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沈利民（1962-）

男，1984年毕业于兰州铁道学院，1999年任双鸭山矿业集团铁路运输部总工程师。



    摘要：作者论述了微机联锁远程故障诊断系统的构成和实现，提出现阶段信号维修改革的任务、组织管理及实施远程故障诊断系统的关键技术。

    关键词：微机联锁；远程故障；诊断

    Abstract: The author discussed the composition and realization of computer interlocking 
remote failure diagnosis system, and proposed the assignment and organization management of 
signal’s maintenance reform during current period as well as key technology of performing 
remote failure diagnosis system.

    Key words: Computer Interlocking; Remote Failure; Diagnosis

1 前言

    铁路信号设备是组织指挥列车运行、保证行车安全、提高运输效率、改善行车人员劳动条件的重要设施。随着科学技术的发展，由于计算机技术、计算机通信技术、信息技术的引入，使铁道信号技术的面貌发生根本性的变化。已从最初只提供信号显示信息，逐渐发展到提供经过加工处理并进行列车运行控制和调整的信号综合控制系统。

    车站电气集中信号设备是铁路运输的重要行车控制设备。目前国内外普遍采用的电气集中联锁设备，主要功能是在车站信号楼集中控制道岔、进路和信号；实现道岔、进路和信号之间的联锁。用可动接点实现逻辑沟通，并由继电器本身的特点(如重力式安全继电器)来保证故障安全。随着计算机技术、通讯技术的发展，计算机得到了广泛的应用，特别是高可靠技术迅速发展和计算机的容错技术研究的深入，使以计算机为主体的微机联锁得到了迅速的发展。使近百年历史的机械联锁和电气联锁逐渐被微机联锁替代。

    铁路信号设备在保证行车安全方面的作用已经成为保障铁路运输安全的关键。先进设备不断使用，加大了车务部门对信号设备的依赖程度，信号设备故障往往能够引发铁路重大、大事故的发生。任何信号设备不论其技术性能如何先进，仍然要考虑维修；远程诊断系统是实现信号设备维修现代化的重要手段。

   维修现代化依靠科技进步，采用先进的监测技术和手段，为实现铁路信号设备维修现代化，解决信号设备智能监测，利用远程通信网络，组建维修中心，实现远程故障诊断还可以满足高速运输的要求，提高运输的质量和路网的运能。

   铁道部电务局在《铁路主要技术政策及电务段装备政策》报告提纲中指出：“努力提高电务维修手段，积极发展设备监测、监控网络系统，加强维护中心和基地建设，积极推进由预防修向状态修过渡”。本文是以近年来出现的车站微机联锁系统为目标，研究和探索实现远程故障监测诊断系统的构成、硬件选择、软件实现、远程通信网络、维修中心等关键技术。 

2 车站微机联锁系统故障诊断的实施方案

2.1 车站微机联锁系统的体系结构

    实现远程故障诊断系统首先要使分散在各个车站的微机联锁系统具备故障安全和监测功能。车站微机联锁系统研制过程中不断融入大量保障系统故障安全的基础性工作。这些基础工作，如系统的结构设计、硬件构成、软件设计中都进行了仔细的考虑和安排。以铁科院通号所推广的车站微机联锁系统为例，笔者对这些基础性工作和实现远程故障诊断系统的关系做了深入研究，车站微机联锁系统体系结构如图1所示，监测和诊断是分别在系统级、分机级、单板级和基础设备级进行的。

                                     图1   车站微机联锁系统示意图

2.2 系统级故障诊断技术

    车站微机联锁系统设计是以“故障—安全”为指导原则，在系统中融入故障诊断技术。系统结构采取了分布式多处理机系统，也称为集散型系统。它以计算机为基础，综合了计算机、数据通讯、过程控制及图形显示等高技术为一体的系统。该系统采用计算机智能化和灵活的软件编程实现铁路车站信号、道岔之间的联锁，达到保障行车安全，提高运输效率以及改善劳动条件的目的。研制采用多级递阶三级网络控制方式。系统第一级为控制监视级，也称为人机对话级(在车站值班员室)，实现对系统的控制过程的信息显示和系统控制命令的输入；第二级为联锁逻辑处理级，实现信号联锁关系运算处理；第三级为执行表示级，实现现场设备运行状态采集和实时控制。值班员使用的控制台由计算机实现按钮命令的采集，具有语音提示和报警功能。第三级是计算机采用串行数据通讯联接，协调控制，实现对铁路车站信号、道岔、进路等方面实时控制。系统运行时每个分机均独立工作，一旦发生故障即运行分机自动退出系统，或立即在线进行维修，系统仍能照常运行。实现了系统危险的分散，为避免全局性的故障，提高系统的可靠性和可维修性奠定了系统级故障诊断基础。

    由于微机联锁系统采用了双机热备方式，提高了系统的可靠性、连续运行性和可维修性。双机热备，可以方便地进行切换。备机有脱机、联机和联机同步三种不同状态。在双机同步状态，系统处于热备。这项技术可以实现系统故障诊断和在线测试，是系统级故障诊断的基础工作。

    微机联锁系统在多个计算机之间采用串行通讯控制器，通讯接口为RS 485标准接口，机间通讯均采用半双工同步通讯方式，联锁计算机和执行表示机之间采用同步通讯中的CRC检验，传输信息码采用特殊编码和重复发送冗余技术，确保信道安全可靠。通信检测软件一旦检出故障，立即报告故障通信口位置，以便进行故障板更换。

    系统中用软件方法实现实时故障再现记录、故障再现分析，提供给电务和车务人员做为发生故障时进行故障分析和处理的依据。采用故障再现软件可以方便、准确地分析故障发生的原因。通过记录在线故障实时信息，为远程故障诊断系统提供了分析和记录信息，它也是系统故障诊断的基础工作。

2.3 分机级故障诊断技术

    分机级故障诊断技术体现在系统的双套软件设计上。微机联锁软件划分为人机对话、联锁逻辑、执行表示处理等模块，数据结构采用模块化结构。联锁逻辑处理软件为控制系统的核心具有更高的可靠性和故障安全性能。系统采用双套联锁软件，在控制命令输出级进行比较。A、B两套软件从数据结构到程序流程均不相同，保证机器码数据也不相同。A套数据模块连接结构采用站场图形的数据结构，即现场的每一个信号、道岔和区段在程序中均有其对应的数据模块，相邻模块通过数据指针相互链接，一个数据模块是描述某个信号(或道岔、区段)特征所有数据的集合。对于不同站场，数据各不相同，而联锁程序制成通用。每一条实际进路排列程序对应着一条映象进路。B套软件的数据采用模块化结构，根据车站道岔分岔的特点，利用二叉树原理，连接构成。A、B两套程序分别由两个人独立编制，以便进行功能校核，进一步增加可靠性。

    图2为A、B两套程序处理流程图。在软件中程序采取分层网络结构，以A套软件为例，程序模块划分为选路、确选、锁闭、开放信号等若干个子模块。一个程序链接层可类比6502的一条网络线，采用此种结构使程序层次清晰，并提高了程序模块的独立性。在安全方面，这种分层递阶的结构比联锁表检查方式好；联锁检查是多层的，上一层的错误往往会在下一层发现，必须在相邻的上一层通过后才允许进入下一层。在层次传递的过程中还进行多种校核。双套软件使得联锁程序具有了较强的检测能力，联锁运算的同时，也间接检查了联锁机硬件本身。当检查校核的不一致，就意味着错误的出现，必要时进行故障报警，严重时要进行故障切换。

                               图2   A、B两套程序流程图

2.4 板级故障诊断技术

    为了保证系统设备的可靠性，系统中联锁计算机和执行表示计算机采用了美国PROG公司的STD BUS工业标准总线模块系列单板，它具有可靠性高，兼容性好，抗干扰能力强，开放式模块化结构，板级功能分散，组态灵活，性能价格比高等优点。其硬件和软件组成适合铁路现场多计算机分布式实时过程控制系统的需要。控制监视采用工业控制机，可靠性高。

    板级的故障诊断是借助计算机具有记忆、故障判断、自监测功能。微机联锁系统软硬件的诊断程序是一个程序模块，同应用程序一起嵌入到管理操作系统中。在程序冷启动时，首先运行自测程序，待检查完成后，再进入应用程序。进行应用程序的运行过程中，不断利用应用程序间歇调用自测试程序。自测试检查范围主要是系统硬件设备，如CPU、RAM、EPROM、计时器、中断管理器、网络通信、控制I／O的测试。由于控制I／O涉及系统的故障安全，采取专门设计的回读方式，随时监视控制I／O，以保证它的正确性。这项检测完成模板检测和报警，出现故障时，可以通过更换模板解决。在每个分机报警板上，设计了硬件看门狗电路，当程序运行飞出运行区时，发出报警信息。灾难性的单板级故障可以采用更换单板的维修方式。

    联锁系统的故障安全，根据大规模集成电路故障难以判断的特点，在查找和分析时不能拘泥于某集成片子的性能如何，需要从整个计算机系统的故障安全考虑。微机联锁系统硬软件整体设计遵循系统控制闭环工作原理，实现对控制、采集I／O模板的故障检测。

    如图3所示，由硬件实现模块间闭环沟通，再由软件使整个系统闭环运转起来。闭环控制工作原理是综合利用硬件冗余、信息冗余和时间冗余技术来提高系统的故障安全性能。闭环控制中只要闭环中任何一部分发生故障，系统能立即诊断出来，并进行记录和报警，根据故障类型进行处理，直至切断控制输出电源以保证系统的故障安全。

                                    图3   闭环工作原理图

2.5 基础设备级故障诊断技术

    微机联锁系统基础设备监测是从使用过程来监视设备的特性值、特性值异常、变化趋势。

    基础设备级故障诊断的主要技术关键是不准影响设备正常工作，它必须具有与主设备有良好的隔离。在微机联锁设备切换电源瞬间停电时，仍能正常工作，保证不丢失记录的数据；其硬件和软件应具有一定的抗干扰能力，并具有自动恢复的功能。监测对象应包括：发生故障后影响面大的设备，受外界条件影响易发生故障的设备，系统中的薄弱部分。

    基础设备级故障诊断系统的主要功能：全天候连续或定时对电气集中设备进行自动监测，并对参数进行判断，超限报警；实现对电动转辙机的动态电特性及时间特性的监测；实现对轨道电路接受端的监测；实现对电缆全程对地绝缘电阻的监测；实现对列车信号主灯丝点燃状态的监测；实现对开关量的监测包括：联锁电路主要继电器动作状态的巡测、记录、再现；加铅封按钮动作记录；列车进路追踪、自动记录进路开放时间，取消进路登记表；列车信号故障关闭记忆。基础设备级故障诊断可以进行数据显示、打印报警、为维护人员提供信息，也可以根据实际需要，人为改变告警值或其他数据。

    从上述的系统级故障诊断技术可以看出把计算机智能化引入车站微机联锁系统实现故障诊断技术，是实现远程故障诊断系统的基础工作，是确保信号设备故障安全的保证。 

3 车站微机联锁远程故障诊断系统的技术关键

3.1 远程通信传输的实现

    实现远程故障诊断系统，首先解决远程信息传输问题。设置远程诊断网络十分重要，它在维修系统中起着关键的作用。远程网络属于实时控制网，必须具有自身的安全保证。在这个方面笔者设想采取两步实现方式。一是铁道部电务系统准备建立DMIS系统，只要各个车站微机联锁系统设备设计为国际标准通信接口，使系统维修信息十分方便上网传输。二是研究采用电话交换网方案，它不专门铺设电缆，借助电话交换网传输会使系统的造价降低。

    采用电话网远距离传输方式，每一个微机联锁系统要有一个自己的编码，即地址号，通过电话自动拨号，经过调制解调器，进入电话交换网，又通过调制解调器到达维修中心，传输的校验，波特率设置、数据的接收完全由软件编程来进行，使维修中心与车站微机联锁系统实现远距离通信和传输。

3.2 车站微机联锁系统的维修中心

    维修中心是一个技术密集型单位，它实现远距离对现场微机联锁故障监测诊断功能，是高科技计算机化的必然产物。图4是维修中心构成的局域网框图。

    （1）维修中心的功能和局域网构成

    远程诊断系统维修中心具有实时监测、故障再现、专家诊断、数据信息库、设备备件库、系统培训等功能；该系统维修中心采用微机自动监测，它具备信息采集、信息存储、分析处理、显示和打印、报警、分析和处理等功能。

    局域网信息来自电话交换网(或DMIS系统)实现远程通信，与各个车站微机联锁进行信息交换。网络本身是由网络服务器、微机联锁在线测试设备、数据处理终端、开发测试设备、打印机等硬件设备构成。局域网LAN应该具有100 MB／S以上速率，能满足图象传输处理能力。

                               图4   远程诊断维修中心的构成

    （2）微机联锁在线测试设备

    微机联锁在线测试设备是一套十分完整的微机联锁系统，可以直接模拟现场微机联锁设备的功能，它具有远程实时监测功能和再现故障功能。

    （3）开发测试设备

    维修中心需要有专用的测试仪器，如电子示波器、逻辑分析仪、设备模拟器等。这些仪器通过计算机接口连接到维修中心网络上的计算机终端上，在专门维修人员的使用下，形成专用开发测试设备，可使基层站段故障板得到及时的维修或返回生产厂进行维修。

    （4）设备备件库和资料管理库

    维修中心设有用计算机进行管理的配件库，保证设备维修的需要。板级维修使站段不再备用器件，它们仅有备用板，当故障发生时，做到板级维修。

    维修中心设有计算机资料管理库。微机联锁系统将不断进行改进，数据库保证不同阶段设备的系统型号和图纸资料随时可以调用和查找。 

4 结束语

    今天世界进入了计算机和信息时代，铁路信号设备系统的可靠性、可用性、可维护性的问题变得异常的重要，研究和实现计算机远程诊断系统是维修现代化的需要，铁路微机联锁系统远程故障诊断和检测系统技术必将向实用化的方向发展。