楊吉，許慶陽，段賀輝，劉曉亮

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司電務檢測研究部，北京 100081）

0 引言

鐵路信號基礎設施系統(tǒng)復雜，關聯(lián)因素多。為保障列車運行安全、提高作業(yè)效率，一般采用電務檢測車對信號軌旁設備進行動態(tài)檢測，為信號系統(tǒng)的安全評估和養(yǎng)護維修提供數(shù)據(jù)支持［1］。典型的電務檢測車采用25T客車車體，配備通信、信號檢測系統(tǒng)各1套，采用與客運車輛聯(lián)掛或單機牽引的方式進行作業(yè)，具備在160 km/h的速度下雙向檢測能力［2］。

電務檢測車裝備的鐵路信號檢測系統(tǒng)（簡稱既有檢測系統(tǒng)），用于動態(tài)條件下判別鐵路信號軌旁設備的工作狀態(tài)［3］。分析現(xiàn)有作業(yè)模式下典型的信號檢測系統(tǒng)存在的問題，提出一種鐵路信號動態(tài)自動檢測系統(tǒng)（簡稱自動檢測系統(tǒng)）。該系統(tǒng)車載端和地面端通過寬帶無線網(wǎng)絡保持準實時連接，并進行數(shù)據(jù)交互，同時提高車、地設備的可靠性，可完善監(jiān)控和自校準能力，在準無人值守狀態(tài)工作。

1 既有檢測系統(tǒng)存在的問題

既有檢測系統(tǒng)一般由軌道電路檢測子系統(tǒng)、補償電容檢測子系統(tǒng)、牽引回流檢測子系統(tǒng)、應答器檢測子系統(tǒng)、環(huán)境視頻檢測子系統(tǒng)、綜合分析子系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。各子系統(tǒng)檢測分機通過傳感器實時采集沿線各設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)信號調(diào)理和數(shù)據(jù)解析后，發(fā)送給綜合分析子系統(tǒng)。綜合分析子系統(tǒng)承擔著數(shù)據(jù)歸集、處理、存儲，檢測數(shù)據(jù)展示及分析，檢測任務控制，系統(tǒng)異常事件報警以及系統(tǒng)維護等工作［4］。

圖1 電務檢測車既有檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

既有檢測系統(tǒng)由檢測人員隨車操作，檢測人員主要任務包括：根據(jù)檢測計劃對系統(tǒng)進行配置，對實時里程坐標進行校準，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)并處理系統(tǒng)異常，分析檢測數(shù)據(jù)并在檢測完成后出具報告。在現(xiàn)有作業(yè)模式下典型的信號檢測系統(tǒng)存在以下問題：

（1）設備監(jiān)控功能不完善，同時缺乏異常狀態(tài)的自校正功能，一旦出現(xiàn)問題即需人工介入。

（2）綜合分析子系統(tǒng)承擔著系統(tǒng)維護、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)控等多種任務，結(jié)構(gòu)復雜可靠性較低。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，檢測數(shù)據(jù)就會丟失，導致漏檢。

（3）檢測人員的核心工作是分析檢測數(shù)據(jù)，需具備一定的工作經(jīng)驗，但其主要精力卻消耗在監(jiān)控系統(tǒng)、校對坐標等非核心工作上，造成人力資源浪費。

（4）檢測任務時間長，運行距離遠，且相當一部分作業(yè)在夜間進行。部分檢測人員每年出差時間超過200 d，且在列車振動、噪聲環(huán)境中工作，人員較為疲憊。

2 自動檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了解決既有檢測系統(tǒng)存在的問題，開展自動檢測系統(tǒng)優(yōu)化研究。自動檢測系統(tǒng)由車載端和地面端2個部分組成，車載端僅保留數(shù)據(jù)采集等基本功能，其余任務則轉(zhuǎn)移到地面端，具體優(yōu)化內(nèi)容包括：

（1）對各檢測子系統(tǒng)進行改進，在工作原理保持不變的同時，引入完善的監(jiān)控電路，增加關鍵參數(shù)采集及輸出功能。

（2）以車載端自動檢測主機替代原綜合分析子系統(tǒng)，承擔檢測數(shù)據(jù)的歸集、存儲等任務。

（3）車載端增設綜合監(jiān)控設備，用于設備監(jiān)控及狀態(tài)判別。并預留分析設備接口，使系統(tǒng)具備執(zhí)行常規(guī)檢測任務的能力。

（4）在地面數(shù)據(jù)中心設置地面端服務器，承擔檢測任務控制，數(shù)據(jù)接收、處理、存儲、展示及分析等任務，并為檢測人員掌控作業(yè)進度、了解車載設備狀態(tài)提供界面。

（5）車載端和地面端通過寬帶無線網(wǎng)絡保持連接，用于車地間檢測、狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。

優(yōu)化的自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 自動檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

執(zhí)行檢測任務時，信號檢測系統(tǒng)操作人員在地面端預先（或?qū)崟r）配置檢測任務，車載端通電后即啟動并處于無人值守狀態(tài)，在判斷進入檢測區(qū)間后自動啟動檢測，車載端通過寬帶無線網(wǎng)絡將檢測數(shù)據(jù)回傳至地面；地面服務器自動接收回傳的數(shù)據(jù)并存儲，根據(jù)檢測計劃安排人員執(zhí)行數(shù)據(jù)分析任務并出具報告。

優(yōu)化后，在保證檢測數(shù)據(jù)分析及檢測報告出具時效性的基礎上，可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少故障率和維護、維修工作量，以達到減少隨車檢測人員、減輕勞動強度、降低漏檢率的目的。

3 自動檢測系統(tǒng)設計關鍵問題

自動檢測系統(tǒng)的車載端是信號自動檢測系統(tǒng)的重點［5］，盡可能減少人工介入，提高系統(tǒng)容錯能力是車載端設計的關鍵，主要包括：無線通道選型、系統(tǒng)可靠性設計、定位數(shù)據(jù)校準等。

3.1 無線通道選型

在采用二進制文件存儲時，典型的鐵路信號檢測系統(tǒng)每百公里有效數(shù)據(jù)量約15 MB（不包含環(huán)境視頻數(shù)據(jù)），以機車牽引式電務檢測車最高運行速度160 km/h計，每小時有效檢測數(shù)據(jù)量約為24 MB。同一時間內(nèi)，系統(tǒng)有效狀態(tài)數(shù)據(jù)不大于檢測數(shù)據(jù)量的10%。若以無線網(wǎng)絡傳輸上述數(shù)據(jù)，所需上行持續(xù)帶寬約為60 kb/s。

地面端至車載端的下行數(shù)據(jù)流包括：檢測交路基礎信息庫、檢測計劃、數(shù)據(jù)傳輸控制信息以及心跳信號。前兩者為突發(fā)性傳輸且僅存在檢測任務開始時；后兩者數(shù)據(jù)流所需帶寬較小，根據(jù)實際檢測情況，所需持續(xù)帶寬小于1 kb/s。

目前，可使用的無線通道包括鐵路沿線覆蓋的GSM-R專網(wǎng)以及公用4G寬帶無線網(wǎng)絡。GSM-R專網(wǎng)最大優(yōu)勢在于線路信號覆蓋情況較好，但由于屬于2G制式，傳輸速率較低；再加上相當數(shù)量的線路不具備GSM-R專網(wǎng)傳輸條件，故該通道難以滿足需要。公用4G寬帶無線網(wǎng)絡傳輸速率遠大于實際需求，且覆蓋的范圍完全滿足需要，雖因車輛運行導致小區(qū)切換引起暫時性的通信中斷，但時間延遲依舊能滿足準實時檢測的需要［6］。同時，第4代移動通信技術(shù)的應用已逐步進入軌道交通通信領域，部分線路已采用了基于TD-LTE的無線寬帶移動通信系統(tǒng)［7］。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，其上下行數(shù)據(jù)吞吐量約為15 Mb/s。待新一代鐵路通信系統(tǒng)全面推廣后，只需更換相應通信模塊即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的轉(zhuǎn)換。

3.2 系統(tǒng)可靠性設計

系統(tǒng)可靠性涵蓋范圍較廣，最為關注的是系統(tǒng)的可用性和可維護性，在自動檢測系統(tǒng)設計中采取的基本原則是：在系統(tǒng)可維護性良好的前提條件下，提高檢測系統(tǒng)的可用性。在設計過程中采取了以下措施：

（1）提高硬件平臺可靠性?，F(xiàn)有信號檢測系統(tǒng)多采用工控機運行視窗操作系統(tǒng)為平臺。在持續(xù)振動、電磁環(huán)境復雜、散熱不穩(wěn)定、電源紋波較大的車載環(huán)境下，處于人工實時監(jiān)控中其可靠性尚可滿足需要，但無法適應無人值守式作業(yè)。自動檢測系統(tǒng)車載端采用嵌入式系統(tǒng)為平臺，增加完善的看門狗電路，同時改善屏蔽、電源、散熱等運行條件，提高系統(tǒng)可靠性。

（2）少數(shù)關鍵系統(tǒng)采用冗余設計。全面采用冗余設計固然有利于提高系統(tǒng)可用性，但會導致可維護性惡化，與降低人力成本、減輕勞動強度的初衷相違背。故僅在車載端自動檢測主機、車地通信、電源設備采用雙系統(tǒng)熱備冗余，并在現(xiàn)有定位數(shù)據(jù)通道的基礎上，引入車載TAX箱數(shù)據(jù)通道作為備份［8］。

（3）各子系統(tǒng)增加關鍵參數(shù)監(jiān)控。監(jiān)控的關鍵參數(shù)包括：車地通信中斷、車內(nèi)關聯(lián)設備心跳信號丟失、檢測數(shù)據(jù)異常波動、設備溫度、UPS外電源中斷、電源電壓波動、定位誤差過大等。

（4）地面端及車載端報警。由于車輛自身的摘掛、油水作業(yè)、運行過程需要人工介入，同時出于安全考慮保留少量人員也有利于處理一些極端狀況。故在車內(nèi)設置綜合監(jiān)測主機，在各子系統(tǒng)關鍵參數(shù)除傳輸給地面系統(tǒng)外，還傳輸給車載報警終端，在關鍵參數(shù)大于報警門限后提示車載人員介入處理。

3.3 定位數(shù)據(jù)校準

自動檢測系統(tǒng)通過定位數(shù)據(jù)接口獲得的定位數(shù)據(jù)包括：車輛的實時速度、經(jīng)緯度等。自動檢測系統(tǒng)主要通過對車輛實時速度進行積分運算，推導檢測數(shù)據(jù)對應的絕對里程，因此累積誤差是導致系統(tǒng)定位偏差的主要原因；其次，檢測車在站內(nèi)線路走行路徑不確定，當檢測車經(jīng)側(cè)線運行時，系統(tǒng)推算出的距離與線路的絕對里程不對應；最后，定位系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)誤差及偶發(fā)的錯誤也是導致定位偏差的原因之一。為了對定位系統(tǒng)輸出結(jié)果進行校核并修正系統(tǒng)累積誤差，提高系統(tǒng)容錯能力，需對系統(tǒng)推算位置進行校正。

絕緣節(jié)是由絕緣材料或電氣諧振原理構(gòu)成的用于分隔兩段相鄰的軌道電路的設備，典型間隔約1 km，作用是阻隔鄰近區(qū)段載頻信號侵入本區(qū)段。反映在軌道電路檢測數(shù)據(jù)上，絕緣節(jié)中點附近當前區(qū)段載頻電壓信號與下一區(qū)段載頻電壓信號形成交叉，同時會發(fā)生載頻切換，補償電容檢測系統(tǒng)也會輸出負向脈沖，典型絕緣節(jié)處檢測數(shù)據(jù)示例見圖3。

圖3 典型絕緣節(jié)處檢測數(shù)據(jù)示例

由于絕緣節(jié)的絕對位置已知，實現(xiàn)絕緣節(jié)的自動識別，即可獲得當前位置的偏差值［9］。

考慮到提高識別速度，減少占用的系統(tǒng)資源，經(jīng)對比試驗擬采用以下算法實現(xiàn)絕緣節(jié)的自動識別。設t時刻軌道電路載頻電壓為V′t、下一區(qū)段載頻電壓為在下一檢測周期（即t+1時刻）2種載頻電壓分別則在該交叉點處電壓關系為：

利用式（1）判斷2種載頻電壓的交叉點，若該位置處同時出現(xiàn)載頻切換或補償電容檢測數(shù)據(jù)負向脈沖，則判斷該位置對應地面絕緣節(jié)設備。利用實際檢測數(shù)據(jù)對該算法進行校核，地面仿真中識別的絕緣節(jié)見圖4。

圖4 仿真中識別的絕緣節(jié)

在檢測到絕緣節(jié)后，若列車的絕對里程（最佳估計值）已知，由于絕緣節(jié)是沿線路順序分布的，根據(jù)數(shù)據(jù)庫即可獲得該絕緣節(jié)的名稱、絕對里程、經(jīng)緯度信息等基礎信息。若此時絕對里程未知（如因車載主機復位導致數(shù)據(jù)丟失），則根據(jù)檢測計劃（及復位前的斷點信息）搜索本次交路基礎信息數(shù)據(jù)庫，并依次計算起始作業(yè)起始位置（或復位里程斷點）之后第i個絕緣節(jié)的經(jīng)緯度與t時刻列車所處經(jīng)緯度的距離值si。若si小于預設閾值時，即可判斷t時刻途經(jīng)絕緣節(jié)為i，并通過數(shù)據(jù)庫獲取其基礎里程。

設t時刻系統(tǒng)里程坐標為Kt，t+1時刻系統(tǒng)里程坐標為Kt+1，通過數(shù)據(jù)庫取得的當前絕緣節(jié)絕對里程為Ki，則系統(tǒng)里程修正值C可由式（2）獲得：

若C的絕對值大于預設閾值，則判斷定位誤差過大，報警通知地面人員或隨車工程師介入，若小于預設閾值則利用C修正當前絕對里程。

4 車載端系統(tǒng)設計

4.1 車載端結(jié)構(gòu)

自動檢測系統(tǒng)車載端設備保留5個既有檢測項目，每個檢測項目對應1臺檢測分機。各檢測分機工作原理與現(xiàn)有檢測系統(tǒng)保持一致，各前端電源、傳感器及信號調(diào)理電路維持現(xiàn)狀不變；后端數(shù)據(jù)處理平臺統(tǒng)一更換為以i.MX6處理器為核心開發(fā)的模塊化計算機，操作系統(tǒng)為裁剪后的Linux，采用命令行式交互界面以滿足系統(tǒng)維護的需要；引入分機關鍵參數(shù)采集電路，用于分機運行狀態(tài)監(jiān)測；同時將各子系統(tǒng)A/D采集板卡統(tǒng)型為2款，以解決既有系統(tǒng)部件型號繁雜，導致備件采購及設備維修帶來的各種不便，各檢測分機功能結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 檢測分機硬件結(jié)構(gòu)

自動檢測系統(tǒng)車載端結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 自動檢測系統(tǒng)車載端結(jié)構(gòu)

車載端自動檢測主機同樣采用上述的i.MX6模塊化計算機，各檢測分機、車地通信主機通過局域網(wǎng)與自動檢測主機保持數(shù)據(jù)交換，定位系統(tǒng)主用及備用數(shù)據(jù)接口則以串行接口與主機直連。車載端自動檢測主機以工控機+Windows操作系統(tǒng)為平臺，接收各子系統(tǒng)監(jiān)測信息，為隨車工程師提供報警顯示界面。同時，設立1臺備用數(shù)據(jù)分析機并接入局域網(wǎng)，平時該子系統(tǒng)保持關機狀態(tài)，在必要時直接接收來自檢測主機的檢測數(shù)據(jù)供檢測人員實時分析，以使得自動檢測系統(tǒng)具備在必要情況下執(zhí)行現(xiàn)有人工隨車作業(yè)模式的能力。

4.2 車載端工作流程

自動檢測系統(tǒng)車載端主要作業(yè)流程見圖7。

圖7 自動檢測系統(tǒng)車載端主要作業(yè)流程

隨車工程師開啟車載電源，設備上電后，車載端自動檢測主機及各檢測分機進行自檢，并將狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)測主機。隨后通過無線終端向地面中心請求注冊，若注冊失敗則通過監(jiān)測主機進行報警，請求車載工程師介入；若注冊成功，則在車地間同步時間、檢測計劃、交路數(shù)據(jù)等信息。隨后系統(tǒng)進入待檢測狀態(tài)，通過定位數(shù)據(jù)或時間點判明滿足檢測條件后，主機向各檢測分機下達執(zhí)行命令，并實時接收檢測數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，處理后組包通過通信終端向地面?zhèn)鬏敗?/p>

監(jiān)測主機實時接收由車載主機傳輸?shù)南到y(tǒng)連接、運行環(huán)境、定位誤差等關鍵信息，大于預定閾值時報警通知隨車工程師介入。待檢測計劃結(jié)束后（以里程或時間點判明標準），系統(tǒng)結(jié)束檢測，待檢測數(shù)據(jù)傳輸完畢后關閉系統(tǒng)，等待車輛斷電；若由于某種原因系統(tǒng)斷電前無法完成數(shù)據(jù)傳輸，則通知隨車工程師拷貝缺失數(shù)據(jù)上傳至地面中心。

5 結(jié)束語

智能化、自動化是鐵路動態(tài)檢測系統(tǒng)的發(fā)展方向，作為電務檢測另一個子專業(yè)，通信動態(tài)檢測系統(tǒng)部分項目已實現(xiàn)了自動化檢測，全面的自動化作業(yè)研究也已展開，并取得了一些成果［10］?；跓o線網(wǎng)絡的鐵路信號動態(tài)自動檢測系統(tǒng)，在無需對電務檢測車平臺進行大規(guī)模改造的基礎上，實現(xiàn)了準無人值守式信號檢測，降低了檢測人員的工作強度，提高了作業(yè)效率。