梁荣健
（深圳地铁集团有限公司运营总部广东省深圳市518173）
摘要：在城市轨道交通运营中，信号设备发挥了神经中枢的作用。信号维护工作则是保证信号系统正常工作的关键。对地铁信号系统维护现状进行分析后，建议引入独立的地铁信号维护支持系统，通过实时采集信号设备的运行状态，及时显示故障报警信息，辅助设备维护流程，实现对地铁信号系统设备的集中监测和维护管理。
关键词：地铁电缆；放电信号；采集系统；设计
引言
牵引变电站直流1500V馈出电缆是地铁供电的重要部件。局部放电或火花放电是造成该电缆绝缘老化的主要原因。在分析地铁直流电缆放电信号特征的基础上，所设计的放电检测传感器的特性，设计了对多根地铁直流电缆放电信号采集的系统，并巳付之实施。
1.地铁信号系统危险因素分析
近年来，因信号系统故障造成的地铁列车延误和安全事故屡见不鲜，而造成信号系统故障的原因往往较为复杂，一般可将地铁信号系统故障的危险因素大致分为以下三类：一）信号系统失灵。造成地铁信号系统失灵的原因十分复杂，包括谐波电流、雷击、静电、电磁波等引起的系统受损，电子元件受潮、腐蚀等引起的设备损坏，震动造成的元件损坏和接触不良等；二）系统硬件因素。系统硬件受损或性能减退都会影响信号系统的正常运行，降低信号系统的抗干扰能力，从而引发信号故障，地铁信号系统常见的硬件问题包括元件老化、散热不良、管线老化、用电不当，元件设备接地不当导致的元件受损，布线不合理造成的线路故障等；三）人为因素。信号系统操作人员操作不当会造成信号系统设备损坏，甚至使设备烧毁造成地铁列车行驶故障甚至引发人员伤亡，对信号系统管线、设备等保护不当，造成电缆遇明火、管线遭鼠类啮咬，从而形成火灾隐患，且容易引发信号系统故障，信号系统的计算机软件存在不同程度的安全漏洞，当遭到恶意程序的攻击和破坏时就会导致信息丢失、系统故障甚至系统瘫痪，严重干扰地铁信号系统的正常运行，系统未经安全检测和调试合格就投入使用，难以保证系统正常运行，容易发生安全事故。
2.地铁电缆放电信号采集系统的设计
2.1地铁直流电缆放电信号的特征
图1所示为实验室观测得到的直流电缆放电信号波形。该信号在输入到示波器之前进行了25倍的放大。由图可知，放电信号的频谱在4MHz左右，电压幅值大概为±20mV。
图1地铁直流电缆放电信号波形图
2.2地铁电缆放电信号采集系统总体设计
图2所示为地铁电缆放电信号采集系统的总体结构原理，多达20路放电检测传感器信号通过屏蔽电缆引入到多通道同步数据采集模块，实现同步高速数字量化。通信接口模块用于将数据采集模块与监测中心计算机连接起来，上传采样数据和获取采样参数设定。
2.3多通道同步数据采集模块的设计
最多20通道的放电信号经过等长的5m电缆并行送人多通道同步高速数据采集板，在采集板内实现同步模/数转换。采集板由并行的20个通道构成，每个通道包括输入程控放大器、抗混叠滤波器、模/数转换器（A/D）和存储器（SRAM）。程控放大器的放大倍数可由软件设置为1、2、4和8倍；抗混叠滤波器为四阶巴特沃斯型低通滤波器，其截止频率设定在7.5MHz；模/数转换芯片采用AD公司的12bit、最高转换速率为25MS/s的AD9225；存储芯片为高速SRAM，存储容量为4M×16，即在采样率为20MHz时最多可以实现20ms的连续采样。
图2地铁电缆放电信号采集系统结构原理图
用一片CPLD（复杂可编程逻辑控制器件）来同时控制20个通道的A/D）和存储器，即实现A/D到SRAM之间的直接数据存储（DMA模式）。AD9225的控制极为简单，只需用CPLD向其输入采样时钟，并使能数据输出；CPLD同时产生SRAM的地址和写信号，采样数据即从AD9225存人SRAM。
实际应用中除使用定时方式采集电缆放电信号外，为减小数据量，可能会采用信号触发的方式，即20个通道中有一路模拟信号的幅值超过设定阀值便自动开始采样，直到设定的采样长度信号触发的基本原理是将20路信号分别与阀值比较的结果相“或”，然后用作采样的触发。
数据采集板的另一个功能是预采样，即将信号触发前一段时间的波形也记录下来，这样可得到放电信号的完整波形，便于对数据进行分析研究。在预采样模式下，A/D一直以设定的采样率运行，在CPLD控制下，数据循环存入SRAM，即SRAM被A/D采样数据循环写入，直到有一个触发条件出现。当触发条件出现后，CPLD控制A/D继续采样“采样长度—预采样长度”个样点，CPLD记忆触发时刻输出给SRAM的地址值，通过读出此地址值，向前预采样长度个样点即为本次采样数据的起始位置。
要保证20个通道数据采集的完全同步，除了使用同一个CPLD逻辑来控制所有20路A/D同时工作外，还需要使用同样材料的输人信号线且线长相同，要求精确调整放大器和滤波器的参数以达到几乎相同的信号延迟，重要的是所有传感器要有很好的一致性。为防止通道之间的信号串扰，设计中主要采取印制电路板物理隔离、大面积接地屏蔽和使用屏蔽电缆作为输入信号线等。
3.结束语
在地铁信号维护支持系统中串口安全通信的优点是基于光电隔离的串口通信成本低，隔离病毒。但是通信速率较低，通信距离短；适用于通信距离短、通信数据量较小的信号设备通信。通信接口机优点成本低，隔离病毒，各路通讯通道间相互独立。但是通信速率较低，不适合通信数据量较大的场合，适用于控制中心、设备集中站、车辆段/停车场的信号设备的通信安全隔离。因此在应用时可根据不同的场景选择不同的设计方案。
参考文献：
[1]张铁增，林瑜筠。对于城市轨道交通信号系统发展的思考[J]。铁路通信信号工程技术，2013，10（2）：32-36。
[2]吴训吉，韦荻山。专用网络安全隔离交换设备设计与测试[J]。数据通信，2012，6：46-48。