基于光纤通信技术的铁路车站信号系统控制方法

邢博

（中铁二十二局集团电气化工程有限公司，北京 102300）

铁路车站信号系统主要实现“建立进路”和“解锁”两个功能。所谓进路，是列车在车站内运行时经过的路径。建立进路就是将进路上的道岔转换到指定位置，然后将该进路的防护信号机开放，引导列车安全经过该路径。在列车经过后，再通过进路解锁使其恢复至初始状态，等待下一次建立进路的指令。由于铁路车站每天都有大量的列车驶入、驶出，因此对信号控制系统的运行稳定性、精确性提出了严格要求。在这一基础上设计一种基于光纤通信的铁路车站信号控制系统，利用光纤在信号传输速度和传输质量方面的优势提高了系统响应速度，保证该系统控制功能的顺利实现。

1 基于光纤通信的铁路车站信号控制系统

以往铁路车站信号控制系统的各个设备之间，使用铜质线缆进行数据传输。由于数据传输容量小、使用成本高，逐渐替换成光纤通信。利用光纤网络将室内控制部分与室外终端设备连接起来，在显著提高信号传输速度的同时，还能降低长距离传输时的信号损耗。确保了控制系统发出的各项操作指令，能够快速传递到终端设备，并准确无误地执行。除此之外，终端设备的状态信息、运行工况等，也会以数据包的形式，通过光纤反馈到控制室，从而形成完整的闭环。使用光纤连接的铁路车站信号系统结构如图1 所示。

图1 基于光纤通信的铁路车站信号系统结构图

2 铁路车站信号系统控制过程设计

2.1 进路控制流程

通常来说，建立进路需要4 个步骤：a.收到进路请求，并判断此时是否属于正常情况下接车；b.根据上一步的判断结果，若属于非正常情况下接车，则执行引导进路、引导总闭锁等操作；若属于正常情况下接车，则建立进路；c.在建立进路环节，操作人员首先利用进路始、末端的按钮来选排进路，目的是确定进路的范围、方向（接车方向或发车方向）和性质（列车进路或调车进路）。然后自动确定与该进路匹配的道岔，同时确认进路开通位置。将道岔转换到指定位置后，此时进路锁闭，信号机发出允许经过的灯光，等到列车驶入该进路。d.列车安全驶出该进路后，执行进路解锁操作，可选择自动解锁或非自动解锁模式。整个进路控制流程如图2 所示。

图2 进路控制过程

2.1.1 选路过程

在选路控制设计中，首先执行多个判定程序，如选路操作是否符合规范、进路是否空闲、进路处于解锁状态等。如果存在任意一个判断程序的输出结果为“否”，则系统给出提示，操作人员做进一步处理；若全部判断程序的输出结果均为“是”，则进入选路主程序。用征用标志R 标记轨道区段，若该轨道区段被占用，则用R1 表示；若未被占用则用R0 表示，此时允许排路。系统自动生成进路表，按照顺序选定进路，若进路解锁则进路表自动删除。系统自动编辑道岔控制命令，并判断道岔当前所在位置与进路要求位置是否一致，若不一致则根据控制命令将道岔转换到指定位置。此时进路的闭锁标志F 置位为0，选路结束，进入锁闭进程。

2.1.2 进路锁闭过程

进路锁闭的作用是确保该进路在解锁前不会被占用，从而保证列车安全驶入和驶出。进路锁闭过程设计主要是检查区段锁闭标志位，设标志位为S，以S1 为区段空闲，以S0 为区段锁闭。具体过程为：执行一个判断程序“F 是否为0”。若判断结果为“否”，则重置锁闭标志；若判断结果为“是”，则进行下一步。继续执行新的判断程序“进路是否空闲”，在确定进路处于空闲状态的情况下，再判断“道岔位置是否正确”，在确定道岔位置正确的情况下，再判断“是否建立敌对进路”，在确定未建立敌对进路的情况下，将进路锁闭，将S 置位为0。同时，信号控制标志P 置位，为开放信号做准备，F 设为1，解除锁闭状态。

2.1.3 信号控制进程

此过程由两部分组成，即信号开放与信号关闭。其中，信号关闭需要满足3 个条件，即信号不满足开放条件、人工取消进路、列车驶过信号机。三个条件均满足后即可关闭信号。信号开放进程较为复杂，主要包括以下步骤：判断是否进入信号控制过程，即P 是否置0。判断满足后，依次执行“进路是否空闲”、“道岔位置是否正确”、“路径是否锁闭”等判断程序。所有程序判断结果均为“是”后，判断信号机的状态。信号机开放前为B0，开放后为B1。若判断B 值为1，则允许接车；若判断B 值为0，则检查信号线路是否完好。若信号线路正常，则允许正线发车；若信号线路故障，则关闭信号。在系统判断允许接车或正线发车的情况下，生成开放信号的命令。

2.2 取消进路和人工解锁

2.2.1 接近区段的设置

进路正常锁闭后，原则上不允许在列车尚未驶入进路前进行其他操作。但是确有其他原因（如操作失误、系统故障等）必须解锁进路锁闭时，需要人工介入操作。出于安全方面的考虑，在人工解锁前要检查列车是否接近进路。如果列车距离该进路仍有较远距离，则可以直接人工解锁；相反，如果列车距离进路较近，则不允许操作人员人工解锁。因此，根据列车行驶速度合理设置接近区段是人工解锁和取消进路的关键。理论上来说，接近区段的长度（L 接）必须以下条件：

L 接≥L 确+L 制

L 确表示列车确认信号时的距离，L 制表示列车制动需要的距离，其关系如图3 所示。

图3 接近距离的计算示意图

实际中，铁路车站进站信号机接近区段长度是相关部门按照列车最高运行时速下的L 确和L 制计算得出的，通常接近区段的长度不低于30m 即可满足要求。

2.2.2 预先闭锁与接近闭锁

当列车接近车站时，为保证列车安全、顺利进站，需要将进路闭锁，防止在此期间因为误操作等原因导致控制信号变更而影响列车行驶安全。进路闭锁控制包含预先闭锁、接近闭锁2 个环节。其中，在防护信号机开放、接近区段空闲时，进入预先闭锁状态；通过取消进路操作可以解除预先闭锁。在防护信号机开放、接近区段有列车驶入时，进入预先闭锁状态；通过人工解锁可以解除接近闭锁。在系统实际运行中，为了能够准确判断是执行预先闭锁程序还是接近闭锁程序，会设计一个接近预告变量J。当该变量复位（即J=1）时，进路处于预先闭锁状态。相反，当该变量置位（即J=0）时，进路处于接近闭锁状态。

2.2.3 取消进路

当进路为“预先锁闭”状态时，车站人员需要同时按下总取消按钮和进路始端按钮，此时信号机会关闭。只要进路处于空闲状态，则该进路的锁闭状态能够立即解除。解除预先锁闭状态后，锁闭变量S 复位（S=1）。取消进路的控制程序为：首先执行一个判断程序“是否取消进路”，若判断为“是”，则依次执行“信号是否关闭”、“列车是否接近”、“本段是否空闲”3 个判断程序。如果判断结果均为“是”，则进路参数全部复位，完成取消进路操作。整个过程如图4 所示。

图4 取消进路流程图

2.2.4 人工延时解锁

正常情况下，操作人员执行了人工解锁操作后，信号机同步响应并关闭。但是在信号机关闭后，会延时一定时间进路才能正常解锁。对于不同线路的列车，设置的延迟时间并不相同。其中接车进路和正线发车进路解锁时，将延迟设置为3min，而对于侧线发车进路和调车进路，将延迟设置为30s。人工延时解锁的实现程序为：依次执行4 个判断程序“解锁操作是否正确”、“是否接近闭锁”、“进路是否空闲”、“信号是否关闭”。均判断为“是”的情况下，启动人工延时解锁指令，正线3min，侧线30s。延迟时间结束后，即可正常完成解锁。此时进路参数重新复位，等待新的控制命令，整个过程如图5 所示。

图5 人工解锁流程图

3 铁路车站信号控制系统的仿真验证

3.1 基于Petri 的模型构建

考虑到铁路信号发生事件具有离散性特点，因此本次实验中选择Petri 网结构模拟仿真铁路信号的操作与执行过程。基于Petri 网构建的铁路车站信号控制模型，用圆形表示状态节点，用矩形表示事件节点。事件节点与状态节点之间采用有向弧连接，由此构成基于Petri 网的信号连锁结构模型，该模型可用于进路选路、进路锁闭、取消进路、人工解锁等系统功能的仿真验证。在仿真模型运行时，命令开始与P0。当接收到P0 指令后，开始进入选路状态，并执行判断程序P1。首先判断命令操作是否合法，若判断结果为“否”，则直接生成操作错误报告，结束程序；若判断结果为“是”，则继续执行下一步骤，转入道岔环节P2。执行“道岔是否与进路要求路径一致”的判断程序，若判断结果为“否”，则将道岔转换到P5 位置；若判断结果为“是”，则继续执行下一步骤，转入联锁条件检查。判断联锁条件是否成立，若不成立则直接终止进程；若成立，则锁闭进路，开放信号。

3.2 分层模型验证

本文设计的铁路车站信号控制模型可支持进路选路、进路锁闭、取消进路等一系列功能的仿真验证。现以进路选路为例，其仿真过程如图6 所示。合适的进路。其中，所有可供选择的进路均存储在记录表中。通常系统会设置一个默认进路，当然也可以通过管理员权限自定义默认进路。在进入进路选路程序后，首先验证默认进路是否空闲；若默认进路已经被占用，则再从进路表中寻找其他处于空闲状态的进路。除此之外，还要判断空闲区段是否解锁或处于未征用状态。以上判断程序只要任何一个输出结果为“否”，则自动退出本次操作，并生产错误报告信息。只有在全部判断结果为“是”的情况下，才能按照程序顺序依次执行，选出合适的进路。最后由T7 结束并转出，进入到下一个流程中。

图6 进路选路过程仿真图

结束语

在铁路车站电气化、自动化装置不断增多的背景下，使用光纤通信能够更好地满足终端控制系统与前端执行设备之间的信息交互，从而提高了系统响应速度、保证了各项控制操作的精准完成。在使用光纤通信的基础上，构建铁路车站信号控制系统，根据预设指令自动完成进路选路、进路锁闭、信号开放、进路解锁、取消进路等一系列操作，一方面能够有效避免因为人工误操作而引发的安全隐患，另一方面也能实现智能化控制，提高整个系统的运行效率。本文设计的一种基于Petri 网的铁路车站信号控制模型，经过仿真实验表明了进路选路、进路锁闭等功能均可以正常实现，为铁路安全运行提供了保障。