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铁路交通自动化控制信号论文

铁路交通自动化控制信号论文

摘要:

指出我国机车信号运用中存在着跨制式通用、地面信息不统一、提速与跨交路、“黄闪黄”等问题，阐述机车信号信息标准化工作的主要原则，分析新标准在速差信号含义、码序、信息定义及显示方式等方面的特点。

关键词:

机车信号;信息定义;标准化;原则;

铁路机车信号检测是保证列车安全运行的三大重要因素之一。

目前，我国铁路机车信号主要采用相位连续的频移键控,,,（,,,？

,,;,,,,,,,,,,,,,）调制方式。

它虽然具有数字通信的诸多优点，但也有非线性调制的特点，从而使其实时高精度检测具有很大的困难。

随着数字信号处理技术及,,,器件的发展，在实用中摒弃了传统的利用单片机对,,,信号进行测周的时标方式，而采用新型,,,芯片,,,,,,,,,,,,设计机车信号检测装置。

该装置充分利用了,,,器件的资源，在算法上运用了非常实用的基于最近邻模式识别法的,,,分析方法，使所设计的系统具有集成度高、实时性好、抗干扰能力强、可靠性高等优点。

我国铁路大量运用的机车信号是建立在地面轨道电路基础上的连续式或接近连续式机车信号。

历史上不同的自动闭塞制式产生过各种制式的机车信号，例如交流计数电码机车信号、极频机车信号和移频机车信号。

机车信号的车载信号机由于信息量不同曾经采取过5灯位、6灯位以及现在广泛运用的8灯位信号机。

虽然我国铁路的机车信号达到了基本普及的水平，在安全与效率方面发挥了重要作用，但在机车信号信息标准化方面却一直没有全路统一的标准。

过去地面信息量少，运用中矛盾不太突出。

现在地面信息已增加到8个和18个，机车信号信息标准化工作就提到了非常紧迫的议事日程。

轨道信号

,,信号是利用数字信号对载波频率进行键控调制的信号。

铁路上采用的,,,信号主要有两种:

国产移频信号及法国,,,,,移频信号。

国产移频信号的中心频率,0有四种，分别是下行,,,,,、,,,,,及上行,,,,,和,,,,,，频偏Δ,为,,,,，低频调制频率,L为从,,,每间隔,（,,,至,,,,共,,种信息。

法国,,,,,移频信号的中心频率,0也有四种，分别是下行,,,,,,、,,,,,,及上行,,,,,,、,,,,,,，频偏Δ,为,,,,，低频调制频率,L为从,,（,,,每间隔,（,,,至,,,,共,,种（只用到其中,,种）信息。

机车信号检测的目的就是解调出上边频频率,0H,,0，Δ,及下边频频率,0L,,0,Δ,以确定中心频率,0，解调出低频调制频率,L以确定点灯信息。

参考文献[,]指出，移频信号的频谱是以新出现的频率,0为中心频率，以,L为等差级数向两边展开的。

测试系统组成原理

该系统以,,,,,,,,,,,,,,,为核心，其组成原理框图如图,所示。

机车传感器感应铁轨移频信号，经传感器及信号调理通道电路处理后，送入,,,的模拟信号输入端，由,,,内部,,,转换器按算法设计规定的采样速率采集规定的点数，依,,,算法分别检测出,,,信号的中心频率,0及低频调制频率,L，按状态控制开关规定的上下行、区段、灵敏度等级输出相应色灯控制信号，驱动继电器动作使八色灯显示机相应色灯点亮，并通过继电器动作确认电路的反馈信号以确认点灯是否正确。

若发生中心频率,0改变，便发出过节信号。

最后，用基于,,,的数字合成语音报出相应色灯。

然后进入下一轮信号采集和检测。

在信号分析的同时，还要对信号进行离散有效值计算，一方面用于程控增益放大器的增益控制，另一方面用于检测灵敏度控制，使信号检测符合铁道部颁发的灵敏度要求。

系统信号检测及控制等所有功能仅由一个,,,芯片完成，与参考文献[,]相比，具有很高的集成度。

整个系统置于金属盒内，所有对外连线都有隔离措施，模拟量有隔离放大器;点灯输出有继电器;过节输出、继电器动作确认、语音输出、状态输出有光隔;电源有,,,,,。

μ,监控内建,（,,看门狗及低电压检测，上电及复位有严密的系统自检。

整个系统具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性。

系统设计

（,传感器及信号调理通道电路设计

传感器为,,?

型移频机车信号接收线圈，它适用于非电化区段、电化区段及地铁，用于接收地面轨道传输的移频机车信号。

机车的?

端及?

端车轮前各安装一对，每对线圈平行置于两侧轨道上方距轨道,,,,,;,处，按同名端串联后由带屏蔽两芯电缆接至装置，再由双刀双置开关选择向前的一端传感器信号送入隔离放大器，,,,,,。

，,,,,,为,,公司采用新颖的滞回调制,解调技术所设计的低成本精密电容隔离放大器。

它由分别放置在壳体两边的输入部分和输出部分组成，因为输入部分和输出部分的电路完全对称，制造时又采用激光调整工艺使两部分完全匹配，因此使输出端能高精度复现输入信号。

这种电路与光隔离放大器、变压器耦合隔离放大器的不同之处在于通过隔离电容传输的不是模拟信号，而是通过滞回调制,解调技术产生的,,,,,,数字调制信号。

隔离元件的特性不会影响信号的完整性，而且具有较好的高频暂态性能。

在器件的输入和输出部分分别由两个?

,,,,,,模块提供隔离电源，不用任何外部元件，传输系数为,:

，其增益误差小于?

（,,。

程控放大器选用的是,,,,,,,，为单端输入通用仪用放大器，通过数字电平直接选择的基本编程增益为,、,,、,,,。

增益选择由,,,芯片,,,,,,,,,,,,的，,,口控制。

在该系统中，,,,,,,的工作电压为?

,，而,,,的工作电压为,（,,，由于,（,,逻辑电平可以直接驱动,,,,,,逻辑电平，故直接将,,,,,,的增益控制端,0及,1接到,,,的，,,端。

低通滤波器及直流偏置由,,,,,和,,,,,,,（,组成。

将,,,,,,,（,提供的,（,,基准电压衰减一半后所得,（,,,直流电压与有源滤波器输出的纯交流信号相加，送入,,,的模,数转换器输入端供,,,采样。

传感器及信号调理通道电路如图,所示。

（,八色灯显示驱动及确认电路设计

八色灯显示机为八个,,,灯泡，由七个双刀双置继电器控制其亮灭，还有一个电子开关控制灯泡,,,电源的开关。

八个色灯按安全级别顺序由继电器接成互锁逻辑，每个继电器的两对触点取相反的逻辑经光耦反馈给,,,的，,,端口作为点灯确认信号。

,,依,,,解调的结果输出某色灯点灯信号，然后读取反馈的点灯确认信号来判断点灯是否正确，以防不能正确点灯的事件发生。

电子开关除能关闭所有色灯外，还在需要改变色灯时，它能先关断,,,灯泡电源，然后,,,再输出点灯信号，使继电器无电换档，延长继电器的使用寿命。

（,,,,系统电路设计

,,为,,,,,,,,,,,,,，由于其，,,口有,,个之多，故系统的所有输入输出开关量均由,,,的，,,口直接驱动，,,,内带,,,子系统，将处理后的移频信号送入其,,,端，由定时器定时启动。

,,内部程序,,,,,空间有,,,字，除一部分用于程序空间外，还可以存放八个色灯的语音。

考虑到,,,内部,,,的超时复位时间太短，选用,,,,,,,作μ,监控，它提供上电复位、手动复位、超时复位，,,,的电源为由,,,,,,,,提供的,（,,电源。

由于篇幅所限，,,,系统电路原理图略去。

读者感兴趣可与作者联系。

（,最近邻模式识别及车载,,,信号的检测方法

最近邻法是最重要的模式识别方法之一。

最近邻法决策规则为:

对于,类问题，设类ωi（）有,,个样本,j（i）（i）。

针对一个待识模式,，分别计算它与,,Σ,i个已知类别的样本,j（i）的距离，将它判为距离最近的那个样本所属的类ωi。

,,信号的模式识别检测方法分为采样、识别和判决三个步骤。

将已知类别不同模式的,,,信号选取一定的采样频率和采样点数，分别对其取样后进行,,,变换，并选取各种情况下中心载频附近的若干值构成各已知类别的样本。

对于实际待测,,,信号，以相同采样频率和采样点数取样，并作,,,变换处理，选取中心载频附近若干值作为待识模式。

根据模式识别的最近邻法决策规则，将待识模式与各已知类别的样本分别进行比较，计算其与各样本的距离，最后将待识模式判为与其距离最近的那个样本所属的类。

进行模式识别时应保证相比较的频谱具有相同的频谱分辨率，即对,,,信号取样时应选择相同的采样频率和采样点数。

经过大量的计算机仿真和实时实验得出:

对国产移频，选取采样频率为,,,,,,，采样点数为,,,,点，均选取中心载频附近的,,个频谱模值作为样本值;对法国,,,,移频，选取采样频率为,,,,,,,，采样点数为,,,,点，均选取中心载频附近的,,个频谱模值作为样本值。

采用最近邻模式识别检测法可以准确识别信噪比低于,,,,,的信号。

依照这样的方法，对全部国产移频信号及法国,,,,,移频信号的各,种中心频率和,,种低频调制频率的,,,信号在不同初始相位时进行了实测，均取得了满意的结果。

采用最近邻模式识别检测法解调,,,信号可以有效地克服欠采样所带来的采样时间过长的弊端，能够准确快速地识别各低频调制频率。

程序设计及实验结果

程序流程图如图,所示。

系统已设计完成并安装试运行。

对全部国产移频信号及法国,,,,,移频信号的各,种中心频率和,,种低频调制频率进行了实测，不仅检测结果正确，实时性亦满足铁路部颁标准。

系统信号检测及控制等所有功能仅由一个,,,芯片完成，并配有完备的软硬件抗干扰设计，保证了所设计的系统具有集成度高、实时性好、电路简单、可靠性高等优点。

机车信号运用的主要问题5

5（1机车信号跨制式通用问题

由于历史原因，我国铁路在不同线路的区段内建有各种制式的自动闭塞，特别是在枢纽地区，周边相连的几条线路大都有2种以上的自动闭塞制式。

当时的机车信号与各种自动闭塞制式相配套，互相之间不能兼容通用，甚至在同一制式的电气化与非电气化区段也不能兼容。

由于机车信号不能跨制式兼容，使仅安装一套机车信号设备的列车在枢纽内不能连续地工作。

5（2地面信息不统一问题

早期的机车信号和地面信息最多只有4个，在运用中机车信号和地面显示相符即可。

随着UM71的引进和8信息移频、18信息移频的研制成功，对18个信息的定义和使用要制订统一的标准。

1998年在“JTl型通用机车信号设备”的标准制订中，曾对移频信息作了初步定义，但UM71是多种定义。

移频信息定义尚存在一些问题，如反向行车信息中，8信息移频采用30Hz信息，而18信息移频采用7Hz信息。

当机车交路扩大以后，机车信号与地面信息不统一、不标准的问题更加突出。

5（3提速与跨交路问题

我国铁路经过4次大规模提速，提速里程达到13000km。

虽然速度提高到140，160km,h，但某些区段的自动闭塞仍按120km,h设计，并没有根据提速要求进行相应改造。

在四显示自动闭塞区段，按160km,h设计时，其绿黄显示表示按规定速度注意运行，含义是预告注意;而按120km,h设计时，提速后其绿黄显示含义是一级减速信息。

特别是提速以后，在半自动闭塞和三显示自动闭塞区段，列车进站前机车信号预告信息不足，使列车速度控制距离不够，存在一定安全隐患，要通过特殊规定来弥补这一不足。

5（4不适应新《技规》的“黄闪黄”问题

新《技规》针对18号道岔，在第317条明确规定了1个黄色闪光和1个黄色灯光的显示意义，而机车信号却没有与之相对应的规定。

当地面信号机是“黄闪黄”或双黄显示时，机车信号信息与显示均不能区分，造成列车只能按双黄显示控制速度，没有发挥“黄闪黄”能提高通过能力的作用，因此，要急需补充“黄闪黄”的信息定义。

6机车信号信息标准化的主要原则

机车信号信息标准化工作主要包括机车信号信息定义、分配以及典型使用示意图3大部分。

其主要原则如下。

（1）要覆盖我国铁路所有闭塞区段。

机车信号信息标准化定义及分配是面向全路的通用标准，因此，必须要适应我国所有闭塞区段，包括半自动闭塞、三显示自动闭塞、四显示自动闭塞以及特殊区段。

所谓特殊区段包括5种，即列车运行速度小于或等于160km,h的半自动闭塞区段、列车运行速度小于或等于200km,h的自动闭塞区段、列车从制动到停车需要3个闭塞分区的自动闭塞区段、采用双红灯防护的自动闭塞区段，以及上述几种区段的组合等。

上述5种特殊区段又分为普速区段、提速区段和准高速区段。

由于变频点式、极频、交流计数电码和4信息移频等制式不是今后发展的方向，并且信息数量少于4个，若维持原信息使用定义和分配，与新标准不会发生矛盾，所以新标准未包含其内容。

（2）信息定义及分配要充分向下兼容。

新标准是针对当前机车信号信息使用中，矛盾较为突出的多信息（包含18信息）移频和UM71制式，在满足提速需要的同时尽可能地发挥现有信息的作用，并充分向下兼容。

在通用机车信号设备的基础上，以进路预告式向下兼容，做到信息统一定义及分配，即在不同速度区段使用的信息不会出现多种定义和不同的解释，可以保证机车在跨交路运行时，按新标准生产的机车信号设备均可正常接收和显示。

新标准的制定和实施，将加速非通用机车信号的更新换代。

新标准对四显示自动闭塞区段定义了9个信息，在8信息移频制式的区段，要对进站点和带有允许信号的通过信号点进行低频信息增加，并调整所有8信息发送的低频信息。

因此，今后要按新标准组织生产移频产品。

（3）坚持机车信号适应160km,h以下范围。

在机车信号信息标准制定过程中，存在2种观点:

一是认为应明确规定与半自动、三显示和四显示自动闭塞相应的机车信号所适应的列车速度范围。

如半自动闭塞和三显示自动闭塞区段应明确规定适用于120km,h及以下;二是认为机车信号属进路式预告显示，不是超防设备，同一显示就有不同的速度含义。

如11Hz在120km,h区段代表120kmh以下，在140km,h区段代表140km,h以下，在160km,h区段代表160km,h以下。

对于线路上规定的具体速度，列车只能依靠机务运行监控记录装置或司机根据各线路不同速度的规定进行控制。

因此，机车信号信息标准化定义及显示不直接与具体速度挂钩，只宏观上按《技规》第92条规定，限定适用于运行速度在160km,h及以下的列车。

（4）要维持8灯位人机界面。

目前通用机车信号是建立在8灯位人机界面的基础上，即绿（L）、绿黄（LU）、黄（U）、黄黄（U2）、黄,黄（U,U）、红黄（HU）、红（H）、白（B）。

在研究讨论中，一些专家认为，应借机车信号信息标准化定义的机会，实现行车速度指令数字化显示，以弥补8灯位信息的不足。

但具体研究发现，即使是18个信息用足也满足不了速度等级划分的需求。

此外，在枢纽地区，绿灯显示的允许速度等级非常杂乱，要实现速度指令数字化显示，需要更大的信息量，现阶段速度数字化显示基本是不可行的。

因此，这次机车信号信息标准化定义仍然维持8个灯位的人机界面。

新增加的信息与机车信号8灯位机构显示的对应关系上，采用了两种办法:

一是增加闪光显示，如黄闪黄信息是通过双半黄灯的闪光来显示。

红白（HB）信息是通过红黄（HU）灯位的闪光来实现。

二是本着列车速度控制含义相同的原则共用灯位，如绿灯位有3个信息，绿3信息、绿2信息以及绿信息;黄灯位有3个信息，黄信息、黄3信息以及绿黄2信息。

这样既解决了信息增加后的显示数量，又不必对车载信号机做大规模的改动。

（5）机车信号显示要与地面显示含义相符。

这次标准化定义工作，基本以现行《技规》为依据，做到机车信号显示与列车接近的地面信号机显示含义相符，并增强了速差含义。

一是保留原来的基本含义，易于人们接收;二是给司机提供更多、更明确的信息量，特别是速差含义更加明确。

不要求与地面信号机显示一致对应，但速度意义必须相符。

如在京广线郑武段，其四显示自动闭塞区间是按120km,h设计，当列车速度达到120km,h时由2个闭塞分区保证全制动距离。

当列车速度提高到160km,h时，需要3个闭塞分区保证全制动距离。

此时地面的绿黄灯显示和其他四显示区段的绿黄灯显示意义完全不同，在其他区段是预告注意信息，而在郑武段却是一级减速信息。

在机车信号显示上，为体现减速含义，用一个黄灯显示，这出现子与地面显示不同的情况，但速度含义相符，增强了速差含义。

7新标准的主要特点

7（1增强了速差信号的含义

目前铁路信号主要有进路制和速差制信号2种显示方式。

进路制信号以指示列车进入不同进路为原则的信号显示制度。

速差制信号是每一种信号显示均表示不同行车速度的信号显示制度。

我国铁路既有的信号显示基本属于进路式简易速差信号显示方式，其

的显示上。

世界各国铁路的信号显示方式随着列车运行速度的提高正在向速差速度含义主要体现在进站信号机（含接车进路信号机）

速差制信号显示方式转变，随着我国铁路提速，四显示自动闭塞正在逐步推广，其信号显示方式中的速差含义也止在逐步增强。

机车信号显示方式也正向着速差方式转变，在复示地面信号显示的同时，速差含义日益十富、在这次新标准制定中得到了充分体现。

如属于限速运行的信息有双半黄色灯光显示（限速45km,h）、双半黄色灯闪光显示（限速80km,h）以及红黄灯闪光显示（限速20km,h）。

属于速差信号信息的有四显示及特殊区段的黄灯、黄2、黄2闪、黄3、绿黄2等信息。

它们都明确提出要减速到规定的速度等级，通过接近的地面信号机。

属于预告要减速的信息有三显示的黄灯、四显示的绿黄灯信息。

所以说，新标准增强了速差信号的含义。

7（2采用了码序的概念在以往的四显示区段，当绿黄灯显示时，预告司机前方可能是黄灯要减速，要注意驾驶，但前方到底是不是黄灯并没有码序的约定。

这次新标准对进站信号两个黄灯显示上，明确采用了码序的概念。

如收到黄2闪光信息时，越过前方信号机后，下一个信号肯定是双半黄闪光信息。

收到黄2灯光信息时，越过前方信号机后，下一个信号肯定是双半黄灯光信息。

这

样司机可以提前两个闭塞分区就知道进站信号机给出了进侧线命令。

这种码序方式明显增强了预告性。

码序的概念将随着主体化机车信号和超速防护系统的推广而口益普及。

7（3增加了信息定义及显示方式

这次机车信号信息标准化工作，新定义了“黄闪黄”信息和显示方式。

2000年版《技规》为提高列车侧线通过速度充分发挥18号道岔的运输能力，在第317条增加了进站信号机“一个黄色闪光和一个黄色灯光”的显示。

地面信号显示增加了，但机车信号并没有规定这一信息及相应的显示，致使机车信号一律按照双半黄色灯行车，限制了通过速度。

又由于我国铁路提速和达速后，列车制动距离加大，三显示自动闭塞在进站口的地面信号显示明显不足，存在一定的安全隐患。

要解决上述问题，司机必须在预告处就应明确知道该列车是通过、正线停车、侧线停车还是机外停车等。

新标准对进站双黄显示作了较大变化，当进站信号是双黄显示时，在三显示自动闭塞区段采取四显示的处理方式;在提速半自动闭塞区段上，机车信号除采用了四显示的处理方法外，还增加了地面发码区段。

在纵列式站场及枢纽内，地面进站或进路信号机显示绿黄信息时，机车信号过去是降级为黄信息，这使司机要提前减速度，影响了通过能力。

这次增加的绿黄信息，表示前方信号机开放，距停车地点至少有2个空闲区段，要注意运行，这可提高通过能力。

7（4兼顾了200km,h区段运行160km,h列车的需求

目前，我国铁路最高运行速度达到200km,h的区段，尚未采用数字轨道电路（新建的秦沈客运专线例外），仍使用18信息自动闭塞及分级速度控制超防系统。

在这些区段以160km,h及以下速度运行的列车，大都安装通用式机车信号加机务监控装置。

对此，铁道部明确要求，新标准要涵盖这一情况，保证通用机车信号设备在200km,h区段能正常工作。

这要求机车信号设备在信息接收方面要向上兼容。

为此，本标准将其归入特殊区段机车信号信息定义中，并增加了绿3、绿2信息。

机车信号的绿3、绿2信息和普通绿信息在速度限制上没有区别，表示准许列车按规定速度运行，且速度在160km,h以下。

对于200km,h列车的超速防护设备，以上3种信息有明确的含义，绿信息表示前方最少空闲3个闭塞分区，绿2信息表示最少空闲4个闭塞分区，绿3信息表示最少空闲5个闭塞分区。

速度等级由超速防护系统作具体规定，这样可使超速防护系统与机车信号在信息使用上兼容和统一。

7（5以3个闭塞分区满足列车制动距离的规定

在四显示自动闭塞区段，当列车运行速度在160km,h及以下时，通常用2个闭塞分区保证列车从最高速度达到停车。

目前有些四显示自动闭塞区段用3个闭塞分区来保证全制动距离，此时山现了多个速度等级。

在这次机车信号信息分配及定义中，用3个闭塞分区保证全制动距离的情况归人特殊区段信息分配及定义，增加了绿黄2信息。

这时机车信号与地面信号显示不一致，但含义相符。

当地面显示绿黄灯时，要发绿黄2码。

地面绿黄信号已不是一般四显示区段的预告注意含义，而是一级速差减速命令。

绿黄灯前的绿灯显示要求发绿黄码，此时地面绿灯相当于一般四显示自动闭塞的绿黄灯含义，表示准许列车按规定速度注意运行，预告前方可能要减速。

上述机车信号显示与地面信号机显示不同，但速度含义相符，提高了列车运行的安全性。

这是本次信息标准化定义的一个重大变化。

7.6“双红灯区段”的规定

目前，我国带有防护区段的自动闭塞通过科学地计算和合理地布点，其通过间隔可达到6min，并且自动闭塞系统的安全性大大提高。

带防护区段的自动闭塞，在区间用双红灯防护，在进站口用双黄灯防护，这时的黄灯表示低于一般黄灯的速度等级，出现了多个速差等级。

为此专门定义了一个黄3信息，以示区别。

在人机界面采用8灯位车载信号机的原则下，规定收到该信息的机车信号仍显示一个黄灯，表示减速到规定的速度等级。

它与一般黄灯信息的区别是通过机车信号设备的速度输出接口输出不同的信息，在机务运行监控记录装置上可明确区分其不同的速度等级。

一是黄灯表示减速命令，要求列车至少经过了两级减速;二是监控装置可明确区分，并加以监控。

所以这样的规定不会存在安全问题。

综上所述，新标准《机车信号信息定义及分配》的制定是一项涉及面非常广范、技术含量较高的工作，既要考虑信息的上下兼容，以适应我国所有区段，同时还要考虑今后实施过程中，既有设备改造工作量的大小，以减少对运输秩序的干扰程度。