城市軌道交通信號系統(tǒng)安全技術(shù)研究

李守輝，趙樹洋

（青島地鐵運營有限公司，山東青島 266035）

隨著我國軌道交通事業(yè)的發(fā)展，很多先進技術(shù)開始被應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)中，其中信號系統(tǒng)是整個軌道交通系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，控制著整個交通的順利運行，所以，對軌道交通信號系統(tǒng)安全技術(shù)進行充分研究意義重大。

1 軌道交通信號系統(tǒng)簡述

CBTC（Communication-Based Train Control）和TACS（Train Automatic Control System）是目前國內(nèi)先進軌道交通信號系統(tǒng)中常用的列車自動控制系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)基于通信技術(shù)，可通過無線通信和數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)列車的自動控制和監(jiān)控。CBTC 系統(tǒng)利用無線通信技術(shù)，將列車與信號設(shè)備間的通信實現(xiàn)無線化，極大提高了信號傳輸?shù)目煽啃院托省Ｆ渫ㄟ^實時監(jiān)測列車位置和速度等信息，可實現(xiàn)列車的精確控制和調(diào)度，提高了軌道交通的運行效率和安全性。TACS系統(tǒng)是一種基于通信的列車自動控制系統(tǒng)，其通過無線通信和數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)列車的自動駕駛和控制。其可實時監(jiān)測列車的位置、速度和運行狀態(tài)等信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的運行計劃和安全規(guī)則，自動控制列車的運行和停車，其還可以提高列車的運行效率和安全性，減少人為操作的錯誤和事故風(fēng)險。CBTC 和TACS 系統(tǒng)的引入，使得軌道交通系統(tǒng)的運行更加智能化和自動化，并通過無線通信和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了列車的精確控制和調(diào)度，提高了軌道交通的運行效率和安全性，為乘客提供了更加便捷和可靠的出行體驗。

2 軌道交通信號系統(tǒng)運行存在的問題

軌道交通信號系統(tǒng)運行中存在的一些問題會影響交通的安全性、效率和準時性，以下為常見的一些問題。

（1）信號故障。信號燈模式作為后備模式，在自動運行模式下處于長滅狀態(tài)，即在自動運行模式下，信號燈將不會發(fā)出任何信號，保持燈光長時間熄滅。這種模式通常用于緊急情況或其他需要暫時關(guān)閉信號燈的情況。在這種模式下，駕駛員需要依靠其他交通標(biāo)志和規(guī)則來進行導(dǎo)航和行駛。

（2）信號沖突。在軌道交通系統(tǒng)中，不同線路的列車可能會在交叉口或分岔口處相遇，如果信號系統(tǒng)不能正確判斷列車的位置和行駛方向，會導(dǎo)致信號沖突，增加事故的風(fēng)險。

（3）信號延遲。軌道交通信號系統(tǒng)中的信號燈或者信號機出現(xiàn)延遲問題，即信號的切換速度較慢，導(dǎo)致列車的行駛速度受限，影響交通的準時性和效率。

（4）信號優(yōu)化。軌道交通信號系統(tǒng)中的信號燈或信號機的設(shè)置不夠科學(xué)合理，使得交通流量難以得到最優(yōu)化的調(diào)度，造成交通擁堵或交通流動性差的問題出現(xiàn)。

（5）信號通信。軌道交通信號系統(tǒng)中的信號設(shè)備間需要進行通信，如果通信系統(tǒng)存在故障或不穩(wěn)定，造成信號信息傳遞不及時或錯誤，將影響交通的安全性及準時性。

（6）信號人為操作錯誤。軌道交通信號系統(tǒng)的操作人員會出現(xiàn)操作錯誤，例如誤判信號、誤操作信號設(shè)備等，導(dǎo)致列車的行駛方向錯誤或信號顯示錯誤，增加了事故風(fēng)險。

為解決以上問題，需要對信號系統(tǒng)進行科學(xué)合理的設(shè)計、優(yōu)化，并加強對操作人員的培訓(xùn)監(jiān)督，以確保軌道交通的安全、高效、準時運行。

3 軌道交通信號系統(tǒng)安全技術(shù)

3.1 保護數(shù)據(jù)完整性

數(shù)據(jù)完整性保護在CBTC/TACS 通信中至關(guān)重要，因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含了列車位置、速度、指令等關(guān)鍵信息。如果數(shù)據(jù)被篡改或丟失，會導(dǎo)致列車運行出現(xiàn)嚴重問題，甚至造成事故。為確保數(shù)據(jù)的完整性，可采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)。數(shù)據(jù)加密是一種將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為密文的過程，只有具備解密密鑰的合法接收方才能解密并使用數(shù)據(jù)，經(jīng)過加密傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，即使被攻擊者截獲，也難以解密和篡改數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)加密技術(shù)可采用對稱加密或非對稱加密。對稱加密使用相同的密鑰進行加密和解密，速度較快，但密鑰的安全性需要得到保證。非對稱加密使用公鑰和私鑰進行加密和解密，安全性較高，但速度較慢。在CBTC/TACS 通信中，可根據(jù)實際需求選擇適合的加密算法和密鑰管理方式。除數(shù)據(jù)加密，還可采用數(shù)據(jù)完整性校驗技術(shù)，其是通過計算數(shù)據(jù)的校驗值，并將其與接收到的數(shù)據(jù)進行比對，以驗證數(shù)據(jù)是否被篡改。常用的數(shù)據(jù)完整性校驗算法包括CRC（循環(huán)冗余校驗）和哈希函數(shù)等。綜上所述，保護數(shù)據(jù)完整性是CBTC/TACS 通信中的重要任務(wù)。通過采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)和數(shù)據(jù)完整性校驗技術(shù)，可有效防止數(shù)據(jù)被篡改或丟失，確保通信的安全性和可靠性。

3.2 列車控制系統(tǒng)

（1）列車控制系統(tǒng)依賴于準確的位置和速度信息，使用各種傳感器和測量設(shè)備，系統(tǒng)可實時獲取列車的位置和速度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)娇刂浦行模糜谟嬎懔熊囬g的安全間隔，并確定適當(dāng)?shù)男盘枱魻顟B(tài)。

（2）列車控制系統(tǒng)按照列車的位置和速度信息，自動調(diào)整信號燈的狀態(tài)。當(dāng)列車接近一個信號燈時，系統(tǒng)會根據(jù)列車的速度和位置，判斷是否需要改變信號燈的狀態(tài)，如果列車需要減速或停車，系統(tǒng)會相應(yīng)地改變信號燈為紅色，以防止其他列車進入同一區(qū)段。相反，如果列車能夠安全地繼續(xù)前進，系統(tǒng)會將信號燈改為綠色，允許列車通過。

（3）列車控制系統(tǒng)能根據(jù)列車的位置和速度信息，進行列車的調(diào)度和優(yōu)化，系統(tǒng)按照列車的實際運行情況，動態(tài)調(diào)整列車的運行速度和位置，以最大程度地提高列車的運行效率和安全性。例如，系統(tǒng)通過列車的實際到達時間和預(yù)定的發(fā)車時間，調(diào)整列車的運行速度，以確保列車能夠按時到達目的地。

（4）列車控制系統(tǒng)可與其他列車控制系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)進行通信協(xié)調(diào)，通過與其他系統(tǒng)的無縫集成，其能充分協(xié)調(diào)列車間的運行，防止碰撞和其他安全問題的發(fā)生。

總之，列車控制系統(tǒng)是一種關(guān)鍵的技術(shù)系統(tǒng)，可通過使用信號系統(tǒng)控制列車的運行速度和位置，以確保列車間的安全間隔。該系統(tǒng)利用列車的位置和速度信息，自動調(diào)整信號燈的狀態(tài)，從而保證列車的安全運行。通過準確的位置和速度信息、自動調(diào)整信號燈狀態(tài)、列車調(diào)度和優(yōu)化及與其他系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，列車控制系統(tǒng)能夠提高列車的運行效率及安全性。

3.3 防護裝置

道岔鎖閉裝置是一種常見的防護裝置，被安裝在軌道上的道岔處，其主要功能是防止列車在道岔處發(fā)生脫軌事故，當(dāng)列車接近道岔時，道岔鎖閉裝置會自動鎖定道岔，確保其保持在正確的位置，這樣，即使列車以較高的速度通過道岔，也不會發(fā)生脫軌的危險。信號系統(tǒng)中的緊急制動裝置也是一種重要的防護裝置。在緊急情況下，如列車發(fā)生故障或遇到危險情況時，緊急制動裝置可迅速停車。該裝置通過與信號系統(tǒng)相連，可及時接收緊急停車指令，一旦接收到指令，緊急制動裝置會立即啟動，施加大力矩到列車的制動系統(tǒng)上，使列車能夠迅速停下來，以避免任何潛在的危險。此外，防護裝置還包括其他技術(shù)設(shè)備，如列車防撞裝置和列車防火裝置。列車防撞裝置通過使用傳感器和計算機系統(tǒng)，可檢測列車間的距離和速度差異。一旦檢測到潛在的碰撞風(fēng)險，防撞裝置會自動觸發(fā)緊急制動裝置，以避免碰撞事故的發(fā)生。而列車防火裝置則通過使用火災(zāi)探測器和自動滅火系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)并撲滅列車上的火災(zāi)，保護乘客的生命安全。總之，防護裝置在軌道交通信號系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其通過使用先進的技術(shù)設(shè)備，可確保列車和乘客的安全。道岔鎖閉裝置、緊急制動裝置、列車防撞裝置和列車防火裝置等都是防護裝置的重要組成部分，共同工作，以確保軌道交通系統(tǒng)的安全運行。

3.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)通過先進的通信技術(shù)，使列車可向信號控制中心報告自身的位置和狀態(tài)，包括列車的準確位置、速度、加速度及其他相關(guān)參數(shù)。通過及時傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，信號控制中心能夠準確了解列車的運行情況，從而做出相應(yīng)的調(diào)度及控制決策。同時，通信系統(tǒng)允許信號控制中心向列車發(fā)送指令和警告信息，包括列車的行駛速度、停車位置、換軌指示等。通過及時傳遞這些指令，信號控制中心能夠?qū)崟r控制列車的運行，保證列車按照預(yù)定的路線和時刻表運行。為實現(xiàn)高效的通信，通信系統(tǒng)嘗試融入多種技術(shù)手段，其中包括無線通信技術(shù)，如無線電通信和衛(wèi)星通信，以及有線通信技術(shù)，如光纖通信和電纜通信。通信系統(tǒng)還具備一定的容錯能力和安全性，可通過冗余設(shè)計和數(shù)據(jù)加密等手段，提高系統(tǒng)的可靠性及安全性。總之，軌道交通信號系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)可通過實現(xiàn)列車與信號控制中心間的高效信息交換，確保列車運行的安全性和順暢性。通過及時傳輸列車的位置和狀態(tài)信息，以及向列車發(fā)送指令和警告信息，通信系統(tǒng)可實現(xiàn)對列車的實時控制與調(diào)度，提高軌道交通系統(tǒng)的運行效率及安全性。

3.5 故障檢測與診斷系統(tǒng)

故障檢測與診斷系統(tǒng)利用先進的傳感器技術(shù)，對信號設(shè)備進行實時監(jiān)測，傳感器能夠監(jiān)測信號設(shè)備的電氣參數(shù)、溫度、振動等關(guān)鍵指標(biāo)，以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況。通過對這些數(shù)據(jù)進行實時分析、處理，系統(tǒng)能準確判斷出信號設(shè)備是否存在故障。一旦故障被檢測到，故障檢測與診斷系統(tǒng)會立即通過聲音、光線、文字等多種形式進行報警，以確保相關(guān)人員能夠及時獲得故障信息。同時，系統(tǒng)還會將故障信息傳輸給維修人員，以便他們迅速響應(yīng)并進行修復(fù)工作。在故障修復(fù)過程中，故障檢測與診斷系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。系統(tǒng)會按照故障類型和位置，提供詳細的診斷信息，幫助維修人員快速定位故障原因，同時，系統(tǒng)還能夠提供修復(fù)方案和操作指導(dǎo)，以確保修復(fù)工作的高效進行。此外，故障檢測與診斷系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)記錄和分析功能，系統(tǒng)會將故障發(fā)生的時間、位置、原因等信息進行記錄，并進行統(tǒng)計和分析。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)故障的規(guī)律和趨勢，可為信號設(shè)備的維護和改進提供有價值的參考。總之，故障檢測與診斷系統(tǒng)是確保軌道交通信號系統(tǒng)正常運行的重要技術(shù)系統(tǒng)。通過實時監(jiān)測、及時報警和修復(fù)，系統(tǒng)能夠保證信號系統(tǒng)的可靠性和安全性。同時，系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)記錄和分析功能，可為信號設(shè)備的維護和改進提供有力支持。

3.6 數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)在軌道交通信號系統(tǒng)中起著至關(guān)重要作用。該系統(tǒng)通過收集和分析列車運行數(shù)據(jù)，全面評估信號系統(tǒng)的性能和安全性，通過對數(shù)據(jù)的深入分析，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的措施進行改進和優(yōu)化。

（1）數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)能夠?qū)崟r收集列車運行過程中的各種數(shù)據(jù)，包括列車位置、速度、加速度、制動力等。這些數(shù)據(jù)通過傳感器和監(jiān)測設(shè)備進行采集，并以數(shù)字化的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，以便系統(tǒng)能夠精準地記錄列車的運行狀態(tài)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供可靠的基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)展開深入分析。運用各種數(shù)據(jù)分析算法和模型，系統(tǒng)可從海量的數(shù)據(jù)中提取出有價值的信息。例如，分析列車的運行速度和加速度數(shù)據(jù)，評估信號系統(tǒng)的響應(yīng)時間和準確性。同時，分析列車的位置數(shù)據(jù)，檢測列車是否存在偏離軌道的情況，以及評估信號系統(tǒng)的位置控制能力。

（3）數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)通過比對歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，可進行異常檢測和預(yù)警，并建立一系列的數(shù)據(jù)模型和規(guī)則，用于監(jiān)測列車運行數(shù)據(jù)的變化趨勢。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會及時發(fā)出警報，以便相關(guān)人員能夠采取相應(yīng)的措施進行處理，從而有效提高信號系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（4）數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)可為信號系統(tǒng)的改進和優(yōu)化提供有力支持，通過對歷史數(shù)據(jù)的回顧和分析，發(fā)現(xiàn)信號系統(tǒng)存在的問題和瓶頸，并提出相應(yīng)的改進方案。同時，系統(tǒng)能夠模擬不同的運行場景，評估改進方案的效果和影響，幫助工程師和決策者做出科學(xué)的決策，提高信號系統(tǒng)的性能和效率。

4 結(jié)束語

軌道交通信號系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要，對于保障乘客和行人的生命安全具有重要意義，需要不斷加強研究和創(chuàng)新，以確保軌道交通信號系統(tǒng)的安全性能不斷提升。