夏禹

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北滄州062350）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鐵路信號設備集中監(jiān)測方面的應用

夏禹

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北滄州062350）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展方興未艾，在信息化背景下的鐵路信號設備監(jiān)測發(fā)展也順應潮流發(fā)展成熟。論文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為導引，深入探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鐵路信號設備集中監(jiān)測方面的應用。分別從鐵路信號設備集中監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)基礎上應用的各種物聯(lián)網(wǎng)感應器件及其原理，通過應用相應的感應器件實現(xiàn)的功能幾方面進行論述。引入大數(shù)據(jù)理論，展望物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合所帶來的更加豐富的應用功能。

物聯(lián)網(wǎng)；鐵路信號；集中監(jiān)測；感應器；大數(shù)據(jù)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.142

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)就是把感知器裝備到各種真實物體上，并通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進而運行特定的程序，以達到遠程控制或者實現(xiàn)物與物的直接通信。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心和基礎仍然是“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”，是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎上的延伸和擴展的一種網(wǎng)絡技術(shù)。其用戶端延伸和擴展到了任何物品和物品之間，進行信息交換和通訊，這種將物體連接起來的網(wǎng)絡就稱作“物聯(lián)網(wǎng)”。

鐵路信號電氣設備相對復雜，其中最主要的分為：道岔、軌道電路、信號機、操作控制臺和供電設備。這些設備的日常監(jiān)測主要是電氣方面的監(jiān)測，包括電壓、電流、頻率、相位和相對應生成的曲線。各個信號設備通過不同的傳感器采集不同的電氣特性數(shù)據(jù)，通過232和422串口通信協(xié)議傳輸至集中監(jiān)測車站子系統(tǒng)進行分類匯總，并設置報警門限值進行系統(tǒng)監(jiān)測。集中監(jiān)測系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議之上的廣域網(wǎng)絡模式。結(jié)構(gòu)可分為監(jiān)測中心子系統(tǒng)（維護中心）、終端子系統(tǒng)（維修工區(qū)、調(diào)度中心）和車站子系統(tǒng)（車站、中間/中繼站、動車段和線路所）。這種模式屬于面向單一機構(gòu)內(nèi)部服務的私有物聯(lián)網(wǎng)模式。

2 集中監(jiān)測系統(tǒng)介紹

2.1 集中監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集中監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理按照處理節(jié)點的地位不同可以分為站機、服務器和維修終端等子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的處理各不相同。集中監(jiān)測系統(tǒng)在車站配置信號設備集中監(jiān)測車站基層系統(tǒng)一套，包括監(jiān)測站機（工控機、打印機、顯示器）、音響、采集機、UPS電源、傳感器件、現(xiàn)場總線控制模塊和接口設備等。采集設備采集模擬量信息及部分開關(guān)量信息。目前，由于集中監(jiān)測連接的設備智能化集成越來越高，大部分開關(guān)量信息（例如站場圖、列車運行狀態(tài)等信息）通過與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)接口和列控中心系統(tǒng)獲得。

具體設備布置如下：（1）在信息中心設置一套信號集中監(jiān)測系統(tǒng)應用服務器。（2）在各個車間分別設置一套維護管理終端和監(jiān)測終端。（3）在各個領(lǐng)工區(qū)設置一套監(jiān)測終端。（4）所有車站信號設備電氣信息都通過各站的車站子系統(tǒng)（以下簡稱站機）匯總并通過網(wǎng)絡上傳至信息中心應用服務器，各個車間和領(lǐng)工區(qū)通過網(wǎng)絡調(diào)用信息中心應用服務器數(shù)據(jù)。

2.2 集中監(jiān)測站機結(jié)構(gòu)

站機負責監(jiān)測系統(tǒng)所需開關(guān)量、模擬量、報警信息數(shù)據(jù)的采集、分類、邏輯分析處理、報警輸出、數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總和存儲回放等功能，并提供了人性化的人機交互界面，以圖形、列表及曲線等方式給電務維護人員提供最有價值的維修狀態(tài)信息，同時接收用戶數(shù)據(jù)及指令的輸入，實現(xiàn)實時、交互式的瀏覽和查詢。另外，站機作為基層采集和執(zhí)行單元，和維護監(jiān)控中心及車間監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，通信方式采用TCP/IP協(xié)議。站機將車站實時的數(shù)據(jù)和報警傳送到上層，并接受上級的控制命令。

整個系統(tǒng)中，車站部分是所有信息的來源及基礎，車站層集中監(jiān)測在功能上包含：2006型信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)、ZPW-2000A型區(qū)間自閉監(jiān)測子系統(tǒng)接口、智能電源屏監(jiān)測接口，預留SCADA環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)接口、轉(zhuǎn)轍機表示缺口監(jiān)測子系統(tǒng)等功能模塊組成。

車站系統(tǒng)包括車站監(jiān)控主機、機柜（采集機柜和網(wǎng)絡機柜）、采集分機（綜合、道岔等）、隔離轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元，區(qū)間自閉信號采集設備（區(qū)間發(fā)送，接收綜合采集器）、UPS電源、打印機（另外選配）以及車站局域網(wǎng)設備等。站機與采集系統(tǒng)之間的通信采用CAN總線和RS422/485串行通信等方式。

車站監(jiān)控主機（簡稱站機，一般為工業(yè)控制機）是車站系統(tǒng)的核心，它負責集中監(jiān)測所需數(shù)據(jù)的采集、分類、邏輯分析處理、報警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總和存儲回放等功能。并提供了集中監(jiān)測的人機交互界面，以圖形、列表及曲線等方式給電務維護人員提供最有價值的維修狀態(tài)信息，同時接受用戶的輸入，實時交互式瀏覽和查詢。

車站監(jiān)控主機作為基層采集和執(zhí)行單元，和維護中心監(jiān)控服務器進行通信，通信方式采用TCP/IP協(xié)議。站機將車站實時的數(shù)據(jù)和報警傳送到上層，并接受上級的控制命令，然后驅(qū)動外圍控制單元。

同時，車站監(jiān)控主機接收道岔缺口分機的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理，匯總并在界面上以圖形、報表、報警等方式顯示，通過網(wǎng)絡傳送到維修中心服務器中，維修中心服務器處理后，再分別送給維修監(jiān)控終端以及其它監(jiān)控終端顯示。同時，上級維修監(jiān)控終端的命令由網(wǎng)絡下發(fā)給車站監(jiān)控主機，由監(jiān)控主機處理后轉(zhuǎn)發(fā)給道岔缺口分機處理。

車站監(jiān)控主機同時負責和智能電源屏數(shù)據(jù)主機以及CTC電務維修機、計算機聯(lián)鎖維修機、列控中心系統(tǒng)維修機、ZPW2000系統(tǒng)維修機等設備進行數(shù)字接口，獲取信息并集中處理顯示。

2.3 維護中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合維護中心系統(tǒng)是集中監(jiān)測系統(tǒng)的中心，通過專用網(wǎng)絡與各個監(jiān)測車站進行通信，收集各個集中監(jiān)測站機的維護維修信息，對于報警信息，及時給出報警提示。同時可以根據(jù)用戶的不同查詢條件形成各種的維護維修匯總報表，便于對設備進行統(tǒng)一維護和維修指導。綜合維護中心系統(tǒng)包括應用服務器、維護終端等子系統(tǒng)。

維護終端包括維護中心調(diào)度終端、系統(tǒng)維護工作站、調(diào)度中心監(jiān)測終端等。監(jiān)測終端可根據(jù)需要和類型進行部署和配置。電務段監(jiān)測終端用于電務段人員的人機操作，監(jiān)測、控制和管理其權(quán)限范圍內(nèi)車站的站場信息；各類開關(guān)量、模擬量和報警信息；電務測試與維修信息等。

3 功能實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集及報警功能

集中監(jiān)測對開關(guān)量在線測量的要求包括按鈕狀態(tài)、控制臺表示狀態(tài)、區(qū)間信號機及軌道占用狀態(tài)、1DQJ狀態(tài)、功能型繼電器狀態(tài)等。

采樣方式主要以接口方式為主：（1）其站場表示開關(guān)量等信息來自計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)和列控中心系統(tǒng)；（2）ZPW2000A區(qū)間自閉系統(tǒng)電壓、電流、載頻以及低頻的測試來自ZPW2000A系統(tǒng)維修機；（3）電源屏電壓、電流和電源狀態(tài)信息來自智能電源屏；（4）外電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測利用專用智能采集器采集；（5）信號機回線電流、交流轉(zhuǎn)轍機功率、道岔表示電壓利用專用智能采集器采集；（6）1DQJ熔絲報警的監(jiān)測采用開入板單獨采集。集中監(jiān)測對模擬量在線監(jiān)測包括：電源屏電壓、電纜絕緣測試、電源對地漏流測試、ZD6道岔電流、交流轉(zhuǎn)轍機功率測試、道岔表示電壓測試、信號機回線電流測試、25Hz相敏軌道電路軌道電壓、ZPW2000A區(qū)間自閉系統(tǒng)電壓、電流、載頻以及低頻的測試等。

集中監(jiān)測系統(tǒng)按照信號設備報警的危險等級共分3級24項，主要報警信息包括：擠岔報警、道岔缺口報警、熔絲斷絲報警、列車主燈絲轉(zhuǎn)換報警、三相電源錯序報警、三相電源斷相報警、斷電監(jiān)測、電源屏輸入電源瞬間斷電報警、UM71發(fā)送故障報警、UM71接收故障報警、補償電容斷線報警以及模擬量電氣特性超限報警等。

系統(tǒng)維護維修信息的匯總和提供給用戶多條件組合查詢功能便于維護維修工對整個系統(tǒng)的維護和提高故障分析及處理的效率。

3.2 數(shù)據(jù)處理和控制功能

集中監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理按照處理節(jié)點的地位不同可以分為站機、服務器和終端電子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理各不相同。

站機負責監(jiān)測系統(tǒng)所需開關(guān)量、模擬量、報警信息數(shù)據(jù)的采集、分類、邏輯分析處理、報警輸出、數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總和存儲回放等功能，并提供了人性化的人機交互界面，以圖形、列表及曲線等方式給電務維護人員提供最有價值的維修狀態(tài)信息，同時接收用戶數(shù)據(jù)以及指令的輸入，實現(xiàn)實時、交互式的瀏覽和查詢。另外，站機作為基層采集和執(zhí)行單元，維護監(jiān)控中心及車間監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，通信方式采用TCP/IP協(xié)議。站機將車站實時的數(shù)據(jù)和報警傳送到上層，并接受上級的控制命令。

應用服務器管理全段內(nèi)所轄車站節(jié)點及與之相連的各類監(jiān)測終端。它主要負責與車站及監(jiān)測終端進行各種業(yè)務數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)流的調(diào)度；掌握所轄各站設備運用狀態(tài)，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行邏輯運算和判斷，發(fā)出合理、適當?shù)闹噶罱o各個功能模塊，并協(xié)調(diào)各個功能模塊之間的同步工作。與數(shù)據(jù)庫通信，進行數(shù)據(jù)交換。綜合業(yè)務服務器應采用雙機熱備系統(tǒng)以增強系統(tǒng)的可靠性。

監(jiān)測終端包括城際軌道交通維護中心調(diào)度終端、系統(tǒng)維護工作站、調(diào)度中心監(jiān)測終端等。監(jiān)測終端可根據(jù)需要和類型進行部署和配置。電務段監(jiān)測終端用于電務段人員的人機操作，監(jiān)測、控制和管理其權(quán)限范圍內(nèi)車站的站場信息；各類開關(guān)量、模擬量和報警信息；電務測試與維修信息等。

4 采樣原理和人機交互界面

信號設備采樣一般為實時采樣，采樣數(shù)據(jù)一般為電壓或電流。下面以信號設備的直流道岔為例，進行詳細分析。

4.1 道岔采樣原理

直流電動轉(zhuǎn)轍機在分線盤或組合選取動作電流回線，采集原理如圖1所示。

圖1 道岔電流采集原理圖

采用可開口式穿心傳感器，徹底與道岔動作電流回路隔離。測試量程0～10A交、直流電流，0～100mA電流線性輸出，經(jīng)濾波電路調(diào)理后輸出0～20mA電流輸出。

每一組道岔動作電流回路對應一個傳感器。需要注意的是直流電機的動作回路穿心時是有方向的，電流反向流過穿心孔時，傳感器輸出為負，經(jīng)濾波電路后輸出為零。

4.2 傳感器應用

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的基礎，通過電壓傳感器、電流傳感器和頻率傳感器可以進行各種電氣設備數(shù)據(jù)的電壓、電流和頻率采集，然后以總線的形式匯總至通信接口分機，通過終端軟件分析顯示至人機交互界面。所以傳感器的靈敏度和精度直接決定基礎數(shù)據(jù)的準確性，而且會間接影響分析的結(jié)果。

例如電流傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的，是一種先進的、能隔離主回路和測試電路的檢測元件，克服了傳統(tǒng)的檢測元件互感器（一般只適用于交流測量）和分流器（無法進行隔離測量）的不足，既可以檢測交流也可以檢測直流，甚至可以檢測瞬態(tài)峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品，如圖2所示。

4.3 連接狀態(tài)

從最底層的道岔電流采集傳感器通過485總線傳輸至道岔采集組合，在組合內(nèi)部進行運算后得到道岔功率，通過485總線傳輸至通信接口分機，通信接口分機再分發(fā)至監(jiān)測機柜的采集板并轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)測主機后進行人機交互界面的顯示。上面的數(shù)據(jù)流程只反映出本地的信息采集、分發(fā)、顯示。然后通過網(wǎng)絡和傳輸設備傳輸至遠端服務器存儲、分析，最后在遠端的各個維護終端進行數(shù)據(jù)維護和遠程指揮。

由于有了互聯(lián)網(wǎng)的支持，從最基礎的現(xiàn)場通過傳感器采樣一組電流數(shù)據(jù)，到幾百公里外以此為基礎的分析、指揮，物聯(lián)網(wǎng)的核心價值得到充分體現(xiàn)，以基層傳感器為基礎，以網(wǎng)絡傳輸為通道，以遠端分析程序為應用的體系正式完成。

圖2 電流傳感器原理圖

4.4 人機交互界面和報警信息處理

鐵路信號集中監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用，通過有線網(wǎng)絡互聯(lián)和應用集成以及基于云計算的專家診斷分析等模式，在鐵路專網(wǎng)環(huán)境下，采用適當?shù)男畔踩Ｕ蠙C制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監(jiān)測、報警聯(lián)動、調(diào)度指揮、預案管理、安全殺毒、遠程調(diào)閱、在線升級、統(tǒng)計報表、專家診斷、決策支持等管理和服務功能，實現(xiàn)對鐵路信號設備的“高效、節(jié)能、安全、統(tǒng)一”的“管、控、營”一體化。通過成立的集中監(jiān)測分析機構(gòu)，層層把關(guān)，實時調(diào)閱，遠程分析，集中調(diào)度，充分利用互聯(lián)互通技術(shù)，將現(xiàn)場設備狀態(tài)數(shù)據(jù)通過軟件分類顯示到各層監(jiān)測終端。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用，各種信號設備現(xiàn)場信息集中匯總至服務器，每日信息條目達到數(shù)萬級，對監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅需要通過軟件進行分類分析，為提高分析人員的工作效率，還要根據(jù)設備維護標準設置不同的報警門限，以達到系統(tǒng)分級別報警功能。集中監(jiān)測系統(tǒng)按照信號設備報警的危險等級共分3級24項，根據(jù)不同報警等級，在各級監(jiān)控終端上顯示報警窗，便于不同監(jiān)測人員重點關(guān)注信號設備不同等級隱患，指揮現(xiàn)場維護人員執(zhí)行相應等級的應急操作流程，將設備維護和設備監(jiān)測工作分開執(zhí)行，使信號設備維護工作更加細化，充分發(fā)揮工業(yè)化分類控制思想在鐵路設備維護工作中的應用，減少人工成本，提高工作效率。

5 總結(jié)和展望

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鐵路設備維護領(lǐng)域的廣泛應用，鐵路信號設備的集中監(jiān)測通過各種傳感器的設置，已經(jīng)覆蓋了信號設備的道岔、軌道、信號機和相關(guān)周邊設備。形成了以各種傳感器為基礎，通過總線傳輸方式收集數(shù)據(jù)，經(jīng)過基層設備的匯總處理，然后再通過網(wǎng)絡傳輸?shù)缴蠈臃掌鬟M行分析，最后在人機界面顯示后對數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果指揮現(xiàn)場信號設備維護工作的一套完整體系。

論文分析了物聯(lián)網(wǎng)概念和鐵路信號設備現(xiàn)狀，并將物聯(lián)網(wǎng)概念融入到鐵路信號設備的電氣特性監(jiān)測中，便于遠程管理和維護。通過對集中監(jiān)測結(jié)構(gòu)的分析，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。通過對集中監(jiān)測系統(tǒng)原理的描述，具體分析物聯(lián)網(wǎng)概念的實際應用。并通過具體的道岔采集功能描述，分析數(shù)據(jù)流向和應用。充分展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實際應用效果。

集中監(jiān)測系統(tǒng)自建立之初就處處滲透著物聯(lián)網(wǎng)思想，而物聯(lián)網(wǎng)建設只是開始，真正要通過物聯(lián)網(wǎng)采集大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并匯總到遠端處理。在此基礎上的數(shù)據(jù)分析必不可少，隨著大數(shù)據(jù)分析概念的興起，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的大數(shù)據(jù)分析正蓬勃發(fā)展。鐵路信號設備集中監(jiān)測在數(shù)據(jù)監(jiān)測基礎上開發(fā)了專家診斷系統(tǒng)，專門針對集中監(jiān)測收集的數(shù)據(jù)進行智能分析處理，提供處理意見。通過大數(shù)據(jù)的分析和電氣特性趨勢分析，為維護人員提供維護思路，將物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析應用到實際生產(chǎn)工作中。

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圖5 吊模安裝現(xiàn)場圖

圖6 傳料口、放線孔等預留洞口鐵盒子的安裝

5 結(jié)語

在高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)建筑中，現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻板抹灰時，非常容易造成空鼓、開裂及脫落現(xiàn)象，導致后續(xù)整改工作量巨大，致使業(yè)主投訴和索賠現(xiàn)象較多，嚴重影響開發(fā)商和建筑施工企業(yè)的聲譽和形象，通過鋁合金模板的使用，會顯著提高工程質(zhì)量，縮短工期，降低施工成本，而且會提高企業(yè)形象和增加社會效益。市場前景十分廣闊，有助于整個行業(yè)的良好發(fā)展。

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【收稿日期】2016-06-22

Application of IoT Technology in Centralized Monitoring of Railway Signal Equipment

XIAYu
（Shuo-Huang Railway Development Co.Ltd.,Cangzhou 062350，China）

Io T Technology development is on the rise,and railway signal equipment monitoring has also developed in the context of in formation.Taking Io T Technology as a guide,the paper discusses the applications of Io T Technology in the railway signal equipment centralized monitoring.From the microcomputer monitoring system of railway signal equipment structure,the Io T sensing device of the structure and its principle,and the function by applying the corresponding induction device implements this paper makes an analysis.It introduces the theory of bigdata,looking to the more application functions from Io T Technology in combination with the big data technology.

Io T technology;railway signal;centralized monitoring;sensor;big data

U284

B

1007-9467（2016）08-0254-03

2016-06-12

夏禹（1982～），男，遼寧昌圖人，工程師，從事鐵路信號監(jiān)測研究。