地铁信号系统的测试及信号处理方法分析

2020-04-26汪璐

通信电源技术 2020年23期

汪璐

（南京地铁运营有限责任公司，江苏南京 210018）

0 引言

城市轨道交通具有较为明显的应用优势，包括客流运输量大、运行速度比传统的公交快、运行安全程度较高、能够准时准点达到相应的站点、具有较高的环保性、节约社会能源以及减少城市占地等，故具有进一步推广应用的趋势。在城市地铁系统中，信号系统是关键的组成部分，合理设计地铁信号系统可以提高地铁系统的通行能力，并降低出现交通拥堵和冲突发生的可能性，降低交通事故发生的频率。本文系统分析了地铁信号系统的测试及信号处理方法，包括地铁信号系统中的控制算法和控制流程图等。

1 地铁信号系统

1.1 城市地铁的发展现状

当前城市地铁系统进入到了一个较为快速的发展时期，在今后还具有进一步推广应用的趋势。在现有的城市地铁系统中，通信信号系统还未全部具有高度调节的能力，这样不利于地铁司机对地铁信号的观察。同时在目前的地铁信号系统中也没有报警的功能结构，因此对于地铁的安全保障还存在较大的提升空间，可以采用先进的地铁交通信号处理系统来加以应对。

1.2 地铁信号系统在轨道交通中的重要性

城市地铁的所有车辆都应按照信号系统的指示运行，为此应加强地铁信号系统的设计和测试，保证地铁信号系统能够保证安全可靠运行。反之，如果设计不合理，则会使交叉口车辆延误增加，通行能力下降，从而引起交通事故次数的增加[1]。随着技术的发展，地铁各个信号系统相互之间实现互联互通是重要的发展趋势，通过这种互联互通的信号系统，可以提高地铁信号系统的自动化程度，保证当无人控制时，地铁系统依然能够保证安全稳定运行。

在这种信号系统中，主要包括的特点有以下几点。一是能够最大程度实现资源的共享，包括车辆调度和地铁车辆的运营管理等方面[2]。二是在信号系统互联互通体系中，可以借助网络通信系统实现地铁车辆的跨线运营。

1.3 地铁信号系统的基本原理

在地铁信号系统中，信号采集电路可以为信号系统提供准确的原始数据来源，目前在工业体系中应用也十分广泛，其实现原理主要包括采用光耦反馈电路等[3]。这种类型的电路虽然设计简单，但是可判断的输入电压信号范围较小，且对输入信号没有进行过流保护设计。为此随着技术的发展，宽范围的信号采集电路也逐渐得到了推广及应用，这种类型的信号采集电路应用性更强，更能够满足实际的应用需求。经过信号采集电路后，再将信号传输到信号系统中的控制模块，通过控制系统下发相应的控制信号给执行机构，从而使得执行机构发出相应的信号。

2 地铁信号系统的测试技术分析

2.1 对地铁信号系统进行测试的必要性

随着地铁系统对信号准确性要求的提高，要求信号采集具有较广的范围，如果这些要求难以满足时，则会导致地铁信号系统出现一定的问题，故有必要对对地铁信号系统进行测试，以保证信号系统符合实际的应用需求。

2.2 地铁信号系统的测试方法

在轨道交通通信信号测试系统中，主要的组成结构包括固定底座、连接杆、灯本体、报警器、雷达探测器以及信号测试系统中的控制装置模块等。在通信信号测试系统各个组成部分的安装方面，交通信号灯的主体结构应安装在信号系统连接杆的上端面，并且在信号灯的本体结构外壳上还应采用防护结构，保证信号灯本体不会受到外力的破坏[4]。对于信号测试系统中报警装置的安装，应和控制模块之间具有良好的数据通信和数据交互能力，保证报警器能够正常可靠发挥出相应的作用。随着轨道交通通信信号测试系统技术的发展，轨道交通信号测试系统的功能也变得更加多样化，如具备防雨功能和太阳能供电功能，实现供电能力的自给自足。为了使得当太阳能富裕时电能能够得到存储，可以在轨道通信信号测试系统中配置相应的蓄电池。当没有太阳光照时，则通过蓄电池进行放电，从而保证交通通信信号测试系统的供电不会出现中断，并且采用太阳能电池板还具有较高的环保性。

同时在该系统中还采用了可以通过电动方式实现升高及降低的按钮，保证系统在使用和操作过程中的方便性[5]。同时添加了雷达探测器，因防护壳内部装配有无线通信模块，所以该设计提高了沟通方便性，具有结构合理、使用方便以及可靠性高的特点。

2.3 地铁信号的自动化测试系统分析

随着城市轨道交通事业和信息技术的发展，基于通信的列车控制（Communication Based Train Contral，CBTC）系统已成为一种较为主流的技术。在地铁车辆中采用这种类型的控制技术，可以使得地铁车辆运行更加安全有保障，并能够实现高效运行，安全程度和运行可靠性都能够达到一个较高的水平。在CBTC系统上线运行前，需要进行大量的室内测试，可以采用地铁信号的自动化测试系统进行测试[6]。

在地铁信号的自动化测试系统中，基于速度发生器提供速度脉冲信号，基于轨旁、车载输入输出控制单元提供继电器动作，并且实现了二者的自动控制，完整仿真了CBTC系统的实际物理接口输入。同时根据CBTC系统的运行状态实现了接口的自动控制，使得接口信息符合CBTC系统的逻辑检查原则，可被视为合法输入。在室内环境下仿真实现包括ATO列车自动驾驶模式在内的列车运行真实场景环境。

3 地铁的信号处理方法分析

3.1 地铁的信号处理方法原理分析

当地铁信号采集系统采集到原始数据信息之后，需要通过相应的处理算法进行处理。在地铁电子自动化控制系统中，可以采用数字PID控制器技术，该控制器的控制规律为：

对应的模拟PID调节器的传递函数为：

式中，Kp为比例增益；u(t)为控制量；e(t)为偏差量。电子自动化PID控制系统原理图如图1所示。

图1 电子自动化PID控制系统图

从上图1中可知，输出量通过测量变送单元反馈控制之后，传递到控制器中，并和输入量一起叠加，从而提高地铁信号系统的控制效果。此外，在地铁信号系统的处理过程中，可以采用卷积计算和傅里叶变换等数学运算工具，处理数据信息，以便提高地铁信号系统的处理效率[7]。

3.2 地铁的信号处理系统分析

对于地铁的信号处理系统，包括模拟量和数字量之间的相互转换，并驱动执行机构执行相应的控制措施。图2为地铁信号处理系统的基本数据处理流程，控制系统驱动执行子系统工作，并执行相应的控制功能。

图2 地铁信号处理系统

对于本文所述的地铁信号测试车载仿真设备，仿真功能由一台仿真计算机实现，内置列车运行仿真软件，可根据测试人员在软件上人工操作模拟列车的加速、减速以及巡航过程。列车的速度和位移信息完全由软件模拟，仿真软件根据计算的列车速度和位移生成虚拟的车载传感器速度和应答器报文。

3.3 地铁信号综合自动化系统的发展及应用

随着科学技术的进步与计算机集成技术的快速发展，综合自动化系统在地铁中得到了广泛的应用与推广。目前，地铁综合自动化系统可以监视各子系统的现场设备状态信息，并可以探测各种故障，其中也实现了包括机电、环控、火灾、电扶梯以及闸机等各子系统之间的联动功能，但缺少与信号系统之间的联动[8]。此外，地铁综合自动化系统中还存在以下缺陷。系统运行时，调度员或操作员必须通过人机界面密切关注现场设备的运行情况，并且现场需要安排值守人员，一旦信号系统现场设备发生故障就必须依赖人工来处理，通过电话来协调各系统的值守人员或维修人员，到现场故障点处理故障，这种方式效率非常低下，会消耗大量的人力，故障恢复时间长且容易出错，严重影响地铁运营效率[9]。因此今后可以采用地铁综合自动化系统的信号联动实现技术，使得地铁综合自动化系统可以根据信号系统设备上报的故障信息，采取相应的预定应急处理方案，帮助调度人员及时迅速地处理现场事故。

在该系统中，通信前置机通过综合自动化系统专网实时采集地铁信号设备的工作状态信息，并将地铁信号设备的工作状态信息发送给实时服务器。当然，通信前置机也通过综合自动化系统专网实时采集地铁中的机电设备、环控设备、火灾设备、电扶梯设备以及闸机设备等的状态信息与工作状态（正常/故障态），也将这些信息发送给实时服务器[10]。通过采用地铁综合自动化系统的信号联动实现装置，在综合自动化系统中加入信号联动功能，当信号系统设备发生故障时，能根据预定的联动方案迅速、及时地做出响应，减少了事故处理时间，降低人为错误，同时也提高了综合自动化系统的集成深度和地铁运营效率，节省了人力成本，减少了劳动强度。