地鐵信號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試及信號(hào)處理方法分析

汪 璐

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210018）

0 引 言

城市軌道交通具有較為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，包括客流運(yùn)輸量大、運(yùn)行速度比傳統(tǒng)的公交快、運(yùn)行安全程度較高、能夠準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)達(dá)到相應(yīng)的站點(diǎn)、具有較高的環(huán)保性、節(jié)約社會(huì)能源以及減少城市占地等，故具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的趨勢(shì)。在城市地鐵系統(tǒng)中，信號(hào)系統(tǒng)是關(guān)鍵的組成部分，合理設(shè)計(jì)地鐵信號(hào)系統(tǒng)可以提高地鐵系統(tǒng)的通行能力，并降低出現(xiàn)交通擁堵和沖突發(fā)生的可能性，降低交通事故發(fā)生的頻率。本文系統(tǒng)分析了地鐵信號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試及信號(hào)處理方法，包括地鐵信號(hào)系統(tǒng)中的控制算法和控制流程圖等。

1 地鐵信號(hào)系統(tǒng)

1.1 城市地鐵的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前城市地鐵系統(tǒng)進(jìn)入到了一個(gè)較為快速的發(fā)展時(shí)期，在今后還具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的趨勢(shì)。在現(xiàn)有的城市地鐵系統(tǒng)中，通信信號(hào)系統(tǒng)還未全部具有高度調(diào)節(jié)的能力，這樣不利于地鐵司機(jī)對(duì)地鐵信號(hào)的觀察。同時(shí)在目前的地鐵信號(hào)系統(tǒng)中也沒有報(bào)警的功能結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于地鐵的安全保障還存在較大的提升空間，可以采用先進(jìn)的地鐵交通信號(hào)處理系統(tǒng)來(lái)加以應(yīng)對(duì)。

1.2 地鐵信號(hào)系統(tǒng)在軌道交通中的重要性

城市地鐵的所有車輛都應(yīng)按照信號(hào)系統(tǒng)的指示運(yùn)行，為此應(yīng)加強(qiáng)地鐵信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試，保證地鐵信號(hào)系統(tǒng)能夠保證安全可靠運(yùn)行。反之，如果設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)使交叉口車輛延誤增加，通行能力下降，從而引起交通事故次數(shù)的增加[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，地鐵各個(gè)信號(hào)系統(tǒng)相互之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通是重要的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)這種互聯(lián)互通的信號(hào)系統(tǒng)，可以提高地鐵信號(hào)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，保證當(dāng)無(wú)人控制時(shí)，地鐵系統(tǒng)依然能夠保證安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在這種信號(hào)系統(tǒng)中，主要包括的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。一是能夠最大程度實(shí)現(xiàn)資源的共享，包括車輛調(diào)度和地鐵車輛的運(yùn)營(yíng)管理等方面[2]。二是在信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通體系中，可以借助網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地鐵車輛的跨線運(yùn)營(yíng)。

1.3 地鐵信號(hào)系統(tǒng)的基本原理

在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中，信號(hào)采集電路可以為信號(hào)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)來(lái)源，目前在工業(yè)體系中應(yīng)用也十分廣泛，其實(shí)現(xiàn)原理主要包括采用光耦反饋電路等[3]。這種類型的電路雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是可判斷的輸入電壓信號(hào)范圍較小，且對(duì)輸入信號(hào)沒有進(jìn)行過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)。為此隨著技術(shù)的發(fā)展，寬范圍的信號(hào)采集電路也逐漸得到了推廣及應(yīng)用，這種類型的信號(hào)采集電路應(yīng)用性更強(qiáng)，更能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路后，再將信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)系統(tǒng)中的控制模塊，通過(guò)控制系統(tǒng)下發(fā)相應(yīng)的控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。

2 地鐵信號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)分析

2.1 對(duì)地鐵信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的必要性

隨著地鐵系統(tǒng)對(duì)信號(hào)準(zhǔn)確性要求的提高，要求信號(hào)采集具有較廣的范圍，如果這些要求難以滿足時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致地鐵信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)一定的問題，故有必要對(duì)對(duì)地鐵信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以保證信號(hào)系統(tǒng)符合實(shí)際的應(yīng)用需求。

2.2 地鐵信號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試方法

在軌道交通通信信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)中，主要的組成結(jié)構(gòu)包括固定底座、連接桿、燈本體、報(bào)警器、雷達(dá)探測(cè)器以及信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)中的控制裝置模塊等。在通信信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)各個(gè)組成部分的安裝方面，交通信號(hào)燈的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)安裝在信號(hào)系統(tǒng)連接桿的上端面，并且在信號(hào)燈的本體結(jié)構(gòu)外殼上還應(yīng)采用防護(hù)結(jié)構(gòu)，保證信號(hào)燈本體不會(huì)受到外力的破壞[4]。對(duì)于信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)中報(bào)警裝置的安裝，應(yīng)和控制模塊之間具有良好的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)交互能力，保證報(bào)警器能夠正常可靠發(fā)揮出相應(yīng)的作用。隨著軌道交通通信信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，軌道交通信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的功能也變得更加多樣化，如具備防雨功能和太陽(yáng)能供電功能，實(shí)現(xiàn)供電能力的自給自足。為了使得當(dāng)太陽(yáng)能富裕時(shí)電能能夠得到存儲(chǔ)，可以在軌道通信信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)中配置相應(yīng)的蓄電池。當(dāng)沒有太陽(yáng)光照時(shí)，則通過(guò)蓄電池進(jìn)行放電，從而保證交通通信信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的供電不會(huì)出現(xiàn)中斷，并且采用太陽(yáng)能電池板還具有較高的環(huán)保性。

同時(shí)在該系統(tǒng)中還采用了可以通過(guò)電動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)升高及降低的按鈕，保證系統(tǒng)在使用和操作過(guò)程中的方便性[5]。同時(shí)添加了雷達(dá)探測(cè)器，因防護(hù)殼內(nèi)部裝配有無(wú)線通信模塊，所以該設(shè)計(jì)提高了溝通方便性，具有結(jié)構(gòu)合理、使用方便以及可靠性高的特點(diǎn)。

2.3 地鐵信號(hào)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)分析

隨著城市軌道交通事業(yè)和信息技術(shù)的發(fā)展，基于通信的列車控制（Communication Based Train Contral，CBTC）系統(tǒng)已成為一種較為主流的技術(shù)。在地鐵車輛中采用這種類型的控制技術(shù)，可以使得地鐵車輛運(yùn)行更加安全有保障，并能夠?qū)崿F(xiàn)高效運(yùn)行，安全程度和運(yùn)行可靠性都能夠達(dá)到一個(gè)較高的水平。在CBTC系統(tǒng)上線運(yùn)行前，需要進(jìn)行大量的室內(nèi)測(cè)試，可以采用地鐵信號(hào)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試[6]。

在地鐵信號(hào)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中，基于速度發(fā)生器提供速度脈沖信號(hào)，基于軌旁、車載輸入輸出控制單元提供繼電器動(dòng)作，并且實(shí)現(xiàn)了二者的自動(dòng)控制，完整仿真了CBTC系統(tǒng)的實(shí)際物理接口輸入。同時(shí)根據(jù)CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了接口的自動(dòng)控制，使得接口信息符合CBTC系統(tǒng)的邏輯檢查原則，可被視為合法輸入。在室內(nèi)環(huán)境下仿真實(shí)現(xiàn)包括ATO列車自動(dòng)駕駛模式在內(nèi)的列車運(yùn)行真實(shí)場(chǎng)景環(huán)境。

3 地鐵的信號(hào)處理方法分析

3.1 地鐵的信號(hào)處理方法原理分析

當(dāng)?shù)罔F信號(hào)采集系統(tǒng)采集到原始數(shù)據(jù)信息之后，需要通過(guò)相應(yīng)的處理算法進(jìn)行處理。在地鐵電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可以采用數(shù)字PID控制器技術(shù)，該控制器的控制規(guī)律為：

對(duì)應(yīng)的模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

式中，Kp為比例增益；u(t)為控制量；e(t)為偏差量。電子自動(dòng)化PID控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 電子自動(dòng)化PID控制系統(tǒng)圖

從上圖1中可知，輸出量通過(guò)測(cè)量變送單元反饋控制之后，傳遞到控制器中，并和輸入量一起疊加，從而提高地鐵信號(hào)系統(tǒng)的控制效果。此外，在地鐵信號(hào)系統(tǒng)的處理過(guò)程中，可以采用卷積計(jì)算和傅里葉變換等數(shù)學(xué)運(yùn)算工具，處理數(shù)據(jù)信息，以便提高地鐵信號(hào)系統(tǒng)的處理效率[7]。

3.2 地鐵的信號(hào)處理系統(tǒng)分析

對(duì)于地鐵的信號(hào)處理系統(tǒng)，包括模擬量和數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的控制措施。圖2為地鐵信號(hào)處理系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)處理流程，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行子系統(tǒng)工作，并執(zhí)行相應(yīng)的控制功能。

圖2 地鐵信號(hào)處理系統(tǒng)

對(duì)于本文所述的地鐵信號(hào)測(cè)試車載仿真設(shè)備，仿真功能由一臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)置列車運(yùn)行仿真軟件，可根據(jù)測(cè)試人員在軟件上人工操作模擬列車的加速、減速以及巡航過(guò)程。列車的速度和位移信息完全由軟件模擬，仿真軟件根據(jù)計(jì)算的列車速度和位移生成虛擬的車載傳感器速度和應(yīng)答器報(bào)文。

3.3 地鐵信號(hào)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與計(jì)算機(jī)集成技術(shù)的快速發(fā)展，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在地鐵中得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。目前，地鐵綜合自動(dòng)化系統(tǒng)可以監(jiān)視各子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息，并可以探測(cè)各種故障，其中也實(shí)現(xiàn)了包括機(jī)電、環(huán)控、火災(zāi)、電扶梯以及閘機(jī)等各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)功能，但缺少與信號(hào)系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)[8]。此外，地鐵綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中還存在以下缺陷。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)度員或操作員必須通過(guò)人機(jī)界面密切關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，并且現(xiàn)場(chǎng)需要安排值守人員，一旦信號(hào)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生故障就必須依賴人工來(lái)處理，通過(guò)電話來(lái)協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的值守人員或維修人員，到現(xiàn)場(chǎng)故障點(diǎn)處理故障，這種方式效率非常低下，會(huì)消耗大量的人力，故障恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)且容易出錯(cuò)，嚴(yán)重影響地鐵運(yùn)營(yíng)效率[9]。因此今后可以采用地鐵綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的信號(hào)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，使得地鐵綜合自動(dòng)化系統(tǒng)可以根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備上報(bào)的故障信息，采取相應(yīng)的預(yù)定應(yīng)急處理方案，幫助調(diào)度人員及時(shí)迅速地處理現(xiàn)場(chǎng)事故。

在該系統(tǒng)中，通信前置機(jī)通過(guò)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)專網(wǎng)實(shí)時(shí)采集地鐵信號(hào)設(shè)備的工作狀態(tài)信息，并將地鐵信號(hào)設(shè)備的工作狀態(tài)信息發(fā)送給實(shí)時(shí)服務(wù)器。當(dāng)然，通信前置機(jī)也通過(guò)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)專網(wǎng)實(shí)時(shí)采集地鐵中的機(jī)電設(shè)備、環(huán)控設(shè)備、火災(zāi)設(shè)備、電扶梯設(shè)備以及閘機(jī)設(shè)備等的狀態(tài)信息與工作狀態(tài)（正常/故障態(tài)），也將這些信息發(fā)送給實(shí)時(shí)服務(wù)器[10]。通過(guò)采用地鐵綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的信號(hào)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝置，在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中加入信號(hào)聯(lián)動(dòng)功能，當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能根據(jù)預(yù)定的聯(lián)動(dòng)方案迅速、及時(shí)地做出響應(yīng)，減少了事故處理時(shí)間，降低人為錯(cuò)誤，同時(shí)也提高了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的集成深度和地鐵運(yùn)營(yíng)效率，節(jié)省了人力成本，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中，涉及到多種不同類型的控制信號(hào)，強(qiáng)化地鐵信號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試，對(duì)于保證地鐵信號(hào)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用，本文所述的地鐵信號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試及信號(hào)處理方法可以在實(shí)際中加以應(yīng)用。