城市轨道交通通信与信号控制研究

谢毅松

摘要 文章基于城市轨道交通通信原理，提出了信号控制措施和发展建议。研究结果显示，在城市轨道交通通信系统的信号控制过程中，需要科学合理构建ATO系统的控制模式，采用ATS系统控制的方法，积极运用无线通信技术、物联网技术、现代化定位技术和智能化技术，科学采用大数据技术，以提升信号控制效果，提高整体的通信水平。

关键词 城市轨道交通；通信；信号控制

中图分类号 U239.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0174-03

0 引言

城市交通领域中所采用的通信信号系统作用在于确保列车运行的稳定性和安全性，改善列车控制和指挥的水平，具有一定的重要意义。为进一步发挥通信信号系统的作用价值，应重点结合城市轨道交通信号控制的特点，完善通信控制的模式和体系，为相关系统的良好运行和发展夯实基础。

1 城市轨道交通通信原理

1.1 城市轨道交通通信架构

目前我国城市轨道交通通信系统的架构如图1所示，列车通信子系统用于列车与地面基站或车站之间的无线通信，主要涉及无线电台和天线等设备，其中的列车通信控制器负责控制列车通信设备的工作状态和通信连接，实现与地面通信的功能。地面通信子系统中的地面基站部署在轨道线路沿线或车站附近的基站，负责与列车进行通信连接，提供实时通信服务；通信控制中心则是集中管理地面通信子系统的控制中心，负责控制和监控地面通信设备的工作状态和通信连接。车站通信子系统中的车站通信设备主要涉及车站无线通信设备、通信控制器等，用于与列车进行通信连接，提供列车到站、出站等信息；车站通信控制中心负责控制和管理车站通信子系统的控制中心，保证车站通信设备的正常运行和通信连接的稳定性。通信网络中的无线通信网络为列车和地面基站之间提供无线通信连接的网络，采用各种无线通信技术，例如GSM-R、LTE等；有线通信网络为通信子系统提供有线连接的网络，例如光纤、以太网等，用于数据传输和通信控制。控制与管理系统中的通信控制中心是负责控制和管理整个通信系统的控制中心，主要涉及列车通信、地面通信和车站通信等子系统的控制；运维管理系统则用于对通信设备进行运维管理，具有设备状态监控、故障诊断和维护等功能，能够保障通信系统的正常运行。

1.2 技术原理的案例分析

某城市轨道交通“地铁”工程采用具备ATC自动控制功能的通信系统，其中主要涉及微机联锁、自动化防护和自动化驾驶等，技术的先进性较为明显。同时该工程的车辆段信号连锁设备主要如图2所示：

在该地铁工程中通信系统的功能是将维护行车安全作为基础，应在进路的区域进行信号机的防护，一旦道岔的位置出现了偏差、进路有其他列车，都可以确保进路信号机设备具有一定的封闭性，以禁止列车通行，维护列车安全。同时该工程中的通信系统，是按照道岔情况和进路情况，根据信号的使用需求进行设备的连锁设计。例如某进路处于开放状况，可以全面进行进路位置的道岔规整处理，确保位置的准确性，同时开启进路信号的设备；此外，在对进路方面具备一定防护性能信号设备进行开启的过程中，区域之内的所有道岔都必须关闭，无须使用扳动的方法。

2 城市轨道交通通信信号控制的措施

2.1 ATO系统控制

2.1.1 信号分级速度控制

技术人员需要按照轨道交通线路的设计、道路状况和列车运行要求，设置不同的速度限制，使得列车在不同区段按照设定的速度运行；然后结合列车的运行特性和轨道条件，制定适当的速度曲线，保证列车在不同区段按照曲线速度运行；最后采用列车上的传感器和信号系统，监控列车的实时速度并与设定的速度进行比较，及时警示和控制列车的速度，确保列车在安全范围内运行。

2.1.2 目标信号控制

按照列车的运行计划和线路情况设置目标信号，指示列车前方的运行情况和目标位置；然后利用ATO系统控制列车的运行速度和停车位置；最后结合列车的实际运行情况和信号系统的反馈，及时更新目标信号，保障列车在运行过程中得到准确的目标指示。

2.1.3 闭塞控制

结合轨道交通线路的设计和安全要求确定闭塞区段，划分不同的运行区域；然后在闭塞区段的入口和出口设置闭塞信号，通过信号系统控制列车的进入和离开，确保列车在闭塞区段内按序运行；最后利用信号系统和轨道检测设备，实时监控闭塞区段的占用状态，保证列车在进入闭塞区段时不会与其他列车发生冲突。

2.2 ATS系统控制

2.2.1 信号集中控制

技术人员需要开发相关的信号控制中心，集中管理和控制整个城市轨道交通系统的信号设备和信号系统；然后编制信号控制策略，按照列车运行计划、运行情况和安全要求，控制信号设备的工作状态和信号灯显示；最后结合列车的实时运行情况、线路状况和运行计划变化，利用信号控制中心对信号设备进行实时控制调整，维护列车的安全和运行效率。

2.2.2 信号集中监视

开发相关的信号监视中心，利用监视中心实时监控整个城市轨道交通系统的信号设备状态、信号灯显示和列车运行情况；配置监视系统，主要涉及信号设备状态、信号灯显示和列车运行的监测等，利用监视系统实时获取各个区段和车站的信号情况，同时利用监视中心对信号设备状态和列车运行情况进行实时监测，发现异常情况时及时发出告警，并采取相应的处理措施，保障列车运行安全[1]。

2.2.3 信号分散控制

按照城市轨道交通系统的运行特点和需求，完善信号分散控制策略，将列车的运行控制分散到各个区段和车站；在各个区段和车站配置分散控制设备，包括信号设备和控制系统，实现对列车的分散控制；利用信号控制中心和信号监视中心对分散控制设备进行协调和监控，确保各个区段和车站的分散控制协调一致，避免出现冲突和混乱等问题。

3 城市轨道交通通信信号控制的发展建议

3.1 采用无线通信技术

城市轨道交通通信信号系统中采用无线通信技术，有助于提升信号控制水平，因此建议技术人员重视无线通信技术的应用，例如采用更高速率的5G、LTE等无线通信技术，以提高通信速度和容量，支持更多的数据传输和实时控制需求，保证列车与地面基站或车站之间快速、稳定的通信连接。在城市轨道交通线路沿线或车站附近部署无线通信基站，建立覆盖范围广、信号强度稳定的无线通信网络，使得列车在整个运行过程中都能保持与地面通信设备的连接，实现实时数据传输和通信控制。同时，需要为城市轨道交通通信系统分配专用的频段和通信协议，提升通信的独立性和稳定性，采用专用频段可以减少干扰和信号冲突，提高通信质量和可靠性；或是为列车和地面基站或车站配备高性能的无线通信设备和天线，远距离、稳定进行通信连接，应注意设备具备良好的抗干扰能力和信号接收能力，能够在复杂的轨道环境和高速运行条件下保持通信稳定。另外，在城市轨道交通通信系统中采取相应的通信安全措施，防止未经授权的访问和数据泄露，例如加密通信、身份验证和访问控制等技术手段，以维护通信数据的机密性和完整性[2]。

3.2 采用物联网技术

城市轨道交通通信信号控制系统中数据通信和物联网技术的融合，有助于改善通信控制的有效性，技术人员可在城市轨道交通系统中布置各种类型的传感器，例如温度传感器、压力传感器、振动传感器等，实时监测列车和设备的状态。采用传感器网络将数据采集设备连接到通信网络，对列车和设备状态远程监测和管理。同时，采用物联网技术将传感器采集到的列车位置、速度、能耗、设备运行状态等数据，通过通信网络上传至中央服务器进行集中存储和处理，再利用数据采集和存储对轨道交通系统运行情况的全面监测和分析。采用大数据分析和人工智能技术对采集到的数据进行深入分析，提取有价值的信息和规律；在进行数据分析后，预测设备故障、优化列车运行计划、提高系统运行效率等，为决策者提供可靠的数据支持，使得管理人员做出更好的运营和管理决策。在数据通信和物联网技术融合过程中，数据安全和隐私保护是非常重要的因素，应采取相应的数据加密、身份认证、访问控制等安全措施，维护数据传输的安全性和可靠性，同时保护用户的隐私权益[3]。

3.3 采用先进定位技术

在城市轨道交通通信信号控制系统中，高精度定位技术的应用可提升定位的精准性和可靠性。首先，城市轨道交通信号控制系统可采用全球卫星导航系统，例如GPS、北斗、GLONASS等，为列车和设备提供高精度的位置定位服务，并接收卫星信号实时获取列车的位置信息，以用于列车的调度和控制。其次，城市轨道交通系统可以采用惯性导航系统，配置加速度计和陀螺仪等测量列车的加速度、角速度和姿态信息，将惯性测量与GNSS数据融合，提供更高精度的位置定位，尤其在GNSS信号受阻或遮挡时仍能保持定位的连续性和准确性。再次，城市轨道交通系统可以采用基站辅助定位技术与地面部署的基站进行通信，获取基站位置信息，对列车位置进行精确定位；基站辅助定位方面可提供更高的定位精度和可靠性，尤其适用于对位置要求较高的应用场景。最后，城市轨道交通系统利用无线信号强度定位技术，例如Wi-Fi或蜂窝网络的信号强度定位，测量列车接收到的无线信号强度、估计列车的位置[4]；或是采用轨道地理信息系统，将轨道地理位置与列车位置进行关联，实现对列车位置的精确定位，同时可开发轨道地理信息数据库并配备相应的定位设备，对列车位置进行准确记录和管理。

3.4 采用智能化技术

在城市轨道交通通信信号控制系统中采用人工智能技术，需要结合大数据分析和算法优化，对列车的运行计划进行智能化调度，按照分析历史数据和实时数据预测乘客需求，优化列车运行间隔和停靠站点，提高运行效率和乘客满意度。采用人工智能技术对轨道交通系统中的设备进行实时监测和故障预测，分析传感器数据和设备状态，识别潜在故障和异常情况，并及时发出警报，以便进行维修和保养，提高系统的稳定性和安全性。采用人工智能技术也可对城市轨道交通系统进行安全监控和异常检测[5]，利用图像识别和视频分析技术，实时监测站点和车厢内的安全情况，识别异常行为和物品，及时采取措施保障乘客的安全和秩序。同时利用人工智能技术可对轨道交通系统中的设备故障进行诊断和处理，利用机器学习和模式识别技术，分析设备故障的特征和规律，提供准确的故障诊断和修复建议，以减少故障处理时间和成本。

3.5 采用大数据技术

大数据技术在城市轨道交通通信信号控制系统中的应用，可以利用各种传感器、计算机视觉和监控设备实时采集城市轨道交通系统中的数据，例如列车位置、速度、乘客数量、站点运行情况等，将相关数据存储在大规模的数据仓库中，用于后续分析和应用。然后采用大数据分析技术对收集到的数据进行处理和分析，借助数据挖掘、机器学习和统计分析等方法，对列车运行情况、人流量、交通拥堵等进行建模和预测，以优化列车调度、提前预警故障和提供乘客服务。完成数据分析后，可基于大数据分析结果优化轨道交通系统的运行调度，分析历史数据和实时数据，预测乘客需求，优化列车运行间隔和停靠站点，以提高运行效率和乘客满意度。同时，结合交通网络的情况，完善列车调度模式，减少拥堵和延误现象；利用大数据技术，对轨道交通系统中的设备故障进行诊断和维修管理，分析设备的历史数据和实时数据，识别设备的健康状况和潜在故障，提前预警并及时进行维修和保养，以提高系统的可靠性和安全性[6]。

4 结语

综上所述，近年来我国城市轨道交通通信和信号控制技术越来越成熟，为维护列车运行安全和通信效果提供了支持。因此，需要重视对城市轨道交通通信和信号控制技术的研究和应用，合理进行各类信号的控制，积极采用先进的大数据技术、无线通信技术、高精确度的定位技术等，改善通信信号的控制效果，完善通信系统的运行功能，增强整体工作的效果，达到预期的技术应用和开发目的。

参考文献

[1]毕昆. 城市轨道交通通信与信号控制研究[J]. 中国高新科技， 2021（6）： 67-68.

[2]王拓辉. 基于通信的城市轨道交通信号与控制系统研究[J]. 时代汽车， 2023（8）： 186-188.

[3]肖宝弟， 蔡昌俊， 李晋. 城市轨道交通信号系统自主化整体技术解决方案——MTC-I型基于通信的列车控制系统研发与应用[J]. 现代城市轨道交通， 2014（1）： 11-17.

[4] 易修文. 基于通信的城市轨道交通信号与控制系统研究[J]. 电脑爱好者（普及版）（电子刊）， 2020（6）： 2236-2237.

[5]王宗耀， 上官伟， 彭聪， 等. 基于CODAS的CBTC车载系统子系统故障风险评估与维修优先级决策方法[J]. 铁道学报， 2023（8）： 87-98.

[6]成姝蓉. 高职院校轨道交通信号与控制专业应用型人才培养模式探讨[J]. 太原城市职业技术学院学报， 2020（5）： 110-111.