城市轨道交通信号系统安全技术研究

2024-01-26李守辉赵树洋

今日自动化 2023年10期

李守辉，赵树洋

（青岛地铁运营有限公司，山东青岛 266035）

随着我国轨道交通事业的发展，很多先进技术开始被应用于铁路系统中，其中信号系统是整个轨道交通系统的中枢神经，控制着整个交通的顺利运行，所以，对轨道交通信号系统安全技术进行充分研究意义重大。

1 轨道交通信号系统简述

CBTC（Communication-Based Train Control）和TACS（Train Automatic Control System）是目前国内先进轨道交通信号系统中常用的列车自动控制系统，这两个系统基于通信技术，可通过无线通信和数据传输实现列车的自动控制和监控。CBTC 系统利用无线通信技术，将列车与信号设备间的通信实现无线化，极大提高了信号传输的可靠性和效率。其通过实时监测列车位置和速度等信息，可实现列车的精确控制和调度，提高了轨道交通的运行效率和安全性。TACS系统是一种基于通信的列车自动控制系统，其通过无线通信和数据传输实现列车的自动驾驶和控制。其可实时监测列车的位置、速度和运行状态等信息，并根据预设的运行计划和安全规则，自动控制列车的运行和停车，其还可以提高列车的运行效率和安全性，减少人为操作的错误和事故风险。CBTC 和TACS 系统的引入，使得轨道交通系统的运行更加智能化和自动化，并通过无线通信和数据传输，实现了列车的精确控制和调度，提高了轨道交通的运行效率和安全性，为乘客提供了更加便捷和可靠的出行体验。

2 轨道交通信号系统运行存在的问题

轨道交通信号系统运行中存在的一些问题会影响交通的安全性、效率和准时性，以下为常见的一些问题。

（1）信号故障。信号灯模式作为后备模式，在自动运行模式下处于长灭状态，即在自动运行模式下，信号灯将不会发出任何信号，保持灯光长时间熄灭。这种模式通常用于紧急情况或其他需要暂时关闭信号灯的情况。在这种模式下，驾驶员需要依靠其他交通标志和规则来进行导航和行驶。

（2）信号冲突。在轨道交通系统中，不同线路的列车可能会在交叉口或分岔口处相遇，如果信号系统不能正确判断列车的位置和行驶方向，会导致信号冲突，增加事故的风险。

（3）信号延迟。轨道交通信号系统中的信号灯或者信号机出现延迟问题，即信号的切换速度较慢，导致列车的行驶速度受限，影响交通的准时性和效率。

（4）信号优化。轨道交通信号系统中的信号灯或信号机的设置不够科学合理，使得交通流量难以得到最优化的调度，造成交通拥堵或交通流动性差的问题出现。

（5）信号通信。轨道交通信号系统中的信号设备间需要进行通信，如果通信系统存在故障或不稳定，造成信号信息传递不及时或错误，将影响交通的安全性及准时性。

（6）信号人为操作错误。轨道交通信号系统的操作人员会出现操作错误，例如误判信号、误操作信号设备等，导致列车的行驶方向错误或信号显示错误，增加了事故风险。

为解决以上问题，需要对信号系统进行科学合理的设计、优化，并加强对操作人员的培训监督，以确保轨道交通的安全、高效、准时运行。

3 轨道交通信号系统安全技术

3.1 保护数据完整性

数据完整性保护在CBTC/TACS 通信中至关重要，因为传输的数据包含了列车位置、速度、指令等关键信息。如果数据被篡改或丢失，会导致列车运行出现严重问题，甚至造成事故。为确保数据的完整性，可采用数据加密技术。数据加密是一种将原始数据转换为密文的过程，只有具备解密密钥的合法接收方才能解密并使用数据，经过加密传输的数据，即使被攻击者截获，也难以解密和篡改数据。数据加密技术可采用对称加密或非对称加密。对称加密使用相同的密钥进行加密和解密，速度较快，但密钥的安全性需要得到保证。非对称加密使用公钥和私钥进行加密和解密，安全性较高，但速度较慢。在CBTC/TACS 通信中，可根据实际需求选择适合的加密算法和密钥管理方式。除数据加密，还可采用数据完整性校验技术，其是通过计算数据的校验值，并将其与接收到的数据进行比对，以验证数据是否被篡改。常用的数据完整性校验算法包括CRC（循环冗余校验）和哈希函数等。综上所述，保护数据完整性是CBTC/TACS 通信中的重要任务。通过采用数据加密技术和数据完整性校验技术，可有效防止数据被篡改或丢失，确保通信的安全性和可靠性。

3.2 列车控制系统

（1）列车控制系统依赖于准确的位置和速度信息，使用各种传感器和测量设备，系统可实时获取列车的位置和速度数据，这些数据被传输到控制中心，用于计算列车间的安全间隔，并确定适当的信号灯状态。

（2）列车控制系统按照列车的位置和速度信息，自动调整信号灯的状态。当列车接近一个信号灯时，系统会根据列车的速度和位置，判断是否需要改变信号灯的状态，如果列车需要减速或停车，系统会相应地改变信号灯为红色，以防止其他列车进入同一区段。相反，如果列车能够安全地继续前进，系统会将信号灯改为绿色，允许列车通过。

（3）列车控制系统能根据列车的位置和速度信息，进行列车的调度和优化，系统按照列车的实际运行情况，动态调整列车的运行速度和位置，以最大程度地提高列车的运行效率和安全性。例如，系统通过列车的实际到达时间和预定的发车时间，调整列车的运行速度，以确保列车能够按时到达目的地。

（4）列车控制系统可与其他列车控制系统和调度系统进行通信协调，通过与其他系统的无缝集成，其能充分协调列车间的运行，防止碰撞和其他安全问题的发生。

总之，列车控制系统是一种关键的技术系统，可通过使用信号系统控制列车的运行速度和位置，以确保列车间的安全间隔。该系统利用列车的位置和速度信息，自动调整信号灯的状态，从而保证列车的安全运行。通过准确的位置和速度信息、自动调整信号灯状态、列车调度和优化及与其他系统的协调，列车控制系统能够提高列车的运行效率及安全性。

3.3 防护装置

道岔锁闭装置是一种常见的防护装置，被安装在轨道上的道岔处，其主要功能是防止列车在道岔处发生脱轨事故，当列车接近道岔时，道岔锁闭装置会自动锁定道岔，确保其保持在正确的位置，这样，即使列车以较高的速度通过道岔，也不会发生脱轨的危险。信号系统中的紧急制动装置也是一种重要的防护装置。在紧急情况下，如列车发生故障或遇到危险情况时，紧急制动装置可迅速停车。该装置通过与信号系统相连，可及时接收紧急停车指令，一旦接收到指令，紧急制动装置会立即启动，施加大力矩到列车的制动系统上，使列车能够迅速停下来，以避免任何潜在的危险。此外，防护装置还包括其他技术设备，如列车防撞装置和列车防火装置。列车防撞装置通过使用传感器和计算机系统，可检测列车间的距离和速度差异。一旦检测到潜在的碰撞风险，防撞装置会自动触发紧急制动装置，以避免碰撞事故的发生。而列车防火装置则通过使用火灾探测器和自动灭火系统，及时发现并扑灭列车上的火灾，保护乘客的生命安全。总之，防护装置在轨道交通信号系统中发挥着至关重要的作用，其通过使用先进的技术设备，可确保列车和乘客的安全。道岔锁闭装置、紧急制动装置、列车防撞装置和列车防火装置等都是防护装置的重要组成部分，共同工作，以确保轨道交通系统的安全运行。

3.4 通信系统

通信系统通过先进的通信技术，使列车可向信号控制中心报告自身的位置和状态，包括列车的准确位置、速度、加速度及其他相关参数。通过及时传输相关数据，信号控制中心能够准确了解列车的运行情况，从而做出相应的调度及控制决策。同时，通信系统允许信号控制中心向列车发送指令和警告信息，包括列车的行驶速度、停车位置、换轨指示等。通过及时传递这些指令，信号控制中心能够实时控制列车的运行，保证列车按照预定的路线和时刻表运行。为实现高效的通信，通信系统尝试融入多种技术手段，其中包括无线通信技术，如无线电通信和卫星通信，以及有线通信技术，如光纤通信和电缆通信。通信系统还具备一定的容错能力和安全性，可通过冗余设计和数据加密等手段，提高系统的可靠性及安全性。总之，轨道交通信号系统中的通信系统可通过实现列车与信号控制中心间的高效信息交换，确保列车运行的安全性和顺畅性。通过及时传输列车的位置和状态信息，以及向列车发送指令和警告信息，通信系统可实现对列车的实时控制与调度，提高轨道交通系统的运行效率及安全性。

3.5 故障检测与诊断系统

故障检测与诊断系统利用先进的传感器技术，对信号设备进行实时监测，传感器能够监测信号设备的电气参数、温度、振动等关键指标，以便及时发现异常情况。通过对这些数据进行实时分析、处理，系统能准确判断出信号设备是否存在故障。一旦故障被检测到，故障检测与诊断系统会立即通过声音、光线、文字等多种形式进行报警，以确保相关人员能够及时获得故障信息。同时，系统还会将故障信息传输给维修人员，以便他们迅速响应并进行修复工作。在故障修复过程中，故障检测与诊断系统发挥着重要的作用。系统会按照故障类型和位置，提供详细的诊断信息，帮助维修人员快速定位故障原因，同时，系统还能够提供修复方案和操作指导，以确保修复工作的高效进行。此外，故障检测与诊断系统还具备数据记录和分析功能，系统会将故障发生的时间、位置、原因等信息进行记录，并进行统计和分析。通过对这些数据的分析，发现故障的规律和趋势，可为信号设备的维护和改进提供有价值的参考。总之，故障检测与诊断系统是确保轨道交通信号系统正常运行的重要技术系统。通过实时监测、及时报警和修复，系统能够保证信号系统的可靠性和安全性。同时，系统还具备数据记录和分析功能，可为信号设备的维护和改进提供有力支持。