铁路信号设备中冗余技术的应用

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【摘 要】随着我国科学技术的发展进步以及其在铁路轨道交通中的应用，促使我国铁路系统向着更加智能化、自动化的方向发展，大大提高了我国列车的运行速度，而铁路信号系统设备则是支持列车高速运行的关键性技术，使我国列车在运行过程中的安全及稳定性能上得到大幅度的提升。本文就冗余技术在铁路信号设备中的应用进行探索分析，以期为保障高速列车更加高效的运行提供相应的技术参考。
【关键词】铁路信号设备系统；冗余技术；应用
随着我国高速铁路运输业的迅速发展，双机热备机构的信号设备在铁路信号系统中得到了广泛的应用，并以其较高的安全性以及智能性对每个单机进行主动的故障诊断，有效提高了铁路信号设备系统运行的稳定性和可靠性；因此，为保障我国铁路高速运行的安全性，必须加强对铁路信号设备系统新科技的研究和开发，重视冗余技术在其中的运行，以便于全面提高铁路信号设备系统的技术装备水平。
1 基于冗余技术的铁路信号设备系统概述
1.1 铁路信号设备系统的主要构成
基于冗余技术的铁路信号设备系统主要可以分为四个构成部分，具体表现如下：
（1）用户层设备
用户层设备主要设置在调度所，而其中的用户主要是指工作于调度所的相关调度人员，主要设备主要包括铁路信号设备系统服务器以及相关的用户终端设备。为确保铁路运行调度的准确性和可靠性，铁路调度所的每个调度台都会设置独立的终端设备，以便于全面掌握本调度台以及相邻调度台的行车信息，一旦列车在运行期间发生任何异常情况，都可通过视频报警等方式及时显现在调度台的终端设备上。
（2）区域处理层
该系统层主要设置在维修段，主要作用是接收由特定管辖区域监控处理层发送过来的相关信息数据，并利用计算机技术、数字化技术等相关技术对所接收的信息进行整理、分析等相关的处理工作，之后在信息数据处理结果的基础上得到相应的预警或者是报警信息，及时上传至用户层，以便于相关调动人员都及时发现和处理列车运行过程中存在的异常情况，保障列车运行的安全性和稳定性。
（3）监控处理层
该系统层的主要作用利用相关监测设备对所处辖区内的相关数据信息进行全过程、全方位的监测，并采集相关的样本数据，进行初步的处理和保存，之后在通过通信网络向所在辖区内的处理层进行数据传输，为其提供用于整理、分析的样本数据。
（4）现场采集层
该系统层是铁路信号设备系统的基层，其主要作用是对铁路运行轨旁的相关设施设备进行数据采集，如对列车运行两侧的风向和风速数据信息进行采集、监测坠落物等，所涉及到的采集内容具有多样性以及分散性两方面的特点。
1.2 铁路信号设备系统相关要求
铁路信号设备系统是高速类车实现运行稳定性和可靠性的关键性技术。因此，在铁路信号设备系统设计的过程中，其结构应满足以下三方面的要求：一是，系统结构的高可靠性，以便于在确保列车顺利运行的同时，保障列车运行的高效率性和安全性；二是，系统结构设计的模块化和集成化，以便于将铁路系统众多的子系统以及设备分布有效集合在一起；三是结构设计人机界面的简洁化，以便于调度员操作，在最短时间内获取最全面、最精确的列车运行信息。
1.3 基于冗余技术的铁路信号双机热备系统构成
铁路信号双机热备系统是在冗余技术及传统铁路信号设备系统的基础上构成的，是对传统铁路信号设备的优化和相关技术的革新，主要包含以下方面：一是，ARM微处理器，其能实现对铁路运行数据信息采集的连续性和实时性，以便于更好的通过GPRS实现对列车运行的远程通信控制，不仅具有低能耗的特点，亦具有较高的性能，能满足现代高速列车运行对安全性和稳定性的较高要求；二是，现场总线，主要作用的是实现对机器控制以及厂内测量间数字通信的高性能化、高可靠性，并以简洁化的结构设计有效提高了配线的利用率，对环境具有较强的适应能力，并保障系统通信的全面数字化、智能化，有效提高了高速列车运行的稳定性和可靠性。
2 冗余技术在铁路信号设备中的具体应用
冗余技术在铁路信号设备中的具体应用主要体现在双机热备系统的硬件设计和软件设计两个方面，具体表现如下：
2.1 冗余技术在铁路信号双机热备系统硬件设计中的应用
（1）冗余技术在双机热备系统中以太网硬件设计中的应用
就目前我国铁路信号设备系统构成来讲，一般主要是通过RTL8019AS网络芯片对系统中的以太网进行控制，保障其各项作用的正常发挥，具有较好的兼容性以及多种模式的自动检测功能，如PNP模式的自动检测以及BNC模式的自动检测等，且具有即插即用的特点，较为方便，并支持外接闪烁储存器的读写操作；此外，在利用冗余技术进行以太网硬件结构设计的过程中，同样也考虑到了保护网络接口方面的问题，并通过添加网络隔离变压器的方式来进一步提升冗余技术在以太网硬件结构设计中应用的稳定性和可靠性，有效保障了列车运行的安全性。
（2）冗余技术在双机热备系统中CAN总线硬件设计中的应用
双机热备系统中CAN总线硬件的结构设计主要包括两个接口：一是，CAN接线收发器，其主要功能是向CAN总线提供差动接收及发送能力；二是，CAN，总线控制器，其主要功能是实现总线和微处理器之间的通信。就我国铁路信号双机热备系统结构设计現状来看，其一般多选用MCP2510作为CAN总线的控制器，该类控制器以其较强的通用性和连接的方便性以及较好的信息管理及滤波作用在铁路信号双机热备系统中得到了广泛的应用，其结构主要由CAN协议引擎、SPI协议模块以及SRAM寄存器、控制逻辑几部分构成，主要工作流程如下：CAN总线在正常工作过程中，通过CAN协议发送和接收报文，并通过SPI接口操作实现对寄存器及缓冲器中的报文发送。在此过程中，一般需要对CAN总线中发送的报文进行全面的检测校验，并与总线硬件构成中的滤波器进行匹配实验，若成功匹配，则进行下一步的报文数据发送。事实证明，将MCP250和冗余技术应用到铁路信号设备中，有效提高了铁路系统运行的稳定性和灵活性。
2.2 冗余技术在铁路信号双机热备系统软件设计中的应用
冗余技术在铁路信号双机热备系统软件设计中的应用主要体现在CAN总线驱动程序的应用上，主要功能是实现CAN总线物理链路上报文的接收和发送。在利用SPI进行信号通信的过程中，主要是通过SCK引脚微处理器向总线中的控制器提供相应的时钟信号，并通过管理SCK时钟信号，用SO和SI来实现数据的传输和转移。
3 结语
综上所述可知，基于冗余技术的铁路信号双机热备系统对于提高铁路运行的稳定性和安全性具有重要的作用。因此，在铁路信号设备研究和新技术的应用过程中，要加强对冗余技术在铁路信号设备软件设计和硬件设计中的应用研究，以便于在保障高速列车运行高效性的同时，提高其运行的可靠性，促进我国铁路运输业的现代化、智能化以及数字化的发展。
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[责任编辑：张涛]