合控制标准的基础上，还要具备自动状态自检功能，以便光纤信号系统的复杂度能够实现自动化控制。

传统的光纤信号系统复杂度自动化控制方法传送信号信息缓慢、容量较小、抗干扰能力较差，无法控制信号系统的复杂度。

基于以上传统控制方法出现的问题，本文提出了基于有线通信反向传输的光纤信号系统复杂度自动化控制方法，采用有线通信技术，利用反向传输特点，提取光纤信号系统的复杂度数据，复杂度数据中包括控制信号数据和系统监测数据，通过这些数据能够掌握信号系统中复杂度的控制情况，对光纤信号系统复杂度数据帧进行分析，从而反馈系统信号装置的状态，方便对其进行检测，最后通过实验验证本文提出的基于有线通信反向传输的光纤信号系统复杂度自动化控制方法的有效性。

1 光纤信号系统复杂度数据提取

光纤信号系统中的终端数据包含多种数据，例如：信号机数据、性质数据、信号方向显示数据、信号机位置数据、信号状态显示数据、信号区段数据、系统复杂度数据等，这些数据统一存储在数据链表结构中，为了提取完整的光纤信号系统复杂度数据，需要将终端数据中的静态数据存放在信号传输设备上，利用光纤信号系统中的存储模块存储相关数据，并根据不同数据存放的位置，制定光纤信号系统复杂度数据提取方式和读取方式。

用一段字符串表示信号系统中的终端设备，终端数据中各个特征数据占用的字符数为，信号机数据：2位，信号性质数据：4位，信号方向显示数据：2位，信号机位置数据：4位，信号状态显示数据：3位，信号区段数据：6位，信号动态数据：2位，系统复杂度数据：2位，空单元数据：4位，终端数据的字符串整体示意图如图1所示。

观察图1可知，这些数据存放的数据链结构中同样包含一些特征属性数据，特征属性数据中的信号定位数据、信号机反位数据、信号首地址数据以及空单元数据均可反映信号系统的复杂度，如图2所示为具有其他特征属性的字符串。

图1 终端数据的字符串整体示意图

图2 具有其他特征属性的字符串

基于图1和图2的静态字符串，结合终端数据存放的数据链结构，通过相应的功能子函数从终端数据中提取光纤信号系统复杂度数据，以及复杂度数据的关联数据，提取时需要进行判定，采用功能子函数判断图1和图2输入的字符串数据是否完整，如果输入的字符串数据出现越界现象，则字符串数据不完整，需要重新输入；如果完整，需要判断字符串数据为动态数据还是静态数据，如果为动态数据，则按照数据提取逻辑来提取光纤信号系统复杂度数据，如果为静态数据，则按照数据提取的先后顺序来提取系统复杂度数据，提取完毕后将系统复杂度数据存放在动静混合数据链结构中，方便静态数组对其进行跟踪。

2 光纤信号系统复杂度数据帧分析

在光纤信号系统运行时，把需要传输的所有周期复杂度数据和非周期复杂度数据按照数据帧格式封装成一个复杂度数据帧，数据帧格式包括帧头、数据帧开始、帧运行、信号传输模式以及每个终端数据在数据链结构中的具体位置、字符串长度、静态数据首地址等。为了提高光纤信号系统复杂度自动化控制方法的稳定性，在传输光纤信号时，发送标准长度的复杂度数据帧，以便周期性复杂度数据和非周期性复杂度数据同时段传输，光纤信号传输时延在这种情况下会保持稳定，如图3所示为一个完整的复杂度数据帧格式，它具有2个帧头和3个信号数据段。

图3 完整的复杂度数据帧格式

图3中，L为复杂度数据帧长度，CHS为求和校验码，其计算公式为：

式中：L为终端数据段号（复杂度数据帧帧头L=0）；byte[i]为一个字符串数据的第i个字节（i=0，1，2，3）。

光纤信号系统在运行复杂度数据帧时可采用校验码验证系统的复杂度，如果验证结果结果显示复杂度数据帧长度有误，则光纤信号系统在运行复杂度数据帧时，需要传输一个帧长度有误的信号，如图4所示，如果验证结果显示复杂度数据帧长度稳定且符合标准，则光纤信号系统不需要传输信号，而是执行自动化控制命令，并发送一个静态数据表示复杂度数据帧没有出现错误。

图4 数据传输错误处理过程

如图5所示，由于光纤信号系统引入了验证机制，系统的处理模块和控制模块建立了全双工光纤信号。

图5 数据传输正确处理过程

按照选择性重传方法对复杂度数据帧进行分析，在同一信号传输时段内传送长度相同的2个复杂度数据帧，前一个复杂度数据帧为后一个的冗余数据帧。

光纤信号系统在对系统的复杂度进行自动化控制时，首先需要使用校验码验证第一个复杂度数据帧的稳定性，如果第一个数据帧没有出现越界，就使用数据帧中的数据，如果出现越界现象，则无法使用系统的数据，如果第二个复杂度数据帧稳定且正确，则使用第二个数据帧，为了确保2个复杂度数据帧的传输时延一致，2个复杂度数据帧需要全部验证后再进行传输，如果2个复杂度数据帧全部出现越界现象，则光纤信号系统需要做重传处理，正常情况下，光纤信号系统的通信链路基本不会出现连续两个系统复杂度数据帧都越界的现象，依次验证数据帧准确性的好处是可以确保周期性复杂度数据帧和非周期性复杂度数据帧都能够稳定传输，节约了重新传输的时间，简化了数据帧分析的过程，稳定性和实时性较高。

与此同时，由于数据帧字符串长度符合标准长度，所以系统复杂度数据帧的传输时延大小保持不变，对系统复杂度数据帧的传输和发送导致字符串长度减小一半，但由于字符串长度比数据帧长度短了一倍，所以不会增加周期性复杂度数据帧的传输时延，也不会影响光纤信号系统的自动化控制性能。

3 基于有线通信反向传输的自动化控制

提取光纤信号系统复杂度数据并分析复杂度数据帧后，提出基于有线通信反向传输的自动化控制方法，根据传输的复杂度数据帧和传输轨迹，采用相应的控制子函数，改变自动化控制输入和输出方式，并进行迭代控制。在采样周期内，经过迭代处理后，可实现光纤信号系统复杂度自动化控制，设计容错控制器Lk（x），保持光纤信号系统处于收敛状态，容错控制器设计方案如图6所示。

图6 容错控制器

其中，R1、R2表示系统状态反馈增益矩阵，该矩阵可以提高光纤信号系统的有效性和可靠性，并降低有无记忆状态反馈矩阵控制的差值，除此之外，基于有线通信反向传输的自动化控制方法需要掌握状态反馈增益矩阵的参数，为了估算（x）和f（x），在控制过程中，定义状态跟踪误差c1、控制估计误差c2、输出控制误差c3、错误估计误差c4：

由以上计算得出的控制误差值和估计误差值判断，当光纤信号系统光纤断裂、控制器控制性能降低、光纤接头配置失误等紧急情况出现时，光纤信号系统是否可以正常传输复杂度数据帧，如果周期性复杂度数据帧的传输时延超过界定范围，基于有线反向传输的自动化控制性能能否受到影响，如果采用一般的自动化控制方法，不能解决以上数据帧越界问题，所以如果光纤信号系统的控制器在采样周期内没有接收到复杂度数据帧，系统的自动化控制性能就会降到最低，如果接收到复杂度数据帧，可以使用连续时间系统模型求取控制方程。

设基于有线反向传输的光纤信号系统被控目标的连续状态方程为：y（x）=cy（x）+Dt（x），控制器的状态跟踪方程为t（h）=-Hy（h），h=0，1，2，…。其中，y∈Mi，t∈Mn。给定传输时段Ra，可将状态跟踪方程离散化，采样周期内由于光纤信号差导致没有接收到复杂度数据帧，因为采用了零阶保持器，信号输入将保持K个周期不传输；这样就可以通过考察m是否大于1来确定光纤信号系统复杂度的自动化控制能力，如果m >1，说明光纤信号系统较为可靠，自动化控制能力较高；如果m<1，则光纤信号系统渐进稳定，自动化控制能力较弱。

4 实验研究

为了验证本文提出的基于有线反向传输的光纤信号系统复杂度自动化控制方法的有效性，将本文提出的控制方法与传统控制方法进行对比实验，由式(3)得到信号系统的控制系数矩阵如式(1)所示：

根据式(1)，可得到光纤信号系统状态曲线，如图7所示。

图7 光纤信号系统状态曲线

当m=6和9时，R1曲线变化小，R2处于跟踪估计状态，R3曲线变化最大，由于R3的数据帧长度最大，所以该状态下的光纤信号系统比较稳定，以R3数据为标准，将本文提出的光纤信号系统复杂度自动化控制方法与传统方法进行对比分析，当时间为2秒时，本文提出方法下的b（x）为0.45，传统方法下的b（x）为0.65，而标准b（x）为0.3，本文提出方法下的b（x）与标准值仅差0.15，而传统方法下的b（x）与标准值相差0.35，数据结果表明，本文提出的光纤信号系统复杂度自动化控制效果由于传统方法，为验证控制效果，进一步进行实验，得到的控制结果如表2所示。

根据表1对比结果可知，采用传统方法的控制效果低于60%，本文方法的控制效果最高可达到95%，最低也能达到90%，本文方法的控制效果最低值也会高于传统方法，由此验证了本文提出的基于有线通信反向传输的光纤信号系统复杂度自动化控制方法优于传统方法，具有更高的有效性和稳定性。

表1 控制效果实验结果

综上所述，本文提出的基于有线反向传输的光纤信号系统复杂度自动化控制方法的能够很好地降低控制过程的复杂度，提高控制效果，实现控制能力。

5 结语

本文基于传统控制方法出现的传输光纤缓慢、信息存储容量有限、抗干扰能力较差等问题，提出了基于有线通信反向传输的光纤信号系统复杂度自动化控制方法。该方法提取了光纤信号系统复杂度数据，并分析了信号系统复杂度数据帧，通过相关算法和系统状态矩阵，实现了对光纤信号系统复杂度自动化控制。最后通过实验对比，证明了本文提出的基于有线通信反向传输的光纤信号系统复杂度自动化控制方法优于传统控制方法，具有更高的有效性和稳定性，能够快速传输光纤信号，扩大信息存储容量，并提高光纤信号系统的抗干扰性能。