铁路信号集中监测系统研究

刘贺军 胡亚峰

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

随着我国经济高速增长和城镇化进程加快，交通拥堵已成为制约发展的瓶颈之一。轨道交通具有大运量、安全、绿色等优势，可为我国交通状况改善提供根本保障。近年来，高速铁路和城市轨道交通建设在我国发展迅猛，取得了骄人业绩。作为行车安全的关键保障系统，铁路信号系统在技术和设备上也不断推陈出新，进入了快速发展的新时代。各类信号设备高效可靠运行是影响轨道交通运营安全、效率和旅客满意度的关键因素。为此，铁路管理部门需全面实时地掌握各信号设备的运行状态，迅速深入分析，及时发现问题并解决问题。这要求有一套完备的监测和分析系统，作为铁路管理部门的支撑，以实现信号设备管理和维护从传统的人工或半人工模式向智能化和信息化模式转换。

信号集中监测系统（Centralized Signaling Monitoring，CSM）是保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测信号设备状态、发现信号设备隐患、分析信号设备故障原因、辅助故障处理、指导现场维修、反映设备运用质量、提高电务部门维护水平和维护效率的重要行车设备[1]。该系统融合先进的传感技术、现场总线技术、网络通信技术、数据库技术和软件工程技术，实时、准确、可靠地检测并记录信号设备及其结合部的运行状态和运用质量，为电务部门掌握设备运用状况和故障分析提供科学依据，是面向用户的开放性和模块化设计的系统。本系统已成功应用于国内各普速线、快速线和城市轨道交通线路，累计开通车站超过5 000个，取得了显著的经济效益和社会效益。

本文结合北京全路通信信号研究设计院有限公司（简称通号院）在该领域的研究成果，回顾了信号集中监测系统的发展历史，分析了现阶段应用状况，讨论了若干发展方向。需要指出的是，本文的研究背景为国有铁路信号系统，但相关研究成果对城市轨道交通信号系统同样具有借鉴意义。

2 发展回顾

我国对铁路信号集中监测系统的研究已有20多年的历史。早在20世纪80年代，部分铁路局已开始研发信号微机监测系统。截至1996年，研制单位已达20多家，全路200多个车站装备了该类系统。受当时技术条件的限制，该阶段的微机监测系统制式不一，标准各异，精度不高，可靠性差，很少集中联网，运用状况不理想。这类系统可算作信号集中监测系统的雏形阶段。

1997年，为规范信号微机监测系统的上道管理，铁道部组织相关专家进行了大规模的调研，并在此基础上组建了由各研制单位组成的联合攻关组。经过近六个月的努力，第一代TJWX-97型信号微机监测系统问世，并在五大干线推广实施，为监督信号设备运用状态及铁路运输安全做出了贡献。该阶段的特点是高起点、高标准和高要求，是信号集中监测系统的第一阶段。

随着第一代信号微机监测设备的成功应用，铁路部门对其重要性有了新的认识。铁道部在2000年初将信号微机监测系统称为电务系统的“黑匣子”，列为铁路运输安全的首要措施，按行车安全设备对待。但第一代系统在现场应用中由各研制单位进行了不同程度的完善，造成了制式不一、无法联网的局面 ；“4.29”、“7.9”、“10.29”系列事故也要求新一代微机监测系统能够准确判断违章操作带来的事故隐患。为使微机监测系统真正成为运输安全设备，铁道部于2000年汇集各单位意见，发布了新的微机监测系统技术条件[2]。同年，铁道部召集各研制单位的技术专家，进行了第二次联合攻关，开发了新型的TJWX-2000型信号微机监测系统。该系统以新的技术条件为依据，采用统一的标准和制式，具备全路联网功能，能够准确判断设备故障和违章操作带来的事故隐患，实现防患于未然。该阶段是信号集中监测系统的第二阶段。

随着TJWX-2000型产品的普遍应用，用户对微机监测系统的要求和期望也日益增高。铁路信号的新技术和新设备不断上道运用，且电务段生产力布局的调整也加大了电务部门安全管理的难度。这迫切需要提高信号微机监测系统的技术水平，充分发挥其在保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测信号设备运用状态、发现信号设备隐患、分析故障和指导现场维修方面的作用。2006年，铁道部组织各铁路局和研制单位，编制了新的信号微机监测系统技术条件[3]。各研制单位以此技术条件为依据，对原系统功能和结构作了较大改进，增加和完善了监测内容，不断提高测试精度和稳定性，相继推出了TJWX-2006型信号微机监测系统。目前，该系统已在各高速铁路和主要干线广泛应用，提高了电务部门维护水平和维护效率，压缩了电务故障延时，充分发挥了保障运输安全和提高运输效率的作用。该阶段是信号集中监测系统的第三阶段。

随着我国高速铁路的大规模建设和投入运营，铁路安全生产面临的问题日益突出，与铁路安全相关的信号设备监测系统也备受关注。铁路电务部门迫切需要一个集设备监控、诊断维护、生产管理等功能于一体的综合化和智能化平台，来提高维护能力和决策能力。2010年，铁道部组织各铁路局和研制单位，对原技术条件进行修订，制定了新的技术条件[4]。该技术条件将信号集中监测系统作为原信号微机监测系统的升级版，定位为信号设备的综合监测平台；在坚持原有体系结构下，明确了电务段子系统的中心地位，增设了WEB、时钟、网管和防病毒等服务器，对关键设备要求实现双机热备和负载均衡功能；强化了系统的数据分析功能，明确了预警分析和故障诊断内容；增加了对高速铁路特有信号设备的监测。当前，各研制单位正以新的技术标准为依据，对原系统进行改造和升级。各铁路局也已全面展开新技术条件下既有监测系统的升级和新建线路的实施工作。当前是信号集中监测系统向综合化和智能化发展的关键阶段，可归为系统的第四阶段。

3 现阶段应用分析

信号集中监测系统由铁道部电务监测子系统、铁路局电务监测子系统、电务段监测子系统、车站监测网和广域网数据传输子系统组成，其总体结构如图1所示。

车站监测网是系统的基本单元，负责数据的采集、分类和分析处理，实现信号设备的实时监测与故障诊断。它包括站机、采集设备及网络通信设备。

电务段监测子系统是系统的中枢，管理全段内所有车站节点，接收和存储站机数据，发送有关指令对站机进行操作，根据监测终端要求进行数据分发和WEB服务。它配置数据库服务器、应用服务器、通信前置机、接口服务器、WEB服务器、维护终端和监测终端等设备。

铁路局电务监测子系统是全局信号集中监测系统的监控中心，管理局内所有的电务段及车站节点，负责与所辖电务段及铁道部建立通信连接和数据交换。它配置应用服务器、监测终端和维护工作站。

铁道部电务监测子系统是全路信号集中监测系统的监控中心，管理全路的联网车站，负责与各铁路局建立通信连接和数据交换。它配置通信管理机和铁道部监测终端。

广域网数据传输子系统由车站与电务段间的基层网及电务段与铁路局、铁道部的上层网组成。基层网采用环形组网方式，每5～12个车站形成一个环路，并以不低于2 M通道抽头方式与电务段星型连接。上层网采用不低于2 M通道星型连接的组网方式。各网络节点间采用TCP/IP协议和统一的数据格式进行通信。

信号集中监测系统的监测对象可分为模拟量、开关量和带自诊断功能的信号设备3类，如表1所示。系统实时采集信号设备的电气特性、设备状态、网络连接状态和故障告警等信息，并以报表、曲线等形式提供人机交互界面，具有信息展示、历史回放、统计分析、预警报警和辅助故障处理等功能。系统采集第一手的信号设备运用信息，同时对各信号子系统的维护单元进行资源整合，为电务维护人员提供统一的集中监测和故障分析平台。

该系统应用以来，科学指导了故障处理和现场维修，为事故分析和定责提供了科学依据，极大降低了电务部门的劳动强度，提高了电务维护水平和生产效率，保障了行车安全，已成为铁路信号系统的标准装备。

水利部、财政部2012年5月启动了《全国中小河流治理重点县综合整治试点规划》编制工作，在全国范围内选择一批中小河流治理重点县开展综合整治和水系连通试点项目区。本文是在分析县乡河道面临主要问题的基础上，提出在治理规划设计中的基本思路以及需要注意的几个要点，以期为工程技术和管理人员在相关规划设计中提供借鉴和参考。

表1 信号集中监测系统监测对象

随着轨道交通安全要求的不断提高，信号集中监测系统也面临诸多发展瓶颈，可分为如下3个方面。

首先，系统的智能分析与故障诊断水平较低。当前系统基本还停留在采集数据的展示层面，设备的维修和维护信息主要依靠人工调阅和判断，无法通过系统自动判别设备隐患和精确定位故障。尽管各研制单位已开始研究该类课题，并取得了一些成果，但离可靠实用的应用目标尚有较大差距。如何将系统采集的信息进行科学的归纳和分析，给电务维护人员提供及时的诊断信息和高效的解决方案，是迫切需要解决的问题。

其次，系统的监测范围有待拓展。对于RBC、TSRS和有源应答器等设备，尽管当前系统已预留接口，但未实现监测；车载ATP子系统的信息尚未纳入；与信号系统相关的安全数据网、GSM-R无线网和视频监控系统也未纳入监测范围。对于部分已纳入监测范围的信号设备，系统采集的设备状态信息和业务信息也需进一步精细和拓广。

最后，系统的功能有待延伸。当前系统主要集中于信号设备的监控，对于电务部门的生产调度、施工管理和应急指挥涉及很少。同时，信号设备履历管理系统、电务故障管理系统、机车信号故障管理系统和检修基地管理系统等信息系统也在先后电务部门应用。由于网络、标准以及信息平台等因素的限制，这些系统大多限于局部应用，整体性不强，无法实现信息交互和协同应用。以信号集中监测系统为基础，构建统一的信息平台，实现电务生产和管理信息的资源整合和优化，是电务信息化建设的迫切需求和必然趋势。

4 研究展望

信号集中监测技术近年来已获得广泛关注，业界也提出了大量理论和方法。本文结合通号院的研究进展，介绍若干值得深入研究的方向。

4.1 基于机器学习的设备级故障诊断

转辙机是故障类型较复杂的信号设备之一，其相关的监测量包括动作电流、动作功率、转换方向及表示电路电压。通号院基于这些观测数据，应用机器学习技术，对转辙机故障诊断进行了研究，取得了阶段性成果。系统自适应设置阈值，对原始电流和功率曲线进行分割，使其分割为与动作次数匹配的片段；对于各片段，通过各类信号处理方法提取稳定的统计特征，如电流强度、噪声水平和噪声分布均衡度等；基于高斯核函数估算各故障类型的先验概率密度分布；对于待诊断数据，基于后验概率密度分布将故障分析结果排序给出。系统支持对未知故障类型的自学习和既有故障类型的自适应更新，适用于交流转辙机和直流转辙机，并涵盖单机单动、单机多动、双机单动和双机多动等应用场景。

4.2 基于仿真的系统级故障诊断

铁路信号系统由各子系统和设备等基本单元构成，各单元间主要靠业务信息发生关联，在电气特性上并无太多相关性。分析各单元的业务功能，提取关键业务数据，构建业务模型，是系统级故障诊断的基础。基于仿真的系统级故障诊断，也即用数学模型来模拟真实的信号系统，再将模型状态与信号系统的真实业务状态进行比较，从而发现和定位系统的故障。用于诊断的数学模型包括各单元的业务模型及相互间的交互关系，应反映真实系统的主要特征。通过对信号系统的业务流程分析，可归其为离散事件系统，即其状态在某些离散时间点上发生变化。仿真的实现依靠事件驱动，这类事件包括道岔锁闭、区段占用和进路开放等，其发生时间与真实系统同步。当仿真系统与真实系统的业务状态存在差异时，依据时间次序及判别规则对故障进行识别和分析。图3描述了基于仿真的系统级故障诊断流程框架。

4.3 电务综合监测平台

将信号集中监测系统的监测范围扩展，构建涵盖全部信号设备和通信设备的电务综合监测平台，是系统往广度发展的一大方向。各信号设备及关联的通信设备是一个紧密结合的大系统，分散和孤立的信息不利于系统级的故障诊断。同时，若单类设备配置独立的维护单元，则维护人员需要查看各自的维护终端进行分散维护，将给管理和维护带来极大不便。对照既有功能，该平台需将RBC、TSRS、有源应答器和车载ATP等信号设备纳入，还需将安全数据网、GSM-R无线网和视频监控等通信设备纳入。

4.4 电务综合管理平台

将信号集中监测系统的功能扩展，构建涵盖铁道部、铁路局、电务段、工区和设备供应商的电务综合管理平台，是系统往广度发展的又一方向。通过该平台对电务部门既有各信息系统进行整合，可彻底消除信息孤岛现象。平台以电务段为中心，在此建立数据中心，汇集电务生产和管理的各类信息，各应用终端可以WEB方式进行远程访问。如图4所示，整个平台的功能可分为设备管理、生产管理、应急指挥、经营管理、网络办公和系统维护等6大部分。基于该平台，通过对电务信息的整合和挖掘，优化电务作业流程，改进作业方式，将极大提高电务生产效率，有力推动铁路电务信息化建设。

5 结束语

信号集中监测系统从我国轨道交通实际出发，历经几代发展，实现了信号设备状态的准确采集与可靠传输，提高了电务维修的自动化和智能化水平，保证了行车安全和运营效率。本文回顾了该系统的发展历史，分析了现阶段应用状况，提出了一些需深入研究的方向。信号集中监测系统作为一项重要的技术装备，必将随着其深度和广度的不断拓展而得到更广泛的应用。

[1]李萍.铁路信号集中监测系统[M].北京：中国铁道出版社,2012.

[2] TB/T2496-2000 信号微机监测系统技术条件[S].

[3]运基信号[2006]317号 信号微机监测系统技术条件（暂行）[S].

[4]运基信号[2010]709号 铁路信号集中监测系统技术条件[S].

[5] Murphy K.P.Machine Learning：A Probabilistic Perspective[M].Cambridge,MA：MIT Press,2012.