第一節　信號集中監測概念

一、系統簡介

隨著我國高速鐵路的發展，列車運行速度不斷提高、密度不斷增大，對新增較多地面信號設備和信號電子設備的使用及維護提出了更新、更高的要求。地面信號設備是鐵路安全行車的基礎設備。原有的信號微機監測系統必須在監測對象、監測范圍、監測內容、功能管理，以及維修體制等方面進行擴展、升級和改革，以適應鐵路運輸發展的新需要，在此基礎上，就有了迅速發展起來的信號集中監測系統。

CSM系統是保證行車安全、加強信號設備結合部管理、監測信號設備狀態、發現信號設備隱患、分析信號設備故障原因、輔助故障處理、指導現場維修、反映設備運用質量、提高電務部門維護水平和維護效率的重要行車設備，是地面信號設備的綜合集中監測平臺。

CSM系統將維護地面信號設備所需各種信息集中采集，匯總到統一的監測平臺上，全面監測、綜合管理，并對原有的微機監測網絡平臺進一步優化，實現中國鐵路總公司（以下簡稱“鐵路總公司”）、鐵路局、電務段和車站的全面覆蓋，在高速鐵路快速發展的技術背景下，利用統一的綜合監測平臺，全面實現了對地面信號設備的信息化、綜合化、智能化維護。

CSM系統是鐵路裝備現代化的重要組成部分，它把現代新技術，如數字信號處理、傳感器、檢測技術、現場總線、計算機網絡通信、數據庫及軟件工程等融為一體，通過監測并記錄地面信號設備的主要運行狀態，為電務部門掌握設備的當前狀態、運用質量和事故分析提供科學依據。同時，系統還具有數據邏輯判斷功能，當地面信號設備工作情況偏離預定界限或出現異常時，可以及時進行報警，避免因設備故障或違章操作影響列車的安全、正點運行。系統應用現場總線技術實現了分布式采集設備的規范化和模塊化以及對通信質量的保障；用傳感器隔離技術保證信號設備的安全和采集數據的可靠；用成熟的TCP/IP技術保證了通信的可靠和穩定，并適應了鐵路現場復雜多樣的通道條件；用軟件組態技術實現了對各類車站設備的監測。

CSM系統是由鐵路總公司、鐵路局和電務段、車站基層監測設備組成的，監測本單位管轄內各車站信號設備運行狀態的網絡系統。CSM系統應用計算機和信息采集機實時監測各種信號設備。監測對象的類型大體上可分為模擬量和開關量。模擬量包括：外電網輸入電壓和電源屏輸出電壓及其電流、功率、頻率、相位角等，軌道電路電壓、道岔轉轍機動作電流和功率、道岔表示電壓、信號機點燈回流、電纜絕緣電阻和電源對地漏泄電流等。開關量包括：關鍵繼電器狀態、控制臺按鈕與表示燈狀態、熔絲狀態、燈絲狀態、軌道電路表示狀態、道岔及信號機表示狀態和環境開關量等。

目前，CSM系統已在我國高速鐵路和普速鐵路成功應用，已開通的車站超過5600個，這使得鐵路電務部門的維護維修測試手段大大升級，并且在城軌中也已開展應用，尤其在城軌車輛段配備較多。CSM系統可以在線實時掌握所轄范圍所有地面信號設備的狀態，尤其在高速鐵路的使用更解決了維護人員在運營期間無法上道巡檢的實際問題。因此，CSM系統是鐵路電務部門的“黑匣子”，是信號設備實現“狀態修”的必要手段，更是信號維修技術向高安全、高可靠、智能化、網絡化、綜合化和專家系統發展的標志之一。

二、研制背景

CSM系統是隨著計算機技術的發展而發展的，經過了長期的艱苦探索。最早可追溯到1985年，以當時的計算機技術為支持，部分鐵路局開始研制信號微機監測系統。到1996年，研制單位已達20多家，有200多個車站配備了微機監測系統。比較而言，這個初期階段的微機監測系統由于受技術、經濟等方面的限制，技術陳舊，精度不高，可靠性差；各鐵路局自行研制，缺乏統一標準；各站基本獨立，很少集中聯網。

1.第一代監測系統——TJWX-97型信號微機監測系統

隨著時間的推移和科技的進步，信號微機監測技術不斷發展，并且得到了原鐵道部領導的高度重視。1997年，原鐵道部兩次組織有關專家對信號微機監測系統進行了大規模調查研究，并在此基礎上研制開發了第一代TJWX-97型信號微機監測系統，并且在五大干線推廣應用，為監督電務設備運用狀態及鐵路運輸安全作出了貢獻。

正是第一代TJWX-97型信號微機監測系統在現場的推廣應用，使得原鐵道部和各鐵路局對信號微機監測系統的重要性有了新的認識。2000年初把信號微機監測系統列為保證鐵路運輸安全的首要措施，并稱其為電務系統的“黑匣子”，按行車安全設備對待，但是第一代TJWX-97型微機監測系統難以滿足這樣的要求。首先，各個研制單位在現場實際應用中，根據自身優勢對第一代TJWX-97型微機監測系統進行了不同程度的完善，開發出了形式各異，技術水平不等的微機監測設備，造成了微機監測系統制式不一、標準各異、分散使用、不能聯網的局面，使得微機監測系統的作用大大降低。其次，“4.29”“7.29”“10.29”事故給全路帶來了重大損失和慘痛教訓同時，也給信號微機監測系統提出了新的課題。如何準確判斷違章操作帶來的事故隱患，防患于未然，是第一代產品未能解決的問題，也是新一代微機監測系統必須具備的功能。

2.全路推廣的開始——TJWX-2000型信號微機監測系統

2000年，原鐵道部匯集了各鐵路局、各院校專家的意見，對原《微機監測系統技術條件》（以下簡稱《技術條件》）進行了修改和完善，最終成為《信號微機監測系統技術條件》（TB/T 2496—2000）。新的《技術條件》對微機監測系統進行了新的定義，并且增加了部分必需的功能。原鐵道部科教司和運輸局基礎部決定進行第二次聯合攻關，集中各研制單位的20多位技術專家，在第一代TJWX-97型信號微機監測系統的基礎上，開發出TJWX-2000型微機監測系統。TJWX-2000型微機監測系統以新的技術條件為依據，采用統一的軟、硬件，統一標準，統一制式，具備全路聯網功能，能夠準確判斷設備故障和違章操作帶來的事故隱患，防患于未然。

3.普速鐵路的成熟應用——TJWX-2006型信號微機監測系統

隨著鐵路的幾次大提速，信號新技術設備的上道運用，原有的《信號微機監測系統技術條件》（TB/T 2496—2000）已經不能滿足需要。特別是在2005年3月撤銷鐵路分局，實行鐵路局直管站段新體制和電務段生產力布局調整后，電務部門安全管理難度加大，迫切需要提高信號監測系統技術水平，充分發揮CSM在保證行車安全、加強信號設備結合部管理、監測信號設備運用狀態、發現信號設備隱患、分析故障和指導現場維修方面的作用，以提高電務部門維護水平和維護效率，壓縮電務故障延時。為此，原鐵道部運輸局基礎部、科技司組織鐵路局、微機監測研制單位于2006年8月起草發布了2006版信號微機監測技術條件，在《信號微機監測系統技術條件》（TB/T 2496—2000）基礎上制定了《信號微機監測系統技術條件（暫行）》（運基〔2006〕317號文），也即2006版信號微機監測技術條件。原《信號微機監測系統技術條件》（TB/T 2496—2000）停止使用，待對其進行修訂后，執行新修訂的鐵標《信號微機監測系統技術條件》。

2006版信號微機監測系統技術條件規定了鐵路信號微機監測系統的體系結構、監測內容、系統功能及技術要求，具有一定的故障診斷能力。對所采集的開關量、模擬量信息的精度及穩定性提出了更高的要求，并且增加了對信號機械室、電源室和微機室的環境監測，在原有三級報警的基礎上，增加了預警功能。監測系統的體系結構采用了更為清晰的“三級四層”結構，即以原鐵道部、鐵路局、電務段為三級，以原鐵道部電務監測中心、鐵路局電務監測中心、電務段監測中心、車站監測網為四層的體系結構，并且要求各車站局域網之間的采用2Mbit/s數字通道環形連接，每隔8～15個車站形成一個環，并以2Mbit/s抽頭方式與電務段星形連接。與此對應的就是TJWX-2006型信號微機監測系統重點解決了提速道岔、ZPW-2000系列無絕緣軌道電路、信號機燈絲電流等信號設備的監測，并增加了環境監測，使得監測范圍、監測內容和監測功能進一步提升。

4.高速鐵路的發展需要——CSM系統

隨著多條客運專線在我國相繼開通運行，對高速鐵路的信號設備維護提出了更高的要求，新設備多、速度快，并且只能在夜間“天窗修”，中繼站還是無人值守，這對信號維護技術和維修體制提出了極大挑戰。為了適應高速鐵路更快、更高效的運營需求，2010年8月原鐵道部運輸局會同科技司及監測研發單位等通過了《鐵路信號集中監測系統技術條件》，原《信號微機監測系統技術條件（暫行）》（運基〔2006〕317號文）停止使用。

新版的信號集中監測技術條件對原2006版《信號微機監測系統技術條件》進行了補充完善和升級，明確了CSM系統作為信號設備的綜合監測平臺，在原有“三級四層”結構基礎上，強化了電務段子系統，并且增加了與聯鎖、閉塞、列控、TDCS（Train operation Dispatching Command System，列車調度指揮系統）/CTC（Centralized Traffic Control，調度集中）等系統接口，要求監測系統與信號系統同步設計、施工、調試、驗收及開通，以確保信號系統正常工作。

未來CSM系統仍將朝著高安全、高可靠、綜合化、網絡化、智能化的方向發展，在軟件上，故障診斷技術、專家系統、通信技術、網絡操作系統、抗干擾技術、網絡安全控制等新技術不斷應用，使得CSM系統還有升級空間；在硬件上，隔離技術、智能傳感器、PLC、數字信號處理器等新設備不斷投入使用，使得CSM系統更加可靠穩定。以上二者，都將使CSM系統成為功能更完善、更強大和更有效的信號設備維修維護工具，成為鐵路電務人員離不開的好幫手，更是電務部門的智能“黑匣子”。

三、研制意義

CSM系統的迅猛發展，是時代的需要，也是發展的需要。其外在動力是計算機技術的高速發展，其內在動力是安全生產的需要，它是鐵路信號技術自身發展的需要，也是信號維修體制改革的需要。CSM系統采用了先進的現場總線技術、傳感器技術和計算機網絡通信技術，是面向用戶的開放性和模塊化設計的系統。它能實時、動態、準確、量化地反映信號設備的運用質量、結合部設備狀態，并具有狀態信息存儲、重放、查詢和報警功能。當電氣特性超標或違章作業進行局部接點封連時均能按照等級實時報警。這對于違章作業，分析判斷故障，特別是對瞬間發生或時好時壞的“疑難雜癥”故障，或結合部難以界定的復雜故障的分析處理提供了重要的手段和依據。同時，由于對設備的運用狀態能做到“心中有數”“超標報警”、超前防范，防患于未然，能使設備運用質量始終處于受控狀態，科學的指導現場合理維修，避免“過剩修”或漏檢漏修，因此這是信號維修技術和手段的一次革命，其發展的必要性體現如下：

（1）CSM系統是確保電務設備安全、可靠運行的重要手段

CSM系統能實時、動態、準確、量化地對地面信號設備進行在線監測，并具有超限報警、存儲再現、過程監督、遠程監控的功能。對于發現電務設備隱患、分析和查找故障，尤其是隱蔽性故障，瞬間故障和車、機、工、電人員人為造成的故障，能夠提供重要的手段和依據。

（2）能夠為新體制下的地面信號設備維護提供可靠依據

CSM系統具有的“先知先覺”功能，能夠根據設備固有標準、變化規律和使用環境，科學合理地確定臨界狀態的數據報警（報修），并實時提供給維修人員，為實施“狀態修”提供可靠的依據。

（3）為電務生產管理的創新發展奠定了基礎

集中監測設備以其特有的信息化、網絡化、數字化、智能化功能，為建設開發和管理電務段調度指揮、應急搶險、“天窗”維修控制、安全隱患閉環管理和設備質量動態分析提供了重要條件。

因此，CSM系統本身功能的完善與電務作業整體水平的提高有著密不可分的聯系。CSM系統提供的信息越詳細，越有利于電務設備故障的分析查找，越有利于合理確定報警（報警報修）臨界狀態數據，從而越有利于提高電務段調度指揮、應急搶險、“天窗”維修控制、安全隱患閉環管理和設備質量動態分析的能力與水平。由此可見，CSM系統對于鐵路交通運輸安全運行具有重要意義。

①CSM系統使地面信號設備具有了自診斷功能，從而大幅度提高了信號系統的安全性。

②CSM系統能在地面信號設備運行的全部時間內，全天候反映設備運用狀態，能發現潛伏性故障，排除事故隱患。

③CSM系統運用計算機技術，通過邏輯判斷和存貯記錄，能夠捕捉瞬間故障和間歇故障。再通過回放再現，來分析故障，劃分清責任。

④CSM系統能夠掌握地面信號設備工作狀態和變化趨勢，是推行地面信號設備“狀態修”的技術基礎，為維修決策提供科學依據。

⑤CSM系統通過聯網，將各站地面信號設備運行信息傳送到車間（領工區）、電務段、鐵路局、鐵路總公司，便于指導維修工作，加強生產指揮，實現科學管理。

⑥CSM系統通過監督地面信號設備與電力、車務、工務結合部的有關狀態，加強結合部的管理。

綜上所述，CSM系統是電務人員不可或缺的必要輔助設備及真正的故障分析“黑匣子”，是電務部門實現信號設備“狀態修”的必須手段。今后，CSM系統將繼續依托新的科學技術，適應新的鐵路建設發展要求，提高其監測能力，走出一條不斷延續發展的道路。

四、技術特點

與TJWX系列信號微機監測系統以信號設備監測為核心相比，CSM系統作為信號設備的綜合監測平臺，是以信號設備維護為核心，從設計到實施統一規劃和管理，并與聯鎖、閉塞、列控、TDCS/CTC等系統同步設計、施工、調試、驗收及開通；在體系結構上根據信號設備維修需要，強化了電務段子系統；在監測范圍上增加了高速鐵路特有信號設備的相關監測內容；在接口上修訂了與計算機聯鎖、ZPW-2000、TCC（Train Control Center，列控中心）、智能燈絲報警單元、TSRS（Temporary Speed Restriction Server，臨時限速服務器）、TDCS/CTC、智能電源屏等信號設備接口方式、隔離方案，以及信息內容、采集精度和采樣周期；在功能上，加強了預警分析和故障診斷內容；在網絡節點上完善了電務段子系統的各部分功能（時鐘、網管、防病毒等）；尤其在采集方式上，CSM系統優于TJWX系列信號微機監測系統的地方有：

（1）信號傳輸方式的不同帶來了測量精度上的提高

模擬量信號經過傳感器直接采樣后，直接經過一次A/D轉換后就可以通過全數字的方式進行處理，所以不會產生A/D和D/A的頻繁轉換而帶來的累積誤差，因而信號的傳輸精確度有所提高。

（2）抗干擾性不同

采用了就近采集，數字化傳輸的模式，與模擬信號相比，受干擾的概率低，實時性很強。

（3）響應速度不同

相較于早期的微機監測系統，由于采用了數字處理技術和網絡通信技術，采集器件進一步優化，可以保證采集信息的實時性更好，在信息高峰的情況下，這一過程延時時間不能超過4s。

（4）結構的優越性

在信息的傳輸中隨時可以把自身的信號幀發給計算機，因為各個智能設備帶有時鐘同步，所以可以嚴格時序，使用戶能夠察覺設備中的隱患并及時排除故障，方便用戶根據時序的先后，準確地斷定故障。

綜上所述，整個CSM系統具有如下的技術特點。

1.先進性

系統設計具有高起點。在研制中采用計算機技術、智能決策技術、遠程控制技術、網絡技術、數據傳輸技術、多媒體技術等具有發展前景的技術，同時吸收采納并發展國外新技術，采用國際標準及國內外新產品，使系統整體在一定時期內保持技術領先性。

2.可靠性

可靠性用平均無故障時間（Mean Time To Failure，簡稱MTTF）度量，即計算機系統平均能夠正常運行多長時間才發生一次故障。系統平均無故障時間越長，可靠性越高。CSM系統可以24h不間斷地監測信號設備的運行狀態，并根據監測狀態及時提供預警提示、故障提示等維修關注的信息，其工作性質決定系統必須是高可靠的，而且必須保證24h無間斷正常運轉。CSM系統的關鍵網絡設備和服務器設備采用雙套冗余設計，提供系統容錯機制，保證系統連續不間斷地穩定運行，保證數據信息的安全性和正確性。對于采集硬件，采用器件壽命超出設計要求的方法來提高其可靠性；對于軟件設計，采用軟件看門狗、數據緩存、自動清除歷史數據、線程冗余等方案增加軟件的可靠性。

3.安全性

CSM系統是一個信息實時采集和處理的系統，需要實時采集信號設備的狀態信息。采集系統采用安全隔離設計，使之在實現設備信號狀態采集的同時，具有良好的電氣隔離性能，即設備發生故障，也不影響被監測信號設備的正常工作，確保信號系統連續穩定運行。

為此，原鐵道部運輸局電務部組織18個鐵路局電務處、計算機聯鎖專家、監測研發單位制定了《鐵路信號集中監測系統安全要求》，同時梳理了《鐵路信號集中監測系統采集方案》。CSM系統遵照其要求進行全新開發，所有采集模塊都增加了防護電路或防護單元；減少單板采集路數以實現電路板走線安全間距；重新定義采集點；重新規定采集線纜的型號和標準。通過上述措施.力爭不影響被監測設備的正常工作，符合故障—安全原則。

另外，CSM系統依據《鐵路信號集中監測系統安全要求》，實現了與CTC、TCC、RBC（Radio Block Center，無線閉塞中心）、TSRS等設備的物理安全接口，并根據各信號子系統對監測信息要求及數據交換規范，定義了與各信號子系統的接口方案、接口標準協議、信息交換等內容，實現了由集中監測信息平臺向電務管理信息平臺的信息傳輸。

4.實時性

CSM系統是實時過程控制和實時信息處理的系統，在列車運行過程中，信號機、轉轍機、軌道電路等信號設備的運行狀態會產生大量的變化信息，這些信息主要通過基層網自動采集，同時必須及時、準確地傳遞給鐵路總公司、鐵路局、電務段的各級維護人員。在信息高峰的情況下，這一過程延時時間不能超過4s；在“三級四層”的任何一臺信息處理終端上，信息必須實時、有序地進行處理，既不能定時處理，也不能批處理；信息必須真實、可靠。這樣才能給鐵路信號維護指揮決策提供正確的依據，以便及時調整維修計劃，最大限度地發揮其維護能力和維護效率。

5.可用性

可用性是指技術的“能力”，即經過特定培訓和用戶支持，在特定的環境情景中，用戶很容易有效地完成特定范圍的任務。CSM系統的可用性反映在站機、終端軟件的設計能夠使用戶把知覺和思維集中在目標任務上，可以按照自身的行動過程進行操作。不必尋找人機界面的菜單或理解軟件結構、人機界面的結構與圖標含義；不必考慮如何把目標任務轉換成計算機的輸入方式和輸入過程；不必記憶面向計算機硬件、軟件的知識。在非正常環境和情景時，用戶仍然能夠正常操作；用戶操作動作簡單重復，理解和操作出錯較少，學習操作的時間較短。

6.開放性

CSM系統是一個龐大的綜合性系統，需要集成大量的計算機設備、網絡設備、打印設備、存儲設備、顯示設備，同時在集成化的環境下還得依靠軟件支撐平臺開發大量的動態和靜態數據處理、實時信息處理、智能分析計算統計、界面顯示程序，因此系統必須采用符合國際標準和工業標準的開放式系統平臺。同時，CSM系統是在吸收國內外先進經驗的基礎上結合中國鐵路的實際情況開發的現代化信號綜合維護系統，開發的過程同時也是探索、學習的過程，期間難免會遇到新的問題和需求，有了開放的環境，便于今后系統的完善和擴展。

7.可維護性

CSM系統涵蓋了鐵路總公司、鐵路局、電務段及基層的車站，集成了大量的硬件設備和軟件。硬件設備需要及時進行日常維護、保修，適當的時候應該更新換代。鐵路每年都有大量的站場改造、大修等工作，造成相關的靜態基礎數據需要及時更新，而且用戶在使用過程中也會不斷地提出新的需求，需要對軟件進行適當的修改升級，因此CSM系統提供了方便的維護手段。考慮到CSM系統是一個24h不間斷運行的實時系統，尤其在鐵路局、電務段和車站層直接指導信號設備的維護，因此，需要有足夠的技術措施保證維護工作不會導致系統停機或中斷。

8.互聯互通性

CSM系統是一個“三級四層”的系統，牽涉范圍廣、地域寬，其工程往往由多家監測廠家共同承擔。由于各鐵路局、電務段、車站所管轄范圍內的線路、車站都有很大差異，就某個區域而言，CSM系統實施的時間不同，對各鐵路局、車站采用的軟硬件平臺就不盡相同。為此，規范了各鐵路局、車站的軟硬件平臺的標準配置，也組織各監測廠家共同形成了網絡間的數據傳輸和交換的格式標準。各單位在CSM系統設計中要考慮與異種機、異種網的互聯，按照統一的規范標準，保證鐵路總公司、鐵路局之間能夠方便地進行數據傳輸和交換，采用便于訪問和維護管理的分布式數據庫系統。同時，CSM系統作為鐵路信號綜合維護系統，在保證信息安全的前提下，應充分考慮與鐵路其他系統之間交換數據的能力，以更好地發揮為鐵路運輸服務的作用。

9.可擴展性

鐵路系統每年都有不同規模的大修、新建工程，CSM系統設計的范圍和規模將會不斷擴大，因此，CMS系統設計中充分考慮了升級、擴展的能力。同時，由于CSM系統大量采用計算機技術、智能決策技術、遠程控制技術、網絡技術、數據傳輸技術、多媒體技術等現代信息技術，這些技術現在也處于高速發展期，需要不斷地淘汰和更新。因此，CSM系統參考國際標準和規范進行設計，預留了CPU、內存、磁盤容量升級和擴展的能力。

除上述特點外，CSM系統還有友好性、方便性及節約性等功能特點，方便用戶操作和系統功能擴充。