軌道交通信號系統的發展及其趨勢研究

羅 文

（滄州交通學院，河北 滄州 061199）

0 引言

近年來，得益于科技水平的不斷提高，自動控制等多項信息技術在軌道交通信號控制領域中得到廣泛應用，信號自動控制系統逐漸取代了傳統人工控制方式，有效提升了軌道交通運營效率、運營安全系數與信號控制能力。與此同時，我國軌道交通信號系統尚處于初期發展階段，在系統運行期間遇到一些問題有待解決。因此，應加大對軌道交通信號系統發展現狀與未來發展趨勢的研究，保證軌道交通運行效率，為交通運輸事業的發展提供強有力的技術保障。

1 軌道交通信號系統發展現狀

1.1 信號系統發展歷程

目前來看，我國軌道交通信號系統主要經歷人工控制、自動控制與信息控制三個發展階段，不同階段中的信號系統使用功能、控制方式與應用效果存在明顯差異。

第一，在人工控制階段，僅在軌道交通沿線布置各類信號設備與少量傳感器等終端感應裝置，采取人工巡查搭配傳感監測方式來掌握信號設備運行工況，當信號設備出現故障問題時，工作人員需立即前往現場調試維修故障設備，其操作流程煩瑣、工作負擔大、控制效率較低，并且對工作人員專業素養的要求十分嚴格。

第二，在自動控制階段，在軌道交通沿線配置大量的自動信號設備與終端傳感裝置，采取閉環邏輯控制方式，工作人員提前設定各項運行參數的標準值和允許偏差范圍，系統基于程序準則，實時監測各項運行參數，在參數偏差超標時執行糾偏動作，始終保持信號設備穩定的運行工況。相比于早期的人工控制模式，自動控制模式極大減輕了工作負擔，但僅能替代人工完成參數糾偏、設備故障告警等基礎性任務，無法獨立完成復雜任務。

第三，在信息控制階段，將大數據等信息技術引入到軌道交通信號系統當中，逐漸構建起功能完善、層次分明、集成控制的信號系統，極大拓展了系統應用場景，并從根源上解決了信號功能單一與控制分散等多項難題。與此同時，這一階段的信號系統還初步具備了決策分析能力，可用于完成狀態監測、系統運行預測等決策型操作任務。

1.2 信號系統主要功能

根據各項使用功能的應用效果來看，可以將軌道交通信號系統的主要功能劃分為安全保障、效能保障、管理服務、節能環保四類。

第一，安全保障功能包括信號指引、道岔導向控制、列車速度保護、車門感應啟閉等，負責替代人工完成錯誤率較高的操作任務。以車門啟閉為例，系統控制列車車門在預定時間節點自動開啟與閉合車門，如果車門啟閉期間即將觸碰到乘客與障礙物，系統將立即停止車門啟閉，確定問題得到解決后再行啟閉車門，避免誤傷乘客與造成車門受損。

第二，效能保障功能包括站間自動閉塞、移動閉塞、列車運行監控、ATO自動駕駛等，在保證軌道交通運營安全的前提下，最大限度地提高列車行駛速度和軌道交通運營效率。例如，通過使用移動閉塞功能，分別把高鐵與地鐵的列車最小追蹤間隔時間縮短至3 min與90 s。

第三，管理服務類功能包括計算機聯鎖、地車雙向通信、輔助決策、計劃自動執行等，以提高軌道交通運營管理水平為目的。例如，通過使用輔助決策功能，系統對所收集海量軌道交通運行數據進行決策分析，幫助管理人員獲取決策方案的最優解。

第四，節能環保類功能以列車調速為主，可以顯著降低列車運行能耗與軌道交通體系整體能耗水平，信號系統將通過終端感應裝置來全面掌握各區段情況，實時優化列車運行線路與速度，以此來節省列車牽引能耗[1]。

1.3 信號系統控制方式

在現代軌道交通工程中，信號系統主要采取ATO系統列控、ATS系統控制以及ATP系統控制三種方式，不同方式的控制原理、應用效果存在明顯差異，運營單位需要根據軌道交通實際運營需要來選擇恰當方式。

第一，ATO為列車自動運行系統，由軌道電路信號子系統和通信信號子系統等部分組成，具體采取分級速度信號控制方法，工作人員提前規劃電路，依托階梯速度曲線來傳遞列車速度信息，根據信息分析結果來制定、下達控制指令。

第二，ATS為列車監控系統，可采取集中監控分散控制系統架構型式，將所收集的信息全部導入系統后臺進行處理分析，根據分析結果來制定調度計劃，再將調度計劃分解后下達給各個子系統，這類系統同時具備集成優勢與分散優勢，既可以高效利用信息資源來制定科學調度計劃，也可以保證各子系統獨立運行，子系統相互之間不受影響。

第三，ATP為列車自動防護系統，該系統持續收集地面設備、隧道出入口等部位的速度信息，在其基礎上繪制速度曲線，遠程向列車下達速度控制指令，合理規劃行車速度，并在列車穿行閉塞區時額外增設閉塞區來保障行車安全。

2 軌道交通信號系統的未來發展趨勢

2.1 智能化發展

我國軌道交通信號系統尚處于智能化階段的起步發展時期，雖然系統具備一定的決策分析能力，但仍舊無法替代人工完成過于復雜的操作任務，且智能決策水平有待提升。因此，軌道交通運營單位要重點推動信號系統向智能化方向發展，綜合運用BP神經網絡、模糊邏輯推理等智能算法，開發故障智能診斷、預測分析、自動駕駛等全新功能。例如，故障智能診斷依托專家知識庫，提前收錄各類型的運行故障案例報告，從中提取故障特征，在信號系統運行期間，通過自檢信號定期檢查信號設備是否存在潛在故障，以故障案例為樣本，準確判斷故障類型、分析故障成因與鎖定故障點位。預測分析功能依托模糊邏輯推理算法，在已掌握信息基礎上推測目標事件的未來走向，從中選擇可能性最大、符合初衷目的的結果作為輸出值，以幫助運維管理人員預測未來一段時間信號系統運行狀況。自動駕駛功能則依托信號系統強大的環境感知、遠程通信與數據處理能力，通過攝像頭、傳感器等裝置實時采集現場監測信號，將監測信號迅速提交給系統后臺進行處理，再將處理結果以指令形式反饋給現場信號設備與列車控制系統，在無人工干預條件下，自動控制列車按照方案行駛，并根據沿途路況來實時調整運行方案。

此外，隨著軌道交通信號設備臺數的持續增多，對信號系統數據處理能力提出了更為嚴格的要求，如果信號系統無法在短時間內高效完成數據處理任務，或是出現系統延遲、卡頓等問題，都會影響自動駕駛、故障智能診斷等使用功能的正常發揮。因此，運營單位可選擇應用云計算技術，將復雜計算任務提交給云平臺，采取分布式計算方式進行處理，可在短時間內獲取準確計算結果。

2.2 網絡結構泛在化發展

根據軌道交通信號系統運行情況，當前呈現出多元化發展趨勢，系統使用功能日益增多，并采取雙向通信方式取代原有單向通信方式，列車之間、列車與控制中心之間相互傳輸數據。這在顯著強化信號系統控制能力、實現信息資源集成利用目標的同時，對信號系統通信能力和數據傳輸質量提出更高要求。因此，軌道交通運營單位需要著手推動信號系統向網絡結構泛在化方向發展，具體從提高網絡可靠性、降低信號傳輸延遲兩方面著手。其中，在提高網絡可靠性方面，運營單位需要根據通信網絡類型與架構來選擇適宜型號的通信設備，并在通信網絡結構中增加通信設備數量，將部分比例通信設備作為冗余設備，當系統運行期間遇到設備故障癱瘓、通信量過大等問題時，系統自動將冗余設備投入使用，以保證通信網絡穩定運行。在降低信號傳輸時延方面，運營單位應用5G移動通信技術取代傳統GSM-B、LTE-R等通信技術，5G技術的空中接口時延僅為1 ms，完全滿足信號傳輸時延要求，同時，5G網絡還具備極為優異的性能指標，如寬帶，下行為1 Gbps、上行為100 Mbps，峰值速率達到10～20 Gbps，流量密度超過10 Mbps/m2等[2]。

2.3 系統標準化發展

在早期建成軌道交通信號系統中，普遍存在設備型號煩雜、接口標準不統一的問題，導致信號系統兼容性較差，在運行期間由此引發一系列問題出現，進而影響到信號控制效果與系統運行穩定性。與此同時，部分信號系統還存在子系統使用功能不協調、無法滿足軌道交通高密度與高強度運維需要的情況。針對這些情況，軌道交通運營單位應推動信號系統向標準化方向發展，具體從車載標準化、智能運維標準化兩方面著手。其中，在車載標準化方面，運維單位需要對車載外掛設備型號與車載接口進行統一處理，如對車載系統板塊接口與通信標準等加以梳理，使其滿足信號—車輛接口需求；統一選用LTE-M或其他標準來配置車載DCS硬件設備來滿足車地通信需要；選用歐標定位系統與配套信標天線設備來滿足列車定位系統使用需要；將列車自動運行子系統和列車自動防護子系統相對接來滿足列車測速需要[3]。同時，為控制造價成本，運營單位可選擇同步開展線路大修與既有線車載標準改造工作，以車載—車輛接口改造作為主要內容，滿足現階段軌道交通信號系統的使用需求。而在智能運維標準化方面，需要在信號系統中開發集成狀態監測、向導故障處置、智能預警、協同遠程支持、一體運維管理等使用功能，以此來滿足軌道交通智能運維需要。以集成狀態監測功能為例，使監測范圍涵蓋全部子系統與各個方面，系統在運行期間同步采集系統日志、信號設備性能信息、設備運行信息與故障報警信號等諸多類別數據，將各類數據進行匯總整理后以供工作人員查閱，幫助運維人員通過信號系統全面掌握軌道交通實時運營情況。

2.4 多模冗余化發展

近年來，隨著軌道交通工程建設規模的擴大，多數軌道交通工程均具備超大規模網絡運營條件，在運營期間，如果出現各類信號設備故障問題，會間接影響軌道交通運營效率，造成列車延誤，且早晚高峰時段的列車延誤時間普遍超過15 min。對此，為減小信號設備故障對列車運行造成的影響，運營單位需要推動信號系統向多模冗余化方向發展，可采取同型冗余或是異型冗余方法。同型冗余具有顯著提高系統可用性、子系統獨立大修條件的優勢，異型冗余具有降低共模故障率、可靠性高的優勢[4]。以車載子系統改造為例，在原有基礎上建設雙套冗余車載子系統，如果系統在運行期間出現車載板卡故障、電源故障與列車位置丟失等問題時，系統將在短時間內自動切換至主備機，確保列車運行狀態不受影響。

3 結束語

綜上所述，為切實滿足軌道交通信號控制需要，最大限度地提升軌道交通運營管理水平。運營單位必須提高對軌道交通信號系統的重視程度，根據實際控制需要來開發信號系統使用功能，選擇最佳控制方式，積極推動現有信號系統向智能化、網絡結構泛在化、標準化與多模冗余化方向發展，為我國軌道交通事業的高速發展保駕護航。