轨道交通信号系统的发展及其趋势研究

2022-03-01罗文

数字通信世界 2022年11期

罗文

（沧州交通学院，河北沧州 061199）

0 引言

近年来，得益于科技水平的不断提高，自动控制等多项信息技术在轨道交通信号控制领域中得到广泛应用，信号自动控制系统逐渐取代了传统人工控制方式，有效提升了轨道交通运营效率、运营安全系数与信号控制能力。与此同时，我国轨道交通信号系统尚处于初期发展阶段，在系统运行期间遇到一些问题有待解决。因此，应加大对轨道交通信号系统发展现状与未来发展趋势的研究，保证轨道交通运行效率，为交通运输事业的发展提供强有力的技术保障。

1 轨道交通信号系统发展现状

1.1 信号系统发展历程

目前来看，我国轨道交通信号系统主要经历人工控制、自动控制与信息控制三个发展阶段，不同阶段中的信号系统使用功能、控制方式与应用效果存在明显差异。

第一，在人工控制阶段，仅在轨道交通沿线布置各类信号设备与少量传感器等终端感应装置，采取人工巡查搭配传感监测方式来掌握信号设备运行工况，当信号设备出现故障问题时，工作人员需立即前往现场调试维修故障设备，其操作流程烦琐、工作负担大、控制效率较低，并且对工作人员专业素养的要求十分严格。

第二，在自动控制阶段，在轨道交通沿线配置大量的自动信号设备与终端传感装置，采取闭环逻辑控制方式，工作人员提前设定各项运行参数的标准值和允许偏差范围，系统基于程序准则，实时监测各项运行参数，在参数偏差超标时执行纠偏动作，始终保持信号设备稳定的运行工况。相比于早期的人工控制模式，自动控制模式极大减轻了工作负担，但仅能替代人工完成参数纠偏、设备故障告警等基础性任务，无法独立完成复杂任务。

第三，在信息控制阶段，将大数据等信息技术引入到轨道交通信号系统当中，逐渐构建起功能完善、层次分明、集成控制的信号系统，极大拓展了系统应用场景，并从根源上解决了信号功能单一与控制分散等多项难题。与此同时，这一阶段的信号系统还初步具备了决策分析能力，可用于完成状态监测、系统运行预测等决策型操作任务。

1.2 信号系统主要功能

根据各项使用功能的应用效果来看，可以将轨道交通信号系统的主要功能划分为安全保障、效能保障、管理服务、节能环保四类。

第一，安全保障功能包括信号指引、道岔导向控制、列车速度保护、车门感应启闭等，负责替代人工完成错误率较高的操作任务。以车门启闭为例，系统控制列车车门在预定时间节点自动开启与闭合车门，如果车门启闭期间即将触碰到乘客与障碍物，系统将立即停止车门启闭，确定问题得到解决后再行启闭车门，避免误伤乘客与造成车门受损。

第二，效能保障功能包括站间自动闭塞、移动闭塞、列车运行监控、ATO自动驾驶等，在保证轨道交通运营安全的前提下，最大限度地提高列车行驶速度和轨道交通运营效率。例如，通过使用移动闭塞功能，分别把高铁与地铁的列车最小追踪间隔时间缩短至3 min与90 s。

第三，管理服务类功能包括计算机联锁、地车双向通信、辅助决策、计划自动执行等，以提高轨道交通运营管理水平为目的。例如，通过使用辅助决策功能，系统对所收集海量轨道交通运行数据进行决策分析，帮助管理人员获取决策方案的最优解。

第四，节能环保类功能以列车调速为主，可以显著降低列车运行能耗与轨道交通体系整体能耗水平，信号系统将通过终端感应装置来全面掌握各区段情况，实时优化列车运行线路与速度，以此来节省列车牵引能耗[1]。

1.3 信号系统控制方式

在现代轨道交通工程中，信号系统主要采取ATO系统列控、ATS系统控制以及ATP系统控制三种方式，不同方式的控制原理、应用效果存在明显差异，运营单位需要根据轨道交通实际运营需要来选择恰当方式。

第一，ATO为列车自动运行系统，由轨道电路信号子系统和通信信号子系统等部分组成，具体采取分级速度信号控制方法，工作人员提前规划电路，依托阶梯速度曲线来传递列车速度信息，根据信息分析结果来制定、下达控制指令。

第二，ATS为列车监控系统，可采取集中监控分散控制系统架构型式，将所收集的信息全部导入系统后台进行处理分析，根据分析结果来制定调度计划，再将调度计划分解后下达给各个子系统，这类系统同时具备集成优势与分散优势，既可以高效利用信息资源来制定科学调度计划，也可以保证各子系统独立运行，子系统相互之间不受影响。

第三，ATP为列车自动防护系统，该系统持续收集地面设备、隧道出入口等部位的速度信息，在其基础上绘制速度曲线，远程向列车下达速度控制指令，合理规划行车速度，并在列车穿行闭塞区时额外增设闭塞区来保障行车安全。

2 轨道交通信号系统的未来发展趋势

2.1 智能化发展

我国轨道交通信号系统尚处于智能化阶段的起步发展时期，虽然系统具备一定的决策分析能力，但仍旧无法替代人工完成过于复杂的操作任务，且智能决策水平有待提升。因此，轨道交通运营单位要重点推动信号系统向智能化方向发展，综合运用BP神经网络、模糊逻辑推理等智能算法，开发故障智能诊断、预测分析、自动驾驶等全新功能。例如，故障智能诊断依托专家知识库，提前收录各类型的运行故障案例报告，从中提取故障特征，在信号系统运行期间，通过自检信号定期检查信号设备是否存在潜在故障，以故障案例为样本，准确判断故障类型、分析故障成因与锁定故障点位。预测分析功能依托模糊逻辑推理算法，在已掌握信息基础上推测目标事件的未来走向，从中选择可能性最大、符合初衷目的的结果作为输出值，以帮助运维管理人员预测未来一段时间信号系统运行状况。自动驾驶功能则依托信号系统强大的环境感知、远程通信与数据处理能力，通过摄像头、传感器等装置实时采集现场监测信号，将监测信号迅速提交给系统后台进行处理，再将处理结果以指令形式反馈给现场信号设备与列车控制系统，在无人工干预条件下，自动控制列车按照方案行驶，并根据沿途路况来实时调整运行方案。

此外，随着轨道交通信号设备台数的持续增多，对信号系统数据处理能力提出了更为严格的要求，如果信号系统无法在短时间内高效完成数据处理任务，或是出现系统延迟、卡顿等问题，都会影响自动驾驶、故障智能诊断等使用功能的正常发挥。因此，运营单位可选择应用云计算技术，将复杂计算任务提交给云平台，采取分布式计算方式进行处理，可在短时间内获取准确计算结果。

2.2 网络结构泛在化发展

根据轨道交通信号系统运行情况，当前呈现出多元化发展趋势，系统使用功能日益增多，并采取双向通信方式取代原有单向通信方式，列车之间、列车与控制中心之间相互传输数据。这在显著强化信号系统控制能力、实现信息资源集成利用目标的同时，对信号系统通信能力和数据传输质量提出更高要求。因此，轨道交通运营单位需要着手推动信号系统向网络结构泛在化方向发展，具体从提高网络可靠性、降低信号传输延迟两方面着手。其中，在提高网络可靠性方面，运营单位需要根据通信网络类型与架构来选择适宜型号的通信设备，并在通信网络结构中增加通信设备数量，将部分比例通信设备作为冗余设备，当系统运行期间遇到设备故障瘫痪、通信量过大等问题时，系统自动将冗余设备投入使用，以保证通信网络稳定运行。在降低信号传输时延方面，运营单位应用5G移动通信技术取代传统GSM-B、LTE-R等通信技术，5G技术的空中接口时延仅为1 ms，完全满足信号传输时延要求，同时，5G网络还具备极为优异的性能指标，如宽带，下行为1 Gbps、上行为100 Mbps，峰值速率达到10～20 Gbps，流量密度超过10 Mbps/m2等[2]。

2.3 系统标准化发展

在早期建成轨道交通信号系统中，普遍存在设备型号烦杂、接口标准不统一的问题，导致信号系统兼容性较差，在运行期间由此引发一系列问题出现，进而影响到信号控制效果与系统运行稳定性。与此同时，部分信号系统还存在子系统使用功能不协调、无法满足轨道交通高密度与高强度运维需要的情况。针对这些情况，轨道交通运营单位应推动信号系统向标准化方向发展，具体从车载标准化、智能运维标准化两方面着手。其中，在车载标准化方面，运维单位需要对车载外挂设备型号与车载接口进行统一处理，如对车载系统板块接口与通信标准等加以梳理，使其满足信号—车辆接口需求；统一选用LTE-M或其他标准来配置车载DCS硬件设备来满足车地通信需要；选用欧标定位系统与配套信标天线设备来满足列车定位系统使用需要；将列车自动运行子系统和列车自动防护子系统相对接来满足列车测速需要[3]。同时，为控制造价成本，运营单位可选择同步开展线路大修与既有线车载标准改造工作，以车载—车辆接口改造作为主要内容，满足现阶段轨道交通信号系统的使用需求。而在智能运维标准化方面，需要在信号系统中开发集成状态监测、向导故障处置、智能预警、协同远程支持、一体运维管理等使用功能，以此来满足轨道交通智能运维需要。以集成状态监测功能为例，使监测范围涵盖全部子系统与各个方面，系统在运行期间同步采集系统日志、信号设备性能信息、设备运行信息与故障报警信号等诸多类别数据，将各类数据进行汇总整理后以供工作人员查阅，帮助运维人员通过信号系统全面掌握轨道交通实时运营情况。

2.4 多模冗余化发展

近年来，随着轨道交通工程建设规模的扩大，多数轨道交通工程均具备超大规模网络运营条件，在运营期间，如果出现各类信号设备故障问题，会间接影响轨道交通运营效率，造成列车延误，且早晚高峰时段的列车延误时间普遍超过15 min。对此，为减小信号设备故障对列车运行造成的影响，运营单位需要推动信号系统向多模冗余化方向发展，可采取同型冗余或是异型冗余方法。同型冗余具有显著提高系统可用性、子系统独立大修条件的优势，异型冗余具有降低共模故障率、可靠性高的优势[4]。以车载子系统改造为例，在原有基础上建设双套冗余车载子系统，如果系统在运行期间出现车载板卡故障、电源故障与列车位置丢失等问题时，系统将在短时间内自动切换至主备机，确保列车运行状态不受影响。