铁路车站信号联锁试验模拟装置的研究与实现

杨贵，贾亚红

（1、2，中国铁路太原局集团有限公司 安全监察大队，工程师，山西临汾，041000）

铁路信号系统是车站的重要设备之一。目前国内铁路建设加快，现场信号设备联调联试工程量巨大。在日常施工过程中，施工单位在安装信号设备后，都需要对室内设备进行全方位的试验［1-4］；铁路运营单位也会组织技术人员进行联锁关系试验［3］。

传统的信号系统模拟试验盘，是由三合板加装钮子开关、按钮和指示灯制作而成，用于模拟车站的室外信号机、转辙机、轨道电路的状态，整体外观和布局需要根据不同的车站进行定制化设计［1-3］。这类模拟实验盘简单粗糙、功能不全、可靠性差、工效低、不可重复利用，很难完成充分全面的联锁试验，不便于推广［4-6］。参考文献冯景文等人研究方向局限于针对室外设备状态仿真，未完全实现对动作过程的模拟［1］。参考文献谷胜元等人则提供了一种带上位机和数据库的系统，能够实现对车站联锁试验的过程记录和分析，但也未实现对室外信号设备功能的全部仿真［2］。同时现场接口联调联试80%的工作量都花费在带电的接口试验过程中［2-7］。

本文通过运用通信技术、嵌入式技术、电力电子技术等方法，研究信号系统室内外结合的特点，融合不同设备接口，设计了一种便于现场使用的铁路车站信号联锁试验模拟装置。该装置能够克服传统模拟盘的弊端，在车站施工过程中，能够替代室外全部真实信号设备，协助现场作业人员尽快完成上电测试、接口调试和联锁试验，减轻工作强度，提高试验效率。

1 系统结构分析

在车站联锁施工中，设备安装后，必须进行带电测试，以确保设备功能和性能。整体信号系统主要由人机交互层、室内微机室、室内机械室和室外设备层组成，接口情况如图1 所示。本文设计的联锁试验模拟装置提供标准接口，分别与室内机械室信号设备进行连接。

图1 系统接口架构示意图

1）人机交互层：一般由工业控制机组成，完成车站场场的显示。针对新建高铁车站，计算机联锁人机界面及操作方式则统一参考技术条件《车站计算机联锁操作显示技术规范》（TJ/DW188-2016）（铁总运［2016］147号）进行设计［2-3］。

2）室内微机室：放置联锁机柜，包括联锁主机和I/O驱采模块。主要功能是实现车站整体联锁逻辑，逻辑关系符合国家标准《计算机联锁技术条件》（TB/T3027—2015）的要求［4］。

3）室内机械室：包括接口架、组合架和防雷柜。具有接收联锁命令，并按照一定顺序进行动作，输出和采集相关设备状态的功能。目前，大多数车站使用的是安全继电器，少数新建车站开始使用全电子的执行机柜［5-8］。

4）室外设备层：包括道岔、信号机、轨道电路。根据车站站场大小，设备数量和规模，合理确定室内机械室组合及试验模拟装置配置数量。

5）临时设备接口层：本试验模拟装置主要用于临时协助施工单位和铁路电务人员完成信号系统室内调试和联锁试验，在完成功能和性能联调联试后即去除。该部分接口与室外一致，可由室内防雷柜直接接入，并甩开室外的控制电缆。

2 系统功能设计

2.1 系统组成主要包括控制主机、电源模块、室外设备仿真模块、信号仿真设备状态控制和显示模块、通信模块等5 大部分（见图2），采用模块化设计，构成信号联锁系统室外真实电气设备的仿真模型。

图2 试验模拟装置系统组成示意图

2.2 系统硬件设计

1）控制主机。采用高性能嵌入式主机，具有高运算性能，支持开放的、可升级的32 位嵌入式WINDOWS CE6.0 操作系统。控制主机提供USB 接口，直接通过U盘将配置的站场数据导入后，就能够自动生成和车站站场相一致的站型图形，并在高清显示终端进行展示；同时通过通信模块能够完成对本试验模拟装置的整体控制，用于实现转辙机、信号机和轨道电路的状态设置。其中高清显示终端，尺寸为24 英寸，最大支持1 920×1 080 P 高清显示，满足现场显示需求。

2）通信模块。支持多种通信方式，并采用光电隔离技术，提高系统抗干扰能力。通信模块通过RS-485通信与室外设备仿真模块进行通信，采用主从应答方式，用于控制设备各个模块状态。通信模块与驱采模块连接，用于采集按钮开关和钮子开关的状态，从而识别出现场人员的设置意图，并将该信息传至控制主机。驱采模块主要用于现场人员设置现场各个仿真设备（转辙机、信号机、轨道电路）的实时状态。

3）电源模块。本试验模拟装置使用交流220 V市电，其他模块用电（DC24 V、DC5 V）均从内部直接转化，现场使用非常方便。整体正常工作状态额定功率不大于300 W，耗电量较小。

4）转辙机仿真模块。能够仿真出多种如交流五线制S700K、ZDJ9、ZYJ7 系列和直流四六线制ZD6等系列转辙机的基本功能和性能［7］。能够模拟转辙机的动作过程和表示电路，并通过采集控制电缆的电压、电流、相序和相位等信息，测试室内控制电路组合配线是否正确。例如转辙机表示电路由表示变压器、二极管、300Ω电阻和内部接点组成，当道岔密贴，表示正常时，在分线盘上测量五线制道岔控制电路表示状态时，其正常表示电压极性和数值是，定表：X1（或X4）+、X2-，直流19～22 V、交流55～65 V；反表：X3+、X1（或X5）-，直流19～22 V、交流55～65 V。针对三相交流转辙机原理的仿真表示、仿真动作电路分别见图2和图3。

图3 表示电路简化原理图

图4 动作电路定操简化原理图

以上转辙机仿真模块，不仅提供了转辙机的四开、定位、反位等状态信息，并且接受控制电路输出的驱动电流，提供一个大约在2 A 左右、持续时间10 s 的动作曲线，仿真出转辙机电机的定操和反操过程，能够测试出室内控制电路是否正常，提供参考故障点信息，并在高清显示终端进行展示。

5）信号机仿真模块。国铁信号机电路，基本框架大同小异，其原理一般都是双线控制，主要是驱动电压和额定电流有所区别［7-8］。目前本模块提供单相交流220 V 和直流24 V 两种的模拟负载，并在控制回路中串可调电阻和继电器可控节点，现场施工人员可以根据实际信号机的类型定制，灵活配置模拟负载的额定电流值，可控范围在10～800 mA，并仿真灯丝断丝等功能。

6）轨道电路仿真模块。本仿真模块与室内输出的电缆直接相连，并在回路中串接可调电阻和继电器可控节点，用于仿真调整钢轨之间的电阻和状态［5］。该模块可以根据控制主机的命令，自动模拟出各个轨道区段的占用和出清的顺序，从而模拟出列车的行驶过程。

2.3 系统软件设计

1）软件需求分析。本装置的软件需要完成车站站场仿真和控制逻辑，需要安装于高性能嵌入式主机之内，具体的功能需求见表1。

表1 功能需求列表

2）软件的实现。本软件设计需满足嵌入式主机的运行要求，先利用VS 2005 进行界面框架开发，逻辑采用UML 建模方法，尽可能地简化软件规模，整体功能满足模块化设计。该软件由人工采集车站站型和数据后，自动配置相关数据即可完成，并通过USB 导入至控制主机，基于通用WINCE 平台即可使用，界面显示满足1 920×1 080分辨率要求。

3 系统试验

3.1 系统现场试验在改造施工过程中，当室外设备还未安装或还未进行带电测试的时候，首先对室内的信号设备功能进行验证，是非常重要的，也是现场提高联调测试重要的环节。本装置的研制与现场的需求紧密结合，通过前期调研，已在某铁路局内新建车站现场构建了试验平台，该装置工作适应温度范围为-40℃～70℃，湿度范围为≤95%（25℃时），气压范围70～106kPa，占地面积不大于20 m2。通过现场测试，相比较传统方式，提高了测试效率，大概节约了1/3 的现场调试和验证试验的时间，随着现场人员对装置使用熟练程度提高，节约的时间也会进一步加大，具体本装置使用的流程如图5所示。

图6 设备现场使用流程图

3.2 系统主要特点

1）本装置上电后，一键开关机，现场使用方便。其各模块采用独立式设计、装卸便捷，与室内接口使用万科端子，接线简便，利于维护检修，实用性、经济性、和推广性较强。

2）本装置的显示界面和仿真设备数量，与现场保持一致，可灵活配置，能够根据不同需求进行定制化设计。

3）本装置突破传统模拟盘的功能，在满足原功能的基础上，补充了既往装置缺乏强电动作过程的仿真，确保了仿真系统能够与真实现场设备保持完全一致。

4）本装置提供了模拟行车的过程设计，能够自动配合铁路电务人员进行联锁关系试验的验收过程，相较于传统人工操作，缩短了试验时间，提高了联锁试验的全面性和准确性。

5）本装置的室外设备仿真模块通过采集电缆输出的电压、电流、相位和相序等电气特性，能够分析出室内控制电路的故障点，协助施工单位快速查找设备故障点，能显著节省调试时间，缩短车站施工工期。

6）本文研究内容符合铁路未来发展趋势，对于提高铁路技术水平，确保信号设备发展具有积极意义。

4 结论

本文针对目前铁路车站信号联锁试验模拟装置存在不足，着眼于提升模拟联锁试验的可靠性和实效性，立足于契合现场客观需求的迫切性和创新性，研发了一种新型铁路车站信号联锁试验模拟装置，经实际使用检验达到设计预期，证明本装置具有提升试验效率、减轻劳动强度、便于养护维修、适用环境宽松、可以重复使用等特点，不仅在既有线日常施工、维修进行信号联锁试验时运用该装置可以取得较好效果，更为显著的是在加快铁路新线建设的新形势下，新建铁路类似工作运用该装置对于提升线路质量、压缩建设成本和确保工期控制都具有积极作用。本装置的深入研究对于提高车站信号系统的新建、改造、大修和联锁试验的整体管理水平有重要意义。