一种铁路信号系统及智能故障诊断方法与流程

本发明涉及铁路信号系统领域，具体为一种铁路信号系统及智能故障诊断方法。

背景技术：

铁路信号系统通常由列车运行自动控制系统(atc)和车辆段信号控制系统两大部分组成，用于列车进路控制、列车间隔控制、调度指挥、信息管理、设备工况监测及维护管理，由此构成一个高效综合自动化系统。

铁路信号系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运输效率的关键系统设备。

铁路信号的的作用是保证列车运行安全，有效提高铁路运输效率，降低运输成本，大大改善行车人员的劳动条件，因此铁路信号装备是组织指挥列车运行、保证行车安全、提高运输效率、传递行车信息、改善行车人员劳动条件的关键设备。

但是，现有的铁路信号系统存在以下缺陷：

(1)铁路信号系统安全计算机系统只有一个主计算机和一个从计算机，主计算机和从计算机均参与信号的处理和数据的运算，主计算机输出结果，但当其中一个计算机尤其是主计算机损坏时，便无法输出计算结果，从而影响铁路信号系统的正常工作；

(2)信号设备和信号网络线、电力线经常工作在露天环境中，容易受外界雷电的影响，轻则使信号传递紊乱、信号传达延时、计算机接收信号不准确，重则雷电的高电流或高热量劈坏或烧坏信号设备，从而影响了铁路信号的安全性和稳定性，虽有一般的避雷装置，但一般的避雷针或避雷器只能避掉50％的雷电流，且雷电流流过电线、网络线时因高电势差产生的火花和高温易使电线或网络线的绝缘皮融化，进而造成短路的危险；

(3)故障诊断方法比较落后，诊断故障效率慢。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种铁路信号系统及智能故障诊断方法，逻辑处理单元、容错及安全管理单元配合逻辑处理单元和外部设备管理单元共同组成了安全计算机系统的二乘二取二结构和双机热备结构，通信效率高，提高了故障诊断效率，提高了铁路信号系统的安全性、容错率，采用多种防雷装置保护了铁路信号系统的所有控制系统、信号设备、信号传输路径，提高设备寿命和防雷能力，设计的故障知识库使故障诊断系统能随时更新故障信息和相应的最佳解决故障方案信息，加快了处理故障的效率，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所通过的技术方案是：

一种铁路信号系统，包括信号系统和避雷网络系统，所述信号系统包括计算机控制平台和外部信号设备、外部诊断预警设备，所述外部信号设备、外部诊断预警设备均与计算机控制平台相连接；

所述计算机控制平台内部设有容错及安全管理单元、外部设备管理单元、和逻辑处理单元，容错及安全管理单元、外部设备管理单元和逻辑处理单元三个单元两两之间均具有关联关系；

所述避雷网络系统安装在信号系统一侧，所述避雷网络系统包括线缆避雷装置、信号设备避雷装置和控制室避雷装置，线缆避雷装置、信号设备避雷装置、控制室避雷装置两两之间均通过导雷线相连接。

进一步地，所述逻辑处理单元包括四个lpu，其中两个lpu设在x架构下，另两个lpu设在powerpc架构下，x架构下的两个lpu与powerpc架构下的两个lpu选择不同的操作系统和变成语言实现其功能。

进一步地，所述外部设备管理单元包括四个pmu，其中两个pmu设在x架构下，另两个pmu设在powerpc架构下，x架构下的两个pmu与powerpc架构下的两个pmu选择不同的操作系统和变成语言实现其功能。

进一步地，所述容错及安全管理单元包括两个ftsm，其中一个ftsm基于arm架构使用c语音实现其功能，另一个ftsm基于dpga架构使用硬件描述语音实现其功能。

进一步地，所述信号设备避雷装置包括安装在信号设备电源上的电源防雷器、安装在以太网网络接口上的网络信号防雷器和安装在监控设备上的组合信号防雷器，电源防雷器、网络信号防雷器和组合信号防雷器两两之间均通过等电位线相连接。

进一步地，所述控制室避雷装置包括与室内非信号线导体相连接的雷电屏蔽网，雷电屏蔽网的顶端连接有避雷针，雷电屏蔽网通过导雷线连接有等电位箱。

进一步地，所述线缆避雷装置包括套设在缆线和电线外侧的防雷耐高温保护管，防雷耐高温保护管内安装有若干绝缘隔板条，防雷耐高温保护管外侧通过线槽安装有若干平行的铜线，相邻两根铜线之间通过若干根弧形导线相连接，铜线通过等电位线与列车导轨、导雷线相连接。

另外，本发明还提供了一种铁路信号系统的智能故障诊断方法，包括设立故障诊断系统，故障诊断系统包括车站设备工作状态检测系统、实时监控系统和故障专家系统，系统诊断故障的过程包括如下步骤：

s100、车站微机检查监视状态检测系统的各种传感器、监测机、接口设备、实时检测车站信号设备的工作状态，并且微机监测系统的工作机记录、信号设备的状态信息、符合故障征兆的故障现象信息；

s200、故障信息通过信息接口和以太网途径传输给故障专家系统，系统经过知识处理和分析后，得出信号设备及铁路信号的故障原因提示信息；

s300、故障专家系统根据故障知识库提供维修建议方案的提示信息；

s400、铁路技术人员通过进一步测试和判断，结合专家的观点和意见，制定铁路维修方案。

进一步地，所述故障专家系统具有根据接收到信号检测监视设备发送的异常信号信息判断故障原因的功能，若故障专家系统未判断出故障原因与真实故障原因有差异，则故障专家系统收集此次故障入故障知识库保存起来，每次故障专家系统检测到新的故障类型也会将新故障保存进故障知识库。

进一步地，故障知识库的建立步骤如下：

s201、故障专家系统采集信号设备的正常状态和各种异常状态，生成状态信息数据库，形成实例集，实例集包括铁路信息的故障类别、故障原因和诊断效率；

s202、使用故障树分析法生成故障决策树；

s203、将决策树内的决策和维修建议集合起来，形成解决方案集；

s204、将专家通过推理和铁路技术人员的实际维修得出的经验和决策也录入解决方案集，作为铁路信号故障的解决建议和参考。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的逻辑处理单元、容错及安全管理单元配合逻辑处理单元和外部设备管理单元共同组成了安全计算机系统的二乘二取二结构和双机热备结构，二乘二取二结构具有两个通信通道，通信效率更高，双机热备结构使安全计算机系统具有两个完全相同的计算机，二取二模式下的计算机可通过切换控制单元控制两个计算机的主、从切换，主计算机和从计算机均参与数据的运算、逻辑的判断、故障的诊断，最后主计算机输出故障诊断结果，双机热备和二取二模式下的安全计算机系统不仅靠两个计算机提高了故障诊断效率，从而使故障的维修和控制更加及时，从而大大增加了铁路交通的安全性，且因为具有两台计算机运算，所以即使一台计算机损坏，另一台计算机可以立刻作为主计算机来处理铁路故障，从而提高了铁路信号传递和命令执行的容错率，提高了系统的安全性。

(2)本发明的采用雷电屏蔽网形成的法拉第笼对控制室内的所有设备进行防雷电、防静电保护，然后再利用各种防雷器对电源、网络接口和视频监控器进行保护，再利用防雷耐高温管再对网络线和电力线进行防雷保护，从而保护了铁路信号系统的所有控制系统、信号设备、信号传输路径，且最终通过导雷线将铁轨和各种防雷装置连接到等电位箱上，从而使所有防雷装置保持等电位，保证了铁轨不被雷电击毁，也保证了所有防雷装置的等电位性，放射火花更少，提高了防雷装置的稳定性和耐雷击能力。

(2)本发明的设计了故障知识库，使故障诊断系统能随时更新故障信息和相应的最佳解决故障方案信息，故障知识库具有自我学习和不断进步的能力，使安全计算机系统能识别更多的铁路信号系统的故障，利用故障知识库的故障例集和存储经验智能识别故障并给予相关技术人员以解决故障的最佳参考方案，加快了处理故障的效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的线缆避雷装置正剖面结构示意图；

图3为本发明的线缆避雷装置端剖面结构示意图；

图4为本发明的计算机控制平台内部单元结构示意图；

图5为本发明的智能故障诊断方法的流程图。

图中标号：

1-信号系统；2-计算机控制平台；3-外部信号设备；4-外部诊断预警设备；5-避雷网络系统；6-线缆避雷装置；7-设备避雷装置；8-控制室避雷装置；9-导雷线；

21-容错及安全管理单元；22-外部设备管理单元；23-逻辑处理单元；

61-防雷耐高温保护管；62-绝缘隔板条；63-铜线；64-弧形导线；

71-电源防雷器；72-网络信号防雷器；73-组合信号防雷器；

81-雷电屏蔽网；82-避雷针；83-等电位箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本发明提供了一种铁路信号系统，包括信号系统1和避雷网络系统5，信号系统1包括计算机控制平台2和外部信号设备3、外部诊断预警设备4，外部信号设备3、外部诊断预警设备4均与计算机控制平台2相连接，外部信号设备3包括对铁道状况的监控设备、铁路列车的测速设备、各列车的行车状况显示设备、信号传输设备，能监测列车和铁路的各项性能，以保证列车在铁路上的行车安全。

诊断预警设备4能根据计算机存储的诊断数据和诊断依据判断列车或铁轨是否产生故障，若有故障，则诊断预警设备4还会发出预警，提醒列车停车和技术人员尽快解决故障。计算机控制平台2则是信号系统1的核心，所有的故障和信息计算都需要计算机控制平台2来进行，比如对列车速度信号的对比和计算、将铁轨信息与正常信息对比得出是否产生故障，计算机控制平台2还能根据某些故障和紧急情况自动控制车站或列车停车，以保证紧急故障下的列车安全性，使故障的解决更加具有及时性、高效性。而避雷网络系统5能极大地降低直击雷和感应雷对铁路信号系统的雷击伤害，从而保证了信号系统信息传递的安全性和稳定性，提高了铁路信号系统的使用寿命。

计算机控制平台2内部设有容错及安全管理单元21、外部设备管理单元22、和逻辑处理单元23，容错及安全管理单元21、外部设备管理单元22和逻辑处理单元23三个单元两两之间均具有关联关系。

容错及安全管理单元21包括两个ftsm，其中一个ftsm基于arm架构使用c语音实现其功能，另一个ftsm基于dpga架构使用硬件描述语音实现其功能。逻辑处理单元23包括四个lpu，其中两个lpu设在x86架构下，另两个lpu设在powerpc架构下，x86架构下的两个lpu与powerpc架构下的两个lpu选择不同的操作系统和变成语言实现其功能。外部设备管理单元22包括四个pmu，其中两个pmu设在x86架构下，另两个pmu设在powerpc架构下，x86架构下的两个pmu与powerpc架构下的两个pmu选择不同的操作系统和变成语言实现其功能。

容错及安全管理单元21、外部设备管理单元22和逻辑处理单元23三个单元之间的具体连接关系如下：

两个ftsm之间通过e信号线相互通信，arm架构下的ftsm通过a信号线与四个lpu相连接，fpga架构下的ftsm通过b信号线与四个pmu相连接，x86架构下的lpu与x86架构下的pmu通过c信号线相连接，powerpc架构下的lpu与powerpc架构下的pmu通过d信号线相连接，四个pmu均与外部设备的输入端和输出端相连接。

容错及安全管理单元21能及时地对信号系统进行检查和纠错，信外部信号设备先将铁路的检测信号传递到容错单元内，以检测铁路信号是否异常，然后做出一定的处理信号和处理决策，即若信号处理产生了差错和失误，容错单元也会暂时地允许处理信号通过，处理信号传递到安全管理单元中后，管理单元会将错误的处理信息和决策剔除掉，以提高决策准确性和高效性。

外部设备管理单元22不仅具有对信息的数字量、模拟量、脉冲量的输入和输出能力，还具有有线和无线通信能力，无线通信能力有效防止了因信号线损坏而造成的信息传递断裂造成的铁路和列车故障未得到及时发现和处理的不良后果，且外部设备单元22还具有针对信号系统电路、轨道控制电路、列车停车电路的智能输入和输出能力，从而能保证电路稳定的运行，也使列车能在信号系统检测出故障后能及时地停车，从而避免列车事故的发生，极大地降低了铁路故障的损失。

逻辑处理单元23能处理各种铁路信号信息、诊断信息和处理信息之间的逻辑关系和控制关系，使铁路信号的判断更加具有原则性和规则性,从而使故障诊断更加准确。

优选的是，逻辑处理单元23由两组共四个lpu组成，每两个lpu构成一个二乘二结构，容错及安全管理单元21配合逻辑处理单元23创建一个二乘二取二机制，并与外部设备管理单元22配合使计算机具有双机热备的功能，二乘二取二结构具有两个通信通道，通信效率更高，双机热备结构使安全计算机系统具有两个完全相同的计算机。二取二模式下的计算机不存在主、从关系，可通过切换控制单元控制两个计算机的主从切换，主计算机和从计算机均参与数据的运算、逻辑的判断、故障的诊断，最后主计算机输出故障诊断结果，双机热备和二取二模式下的安全计算机系统不仅靠两个计算机提高了故障诊断效率，从而使故障的维修和控制更加及时，从而大大增加了铁路交通的安全性，且因为具有两台计算机运算，所以即使一台计算机损坏，另一台计算机可以立刻作为主计算机来处理铁路故障，从而提高了铁路信号传递和命令执行的容错率，提高了系统的安全性。

避雷网络系统5安装在信号系统1一侧，避雷网络系统5包括线缆避雷装置6、信号设备避雷装置7和控制室避雷装置8，线缆避雷装置6、信号设备避雷装置7、控制室避雷装置8两两之间均通过导雷线9相连接。

信号设备避雷装置7包括安装在信号设备电源上的电源防雷器71、安装在以太网网络接口上的网络信号防雷器72和安装在监控设备上的组合信号防雷器73，电源防雷器71、网络信号防雷器72和组合信号防雷器73两两之间均通过等电位线相连接。

电源防雷器71主要安装在配电房、配电柜、交流配电屏、开关箱和其它重要设备、容易遭受雷击设备的电源进线处，以保护设备免遭沿电源线路侵入的雷击过电压造成的损害，其工作原理是防雷器内部具有一根传雷导线，在没有瞬时过大的电压经过防雷器时，传雷导线表现为高阻抗，导线内部几乎没有电流，当雷电传递到防雷器内部时，传雷导线上瞬时电压过大，而导线的阻抗突变为低阻抗状态，允许雷电流通过，从而将雷电流通过导雷线9传递到等电位箱83上。

组合信号防雷器73能对多种类型信号进行防雷保护，如视频、声音、数据和电信号的组合信号，保护了监控的稳定性。网络信号防雷器72能使雷电对信号设备的信号传输、数据计算过程影响到最小，也极大降低了雷电通过网络信号雷击损坏信号设备的风险性，提高了信号设备在雷电环境下的信号传输稳定性，从而保证了铁路信号传递的即时性和故障诊断的及时性，大大提高了铁路信号系统和铁路交通的安全性。

控制室避雷装置8包括与室内非信号线导体相连接的雷电屏蔽网81，雷电屏蔽网81的顶端连接有避雷针82，雷电屏蔽网81通过导雷线9连接有等电位箱83。雷电屏蔽网81是一个覆盖铁路信号控制室所有设备的导电金属网。

雷电屏蔽网81组成一个法拉第笼，当雷电劈到控制室上方时，雷电先被避雷针82吸引，然后从法拉第笼传递到地下的导雷线9，最后传递到等电位箱83，使雷电流传递到地下，还有一部分雷电流直接传递到法拉第笼上，而法拉第笼的笼体是一个等位体，内部电势差为零，电场也为零，因此不管外部雷电流的电压多大，内部设备都几乎受不到雷电的影响，电流只在法拉第笼的表面流动最终流入地下，极大地保护了控制室内部的各项设备和计算机系统。且法拉第笼还具有静电屏蔽的作用，法拉第笼与室内的各种非电信号、网络信号的导体相接触，这样工作人员在接触设备外壳或室内导体的时候也不会被静电或漏电流击打到，从而大大保证了工作人员和设备的安全性。

线缆避雷装置6包括套设在缆线和电线外侧的防雷耐高温保护管61，防雷耐高温保护管61内安装有若干绝缘隔板条62，防雷耐高温保护管61外侧通过线槽安装有若干平行的铜线63，相邻两根铜线63之间通过若干根弧形导线64相连接，铜线63通过等电位线与列车导轨、导雷线9相连接。

优选的是，绝缘隔板条62将传输不同性质的电流、或网络信号的电线或网络信号线分离开来，从而使电线即使老化或绝缘皮因雷电高温而烧毁，电线或信号线也不会因绝缘皮损毁而发生短路现象，从而极大地保证了设备的安稳运行和信号的稳定传输。耐高温保护管61由陶瓷纤维材料制作，具有耐高温、绝缘、隔热等性能，这样雷电劈在防雷耐高温管61上时，雷电流先传递到铜线63上，而每根铜线63因弧形导线64的连接从而形成了等电位网，从而使雷电不会传递到防雷耐高温保护管61内部的电线或信号线，且因为等电位的关系，雷电不会在信号线上产生电火花，从而使电力和信号的传输更加稳定，最终雷电流从导雷线9传递到等电位箱83。防雷耐高温保护管61视电力线和网络线的布线路径可选择贴墙安装或埋地安装，还避免了电线、网络线因日晒雨淋或突然腐蚀的老化现象，从而极大延长了电力线和网络线的使用寿命。

等电位线可采用铜质导线，传导雷电流速度更快，且不易老化或烧毁。

优选的是，采用雷电屏蔽网81形成的法拉第笼对控制室内的所有设备进行防雷电、防静电保护，然后再利用各种防雷器对电源、网络接口和视频监控器进行保护，再利用防雷耐高温管61再对网络线和电力线进行防雷保护，从而保护了铁路信号系统的所有控制系统、信号设备、信号传输路径，且最终通过导雷线9将铁轨和各种防雷装置连接到等电位箱83上，从而使所有防雷装置保持等电位，保证了铁轨不被雷电击毁，也保证了所有防雷装置的等电位性，放射火花更少，提高了防雷装置的稳定性和耐雷击能力。

另外，本发明还提供了一种铁路信号系统的智能故障诊断方法，包括设立故障诊断系统，故障诊断系统包括车站设备工作状态检测系统、实时监控系统和故障专家系统，系统诊断故障的过程包括如下步骤：

s100、车站微机检查监视状态检测系统的各种传感器、监测机、接口设备、实时检测车站信号设备的工作状态，并且微机监测系统的工作机记录、信号设备的状态信息、符合故障征兆的故障现象信息，铁路信号设备在使用过程中会出现如断线、混线、短路、电源接地、信号混乱、信号传递效率突然低下等故障，故障可分为系统内部元件缺陷和系统外部环境条件的物理原因和人为因素两类。

s200、故障信息通过信息接口和以太网途径传输给故障专家系统，系统经过知识处理和分析后，得出信号设备及铁路信号的故障原因提示信息；

s300、故障专家系统根据故障知识库提供维修建议方案的提示信息；

s400、铁路技术人员通过进一步测试和判断，结合专家的观点和意见，制定铁路维修方案。

故障专家系统具有根据接收到信号检测监视设备发送的异常信号信息判断故障原因的功能，若故障专家系统未判断出故障原因与真实故障原因有差异，则故障专家系统收集此次故障入故障知识库保存起来，每次故障专家系统检测到新的故障类型也会将新故障保存进故障知识库。

故障知识库的建立步骤如下：

s201、故障专家系统采集信号设备的正常状态和各种异常状态，生成状态信息数据库，形成实例集，实例集包括铁路信息的故障类别、故障原因和诊断效率；

s202、使用故障树分析法生成故障决策树；

s203、将决策树内的决策和维修建议集合起来，形成解决方案集；

s204、将专家通过推理和铁路技术人员的实际维修得出的经验和决策也录入解决方案集，作为铁路信号故障的解决建议和参考。

设计了故障知识库，使故障诊断系统能随时更新故障信息和相应的最佳解决故障方案信息，故障知识库具有自我学习和不断进步的能力，使故障诊断系统能识别更多的铁路信号系统的故障，智能识别故障并给予相关技术人员以解决故障的最佳参考方案，加快了处理故障的效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。