区间信号显示逻辑判断软件系统的研发与运用

何白冰，郭建宇

目前，铁路区间信号控制电路由信号电源、灯丝继电器、有关继电器接点、点灯单元、发光盘及连接电缆等组成［1-2］，虽然电路结构简单，便于实现，但不可避免地存在发生故障的可能性，例如，继电器衔铁卡阻、线圈断线、接点粘连、簧片折断；还有连接电缆断线、混线；或者电路中电源干扰、串电等。当条件巧合时，很可能会造成信号错误显示。2018 年12 月，朔黄铁路定州西至定州东上行区间3266 信号机现场试验中，也确实发现过因继电器接点粘连，造成区间信号错误显示的实例。倘若出现信号降级或升级，势必造成行车事故。因此，对区间信号显示的监督，必须引起足够的重视。

在朔黄铁路，区间运用的是UM71自动闭塞系统，并且安装了微机监测和信号设备专家诊断系统，在铁路运输安全中发挥了极大作用。然而，对于信号错误显示，例如继电器接点粘连引起信号显示升级，很难进行分析判断，有些还不能给出报警提示。为此，在原有基础上，研发出了“区间信号显示逻辑判断软件系统”，在尽可能利用既有设备，且不增加太多投资的前提下，及时发现和消除信号错误显示，对预防或减少行车事故，具有实用意义。

1 主要功能

区间信号显示逻辑判断软件系统是对自动闭塞区间信号显示的正确性实时检查核对、智能分析判断，除检查闭塞分区的轨道电路空闲与占用（利用有关轨道继电器接点电路）状态外，再增加提取并分析比对信号点灯继电器接点电路之外的其他信息，如轨道电路中的低频信息［3］、前后方相邻信号灯光显示信息［4-5］等，对信号显示实现多重检查。当发现信号显示不正确时，及时报警并给出指导建议，达到进一步加强行车安全、提高行车效率的目的。

该系统可智能识别区间信号显示故障（升级、降级、灭灯等）并及时报警。其中的计算机仿真技术［6］模拟铁路运行机制，实现对自动闭塞区间信号、轨道电路工作状态和传输信息的实时检查、核对、分析。包括：①区间信号显示与相关闭塞分区顺序占用逻辑关系的一致性检查；②区间信号显示与相关闭塞分区低频信息逻辑关系的一致性检查；③区间同方向信号机前后灯光显示序列逻辑关系的一致性检查。当发现信号显示与逻辑关系矛盾时，可及时报警并给出指导建议。

2 技术方案

2.1 软件系统架构

该软件系统架构如图1 虚线框内所示，它是以知识源、数据库、控制机构3 部份内容为基础，将通过信号图纸数据查询接口和微机监测数据接口统一获取的信息加以应用。信号图纸数据库用来存储信号图符元数据以及信号图纸解析规则，微机监测数据库用来存储安全监测［7］的原始数据；智能分析数据库用来存储设备运用频次、分析结果、故障处理记录等其他数据。其中模拟量分析、链表分析和综合处理作为整个系统的驱动源，可以动态选择和激活适用的知识源。

图1 软件系统架构

2.2 信息采集分析

通过采集到的区间信号机和闭塞分区的实时开关量（包含区间各信号机灯位显示状态［8-9］，各闭塞分区占用、空闲，方向继电器状态［10］等）、模拟量（包含向室外供出的点灯电流、电压，发送器的功出及接收器的接收电压、载频、低频频率等）数据信息，先对实时数据进行数据清洗和筛选，再将延迟的不同步数据进行适当的时间修正。从孤立、断续的海量数据中，抽取出具有分析价值的特征数据。

在系统内部，根据信号显示序列标准、灯光转移要求、码序表等，确立标准显示规则。将实际信号显示与标准显示规则进行比对分析，即对信号显示与轨道占用、低频信息发送及接收、灯光显示序列进行多重检查核对，如发生信号升级（信号机应亮红灯实亮黄灯、绿灯，信号机应亮黄灯实亮绿灯）、降级（信号机应亮绿灯实亮黄灯、红灯，应亮黄灯实亮红灯）、信号机灭灯等故障时，及时报警，并为现场维护人员提供指导建议。

2.3 逻辑功能实现

2.3.1 信号图纸入库

基础信号图纸中包含了信号设备在线路上的摆放位置、连接关系、设备类型［11］等内容，先对铁路范围内信号设备进行了命名规范和矢量图符的定义，然后借助矢量绘图工具将各种信号图纸分解成图符元数据，并纳入知识库中。

在图形绘制时，从知识库中将相应的图符元数据取出放入链表存储，再以计算机技术通过元数据链表，绘制出信号设备图形。

在开关量解析时，也会从知识库中取出相应的图符元数据，将该数据与开关量数据结合为新的元数据，再以该元数据插入链表存储分析。

2.3.2 仿真建模

以图纸数据（计算机中的图符元数据）为基础，根据行车组织规则生成信号模型，向模型中输入仿真数据；根据设备与图符的对应关系规则可以在仿真控制台上显示设备运用过程；通过相应逻辑关系分析达到校准信号模型的作用。

本系统通过进路表模型、开关量模型、模拟量模型等共同组成信号模型，以其各自模型的属性值承载仿真数据，从而生成带有仿真数据的模型链表。

2.3.3 接入实时数据

由于系统传输的数据量较大，为保证数据的稳定性和实时性，系统间采取了数据更新传输机制，既有开关量状态更新时，只传递更新部分数据，作为数据校验每分钟传送一帧全体开关量，模拟量数据每秒钟传递一次，并专门进行数据格式匹配。

2.3.4 逻辑关系分析

如图2 所示，系统先从实时数据中分离出开关量和模拟量数据，然后根据仿真控制台的低频码序及信号机灯光显示序列表进行序列识别。识别依据为通过列车运行前方区间轨道电路的占用与空闲情况，以及轨道电路中传输的低频信息，再根据序列识别情况，对设备动作做出预判，并与后续收到的动作数据进行比对。比对结果一致的可以认为是正常过车，结果不一致的记入链表做进一步分析。

图2 逻辑关系图

例如，列车运行前方，所有区段均为空闲状态，系统检测到列车先压入第1 个区段时，第1 架信号显示红灯，低频信息发红黄码。再压入第2 个区段时，第2 架信号显示红灯，低频信息发红黄码；随后出清第1个区段后，第1架信号显示黄灯，低频信息发黄码。当列车压入第3 个区段时，第3 架信号显示红灯，低频信息发红黄码；随后出清第2 个区段，第2 架信号显示黄灯，低频信息发黄码；第1 架信号显示绿灯，低频信息发绿黄码。同时与后续收到的实时数据比对，以此类推，仿真控制台对每一次过车均实时比对分析，如果结果一致，则认为正常过车，如果不一致，则记入缓存做进一步分析。

2.3.5 链表分析

序列分析中，对从实时数据中解析的设备动作与模拟动作比对不一致的结果，系统继续观察本次过车的数据情况，如果数据情况正常，则可认为本次为数据丢失或错误导致，如果数据情况也不正常，则发出设备报警。

例如，列车运行前方，所有区段均为空闲状态，系统检测到列车先压入第1 个区段时，第1 架信号显示红灯，低频信息发红黄码。预判该列车即将压入第2 个区段，而后续并没有收到第2 个区段的开关量占用信息，却收到了第2 架信号的红灯开关量。此时系统继续分析第2 个区段的移频接收器模拟量，若发现该区段接收电压在第2 架信号红灯前就低于工作值了，相当于轨道电路故障，则认为本次开关量数据丢失。这样，能进一步保证判断结果的准确性。

3 应用效果

该软件系统是对信号显示状态的监督分析，其采集、分析、输出电路，与信号控制电路有良好的物理隔离措施。在数据采集方面，系统与微机监测共享且只单向接收监测数据，与互联网隔绝［12］，可有效防止互联网病毒和攻击；系统终端需经过认证后才可与服务器通信，系统服务器硬盘构成磁盘阵列，数据均加密存储，可有效保障数据机密性和安全性；即使本系统故障，也不会干扰其他系统工作。

系统运用过程中形成的新经验、新知识可经过规定的程序补充到知识库中，不断完善系统的故障分析能力，不断提高预报警分析和故障指导的准确性。当车站出现设备改造，包括设备更新、行业技术管理标准的调整修改等情况时，均可进行相应的维护，以保证系统运行环境与设备实际情况相一致。系统的预报警，以“气泡”的形式在站场图中指向相应的信号设备，点击“气泡”后可直观迅速的回放故障现象，并为现场维护提供针对性的指导建议。

本系统进行了多次的现场试验验证，特别是2020 年11 月在灵寿站进行了专项测试试验，逻辑判断报警结果及时准确。目前该系统已在朔黄重载铁路上安装使用。