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沈利民（1962-）

男，1984年畢業于蘭州鐵道學院，1999年任雙鴨山礦業集團鐵路運輸部總工程師。



    摘要：作者論述了微機聯鎖遠程故障診斷系統的構成和實現，提出現階段信號維修改革的任務、組織管理及實施遠程故障診斷系統的關鍵技術。

    關鍵詞：微機聯鎖；遠程故障；診斷

    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

    鐵路信號設備是組織指揮列車運行、保證行車安全、提高運輸效率、改善行車人員勞動條件的重要設施。隨著科學技術的發展，由于計算機技術、計算機通信技術、信息技術的引入，使鐵道信號技術的面貌發生根本性的變化。已從最初只提供信號顯示信息，逐漸發展到提供經過加工處理并進行列車運行控制和調整的信號綜合控制系統。

    車站電氣集中信號設備是鐵路運輸的重要行車控制設備。目前國內外普遍采用的電氣集中聯鎖設備，主要功能是在車站信號樓集中控制道岔、進路和信號；實現道岔、進路和信號之間的聯鎖。用可動接點實現邏輯溝通，并由繼電器本身的特點(如重力式安全繼電器)來保證故障安全。隨著計算機技術、通訊技術的發展，計算機得到了廣泛的應用，特別是高可靠技術迅速發展和計算機的容錯技術研究的深入，使以計算機為主體的微機聯鎖得到了迅速的發展。使近百年歷史的機械聯鎖和電氣聯鎖逐漸被微機聯鎖替代。

    鐵路信號設備在保證行車安全方面的作用已經成為保障鐵路運輸安全的關鍵。先進設備不斷使用，加大了車務部門對信號設備的依賴程度，信號設備故障往往能夠引發鐵路重大、大事故的發生。任何信號設備不論其技術性能如何先進，仍然要考慮維修；遠程診斷系統是實現信號設備維修現代化的重要手段。

   維修現代化依靠科技進步，采用先進的監測技術和手段，為實現鐵路信號設備維修現代化，解決信號設備智能監測，利用遠程通信網絡，組建維修中心，實現遠程故障診斷還可以滿足高速運輸的要求，提高運輸的質量和路網的運能。

   鐵道部電務局在《鐵路主要技術政策及電務段裝備政策》報告提綱中指出：“努力提高電務維修手段，積極發展設備監測、監控網絡系統，加強維護中心和基地建設，積極推進由預防修向狀態修過渡”。本文是以近年來出現的車站微機聯鎖系統為目標，研究和探索實現遠程故障監測診斷系統的構成、硬件選擇、軟件實現、遠程通信網絡、維修中心等關鍵技術。 

2 車站微機聯鎖系統故障診斷的實施方案

2.1 車站微機聯鎖系統的體系結構

    實現遠程故障診斷系統首先要使分散在各個車站的微機聯鎖系統具備故障安全和監測功能。車站微機聯鎖系統研制過程中不斷融入大量保障系統故障安全的基礎性工作。這些基礎工作，如系統的結構設計、硬件構成、軟件設計中都進行了仔細的考慮和安排。以鐵科院通號所推廣的車站微機聯鎖系統為例，筆者對這些基礎性工作和實現遠程故障診斷系統的關系做了深入研究，車站微機聯鎖系統體系結構如圖1所示，監測和診斷是分別在系統級、分機級、單板級和基礎設備級進行的。

                                     圖1   車站微機聯鎖系統示意圖

2.2 系統級故障診斷技術

    車站微機聯鎖系統設計是以“故障—安全”為指導原則，在系統中融入故障診斷技術。系統結構采取了分布式多處理機系統，也稱為集散型系統。它以計算機為基礎，綜合了計算機、數據通訊、過程控制及圖形顯示等高技術為一體的系統。該系統采用計算機智能化和靈活的軟件編程實現鐵路車站信號、道岔之間的聯鎖，達到保障行車安全，提高運輸效率以及改善勞動條件的目的。研制采用多級遞階三級網絡控制方式。系統第一級為控制監視級，也稱為人機對話級(在車站值班員室)，實現對系統的控制過程的信息顯示和系統控制命令的輸入；第二級為聯鎖邏輯處理級，實現信號聯鎖關系運算處理；第三級為執行表示級，實現現場設備運行狀態采集和實時控制。值班員使用的控制臺由計算機實現按鈕命令的采集，具有語音提示和報警功能。第三級是計算機采用串行數據通訊聯接，協調控制，實現對鐵路車站信號、道岔、進路等方面實時控制。系統運行時每個分機均獨立工作，一旦發生故障即運行分機自動退出系統，或立即在線進行維修，系統仍能照常運行。實現了系統危險的分散，為避免全局性的故障，提高系統的可靠性和可維修性奠定了系統級故障診斷基礎。

    由于微機聯鎖系統采用了雙機熱備方式，提高了系統的可靠性、連續運行性和可維修性。雙機熱備，可以方便地進行切換。備機有脫機、聯機和聯機同步三種不同狀態。在雙機同步狀態，系統處于熱備。這項技術可以實現系統故障診斷和在線測試，是系統級故障診斷的基礎工作。

    微機聯鎖系統在多個計算機之間采用串行通訊控制器，通訊接口為RS 485標準接口，機間通訊均采用半雙工同步通訊方式，聯鎖計算機和執行表示機之間采用同步通訊中的CRC檢驗，傳輸信息碼采用特殊編碼和重復發送冗余技術，確保信道安全可靠。通信檢測軟件一旦檢出故障，立即報告故障通信口位置，以便進行故障板更換。

    系統中用軟件方法實現實時故障再現記錄、故障再現分析，提供給電務和車務人員做為發生故障時進行故障分析和處理的依據。采用故障再現軟件可以方便、準確地分析故障發生的原因。通過記錄在線故障實時信息，為遠程故障診斷系統提供了分析和記錄信息，它也是系統故障診斷的基礎工作。

2.3 分機級故障診斷技術

    分機級故障診斷技術體現在系統的雙套軟件設計上。微機聯鎖軟件劃分為人機對話、聯鎖邏輯、執行表示處理等模塊，數據結構采用模塊化結構。聯鎖邏輯處理軟件為控制系統的核心具有更高的可靠性和故障安全性能。系統采用雙套聯鎖軟件，在控制命令輸出級進行比較。A、B兩套軟件從數據結構到程序流程均不相同，保證機器碼數據也不相同。A套數據模塊連接結構采用站場圖形的數據結構，即現場的每一個信號、道岔和區段在程序中均有其對應的數據模塊，相鄰模塊通過數據指針相互鏈接，一個數據模塊是描述某個信號(或道岔、區段)特征所有數據的集合。對于不同站場，數據各不相同，而聯鎖程序制成通用。每一條實際進路排列程序對應著一條映象進路。B套軟件的數據采用模塊化結構，根據車站道岔分岔的特點，利用二叉樹原理，連接構成。A、B兩套程序分別由兩個人獨立編制，以便進行功能校核，進一步增加可靠性。

    圖2為A、B兩套程序處理流程圖。在軟件中程序采取分層網絡結構，以A套軟件為例，程序模塊劃分為選路、確選、鎖閉、開放信號等若干個子模塊。一個程序鏈接層可類比6502的一條網絡線，采用此種結構使程序層次清晰，并提高了程序模塊的獨立性。在安全方面，這種分層遞階的結構比聯鎖表檢查方式好；聯鎖檢查是多層的，上一層的錯誤往往會在下一層發現，必須在相鄰的上一層通過后才允許進入下一層。在層次傳遞的過程中還進行多種校核。雙套軟件使得聯鎖程序具有了較強的檢測能力，聯鎖運算的同時，也間接檢查了聯鎖機硬件本身。當檢查校核的不一致，就意味著錯誤的出現，必要時進行故障報警，嚴重時要進行故障切換。

                               圖2   A、B兩套程序流程圖

2.4 板級故障診斷技術

    為了保證系統設備的可靠性，系統中聯鎖計算機和執行表示計算機采用了美國PROG公司的STD BUS工業標準總線模塊系列單板，它具有可靠性高，兼容性好，抗干擾能力強，開放式模塊化結構，板級功能分散，組態靈活，性能價格比高等優點。其硬件和軟件組成適合鐵路現場多計算機分布式實時過程控制系統的需要。控制監視采用工業控制機，可靠性高。

    板級的故障診斷是借助計算機具有記憶、故障判斷、自監測功能。微機聯鎖系統軟硬件的診斷程序是一個程序模塊，同應用程序一起嵌入到管理操作系統中。在程序冷啟動時，首先運行自測程序，待檢查完成后，再進入應用程序。進行應用程序的運行過程中，不斷利用應用程序間歇調用自測試程序。自測試檢查范圍主要是系統硬件設備，如CPU、RAM、EPROM、計時器、中斷管理器、網絡通信、控制I／O的測試。由于控制I／O涉及系統的故障安全，采取專門設計的回讀方式，隨時監視控制I／O，以保證它的正確性。這項檢測完成模板檢測和報警，出現故障時，可以通過更換模板解決。在每個分機報警板上，設計了硬件看門狗電路，當程序運行飛出運行區時，發出報警信息。災難性的單板級故障可以采用更換單板的維修方式。

    聯鎖系統的故障安全，根據大規模集成電路故障難以判斷的特點，在查找和分析時不能拘泥于某集成片子的性能如何，需要從整個計算機系統的故障安全考慮。微機聯鎖系統硬軟件整體設計遵循系統控制閉環工作原理，實現對控制、采集I／O模板的故障檢測。

    如圖3所示，由硬件實現模塊間閉環溝通，再由軟件使整個系統閉環運轉起來。閉環控制工作原理是綜合利用硬件冗余、信息冗余和時間冗余技術來提高系統的故障安全性能。閉環控制中只要閉環中任何一部分發生故障，系統能立即診斷出來，并進行記錄和報警，根據故障類型進行處理，直至切斷控制輸出電源以保證系統的故障安全。

                                    圖3   閉環工作原理圖

2.5 基礎設備級故障診斷技術

    微機聯鎖系統基礎設備監測是從使用過程來監視設備的特性值、特性值異常、變化趨勢。

    基礎設備級故障診斷的主要技術關鍵是不準影響設備正常工作，它必須具有與主設備有良好的隔離。在微機聯鎖設備切換電源瞬間停電時，仍能正常工作，保證不丟失記錄的數據；其硬件和軟件應具有一定的抗干擾能力，并具有自動恢復的功能。監測對象應包括：發生故障后影響面大的設備，受外界條件影響易發生故障的設備，系統中的薄弱部分。

    基礎設備級故障診斷系統的主要功能：全天候連續或定時對電氣集中設備進行自動監測，并對參數進行判斷，超限報警；實現對電動轉轍機的動態電特性及時間特性的監測；實現對軌道電路接受端的監測；實現對電纜全程對地絕緣電阻的監測；實現對列車信號主燈絲點燃狀態的監測；實現對開關量的監測包括：聯鎖電路主要繼電器動作狀態的巡測、記錄、再現；加鉛封按鈕動作記錄；列車進路追蹤、自動記錄進路開放時間，取消進路登記表；列車信號故障關閉記憶。基礎設備級故障診斷可以進行數據顯示、打印報警、為維護人員提供信息，也可以根據實際需要，人為改變告警值或其他數據。

    從上述的系統級故障診斷技術可以看出把計算機智能化引入車站微機聯鎖系統實現故障診斷技術，是實現遠程故障診斷系統的基礎工作，是確保信號設備故障安全的保證。 

3 車站微機聯鎖遠程故障診斷系統的技術關鍵

3.1 遠程通信傳輸的實現

    實現遠程故障診斷系統，首先解決遠程信息傳輸問題。設置遠程診斷網絡十分重要，它在維修系統中起著關鍵的作用。遠程網絡屬于實時控制網，必須具有自身的安全保證。在這個方面筆者設想采取兩步實現方式。一是鐵道部電務系統準備建立DMIS系統，只要各個車站微機聯鎖系統設備設計為國際標準通信接口，使系統維修信息十分方便上網傳輸。二是研究采用電話交換網方案，它不專門鋪設電纜，借助電話交換網傳輸會使系統的造價降低。

    采用電話網遠距離傳輸方式，每一個微機聯鎖系統要有一個自己的編碼，即地址號，通過電話自動撥號，經過調制解調器，進入電話交換網，又通過調制解調器到達維修中心，傳輸的校驗，波特率設置、數據的接收完全由軟件編程來進行，使維修中心與車站微機聯鎖系統實現遠距離通信和傳輸。

3.2 車站微機聯鎖系統的維修中心

    維修中心是一個技術密集型單位，它實現遠距離對現場微機聯鎖故障監測診斷功能，是高科技計算機化的必然產物。圖4是維修中心構成的局域網框圖。

    （1）維修中心的功能和局域網構成

    遠程診斷系統維修中心具有實時監測、故障再現、專家診斷、數據信息庫、設備備件庫、系統培訓等功能；該系統維修中心采用微機自動監測，它具備信息采集、信息存儲、分析處理、顯示和打印、報警、分析和處理等功能。

    局域網信息來自電話交換網(或DMIS系統)實現遠程通信，與各個車站微機聯鎖進行信息交換。網絡本身是由網絡服務器、微機聯鎖在線測試設備、數據處理終端、開發測試設備、打印機等硬件設備構成。局域網LAN應該具有100 MB／S以上速率，能滿足圖象傳輸處理能力。

                               圖4   遠程診斷維修中心的構成

    （2）微機聯鎖在線測試設備

    微機聯鎖在線測試設備是一套十分完整的微機聯鎖系統，可以直接模擬現場微機聯鎖設備的功能，它具有遠程實時監測功能和再現故障功能。

    （3）開發測試設備

    維修中心需要有專用的測試儀器，如電子示波器、邏輯分析儀、設備模擬器等。這些儀器通過計算機接口連接到維修中心網絡上的計算機終端上，在專門維修人員的使用下，形成專用開發測試設備，可使基層站段故障板得到及時的維修或返回生產廠進行維修。

    （4）設備備件庫和資料管理庫

    維修中心設有用計算機進行管理的配件庫，保證設備維修的需要。板級維修使站段不再備用器件，它們僅有備用板，當故障發生時，做到板級維修。

    維修中心設有計算機資料管理庫。微機聯鎖系統將不斷進行改進，數據庫保證不同階段設備的系統型號和圖紙資料隨時可以調用和查找。 

4 結束語

    今天世界進入了計算機和信息時代，鐵路信號設備系統的可靠性、可用性、可維護性的問題變得異常的重要，研究和實現計算機遠程診斷系統是維修現代化的需要，鐵路微機聯鎖系統遠程故障診斷和檢測系統技術必將向實用化的方向發展。