羅 文

（滄州交通學(xué)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(dòng)控制等多項(xiàng)信息技術(shù)在軌道交通信號(hào)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)人工控制方式，有效提升了軌道交通運(yùn)營效率、運(yùn)營安全系數(shù)與信號(hào)控制能力。與此同時(shí)，我國軌道交通信號(hào)系統(tǒng)尚處于初期發(fā)展階段，在系統(tǒng)運(yùn)行期間遇到一些問題有待解決。因此，應(yīng)加大對(duì)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢(shì)的研究，保證軌道交通運(yùn)行效率，為交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

1 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展歷程

目前來看，我國軌道交通信號(hào)系統(tǒng)主要經(jīng)歷人工控制、自動(dòng)控制與信息控制三個(gè)發(fā)展階段，不同階段中的信號(hào)系統(tǒng)使用功能、控制方式與應(yīng)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(hào)設(shè)備與少量傳感器等終端感應(yīng)裝置，采取人工巡查搭配傳感監(jiān)測(cè)方式來掌握信號(hào)設(shè)備運(yùn)行工況，當(dāng)信號(hào)設(shè)備出現(xiàn)故障問題時(shí)，工作人員需立即前往現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維修故障設(shè)備，其操作流程煩瑣、工作負(fù)擔(dān)大、控制效率較低，并且對(duì)工作人員專業(yè)素養(yǎng)的要求十分嚴(yán)格。

第二，在自動(dòng)控制階段，在軌道交通沿線配置大量的自動(dòng)信號(hào)設(shè)備與終端傳感裝置，采取閉環(huán)邏輯控制方式，工作人員提前設(shè)定各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值和允許偏差范圍，系統(tǒng)基于程序準(zhǔn)則，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，在參數(shù)偏差超標(biāo)時(shí)執(zhí)行糾偏動(dòng)作，始終保持信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定的運(yùn)行工況。相比于早期的人工控制模式，自動(dòng)控制模式極大減輕了工作負(fù)擔(dān)，但僅能替代人工完成參數(shù)糾偏、設(shè)備故障告警等基礎(chǔ)性任務(wù)，無法獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)。

第三，在信息控制階段，將大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)引入到軌道交通信號(hào)系統(tǒng)當(dāng)中，逐漸構(gòu)建起功能完善、層次分明、集成控制的信號(hào)系統(tǒng)，極大拓展了系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，并從根源上解決了信號(hào)功能單一與控制分散等多項(xiàng)難題。與此同時(shí)，這一階段的信號(hào)系統(tǒng)還初步具備了決策分析能力，可用于完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)測(cè)等決策型操作任務(wù)。

1.2 信號(hào)系統(tǒng)主要功能

根據(jù)各項(xiàng)使用功能的應(yīng)用效果來看，可以將軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主要功能劃分為安全保障、效能保障、管理服務(wù)、節(jié)能環(huán)保四類。

第一，安全保障功能包括信號(hào)指引、道岔導(dǎo)向控制、列車速度保護(hù)、車門感應(yīng)啟閉等，負(fù)責(zé)替代人工完成錯(cuò)誤率較高的操作任務(wù)。以車門啟閉為例，系統(tǒng)控制列車車門在預(yù)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)自動(dòng)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(tǒng)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(dòng)閉塞、移動(dòng)閉塞、列車運(yùn)行監(jiān)控、ATO自動(dòng)駕駛等，在保證軌道交通運(yùn)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(yùn)營效率。例如，通過使用移動(dòng)閉塞功能，分別把高鐵與地鐵的列車最小追蹤間隔時(shí)間縮短至3 min與90 s。

第三，管理服務(wù)類功能包括計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、地車雙向通信、輔助決策、計(jì)劃自動(dòng)執(zhí)行等，以提高軌道交通運(yùn)營管理水平為目的。例如，通過使用輔助決策功能，系統(tǒng)對(duì)所收集海量軌道交通運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析，幫助管理人員獲取決策方案的最優(yōu)解。

第四，節(jié)能環(huán)保類功能以列車調(diào)速為主，可以顯著降低列車運(yùn)行能耗與軌道交通體系整體能耗水平，信號(hào)系統(tǒng)將通過終端感應(yīng)裝置來全面掌握各區(qū)段情況，實(shí)時(shí)優(yōu)化列車運(yùn)行線路與速度，以此來節(jié)省列車牽引能耗[1]。

1.3 信號(hào)系統(tǒng)控制方式

在現(xiàn)代軌道交通工程中，信號(hào)系統(tǒng)主要采取ATO系統(tǒng)列控、ATS系統(tǒng)控制以及ATP系統(tǒng)控制三種方式，不同方式的控制原理、應(yīng)用效果存在明顯差異，運(yùn)營單位需要根據(jù)軌道交通實(shí)際運(yùn)營需要來選擇恰當(dāng)方式。

第一，ATO為列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，由軌道電路信號(hào)子系統(tǒng)和通信信號(hào)子系統(tǒng)等部分組成，具體采取分級(jí)速度信號(hào)控制方法，工作人員提前規(guī)劃電路，依托階梯速度曲線來傳遞列車速度信息，根據(jù)信息分析結(jié)果來制定、下達(dá)控制指令。

第二，ATS為列車監(jiān)控系統(tǒng)，可采取集中監(jiān)控分散控制系統(tǒng)架構(gòu)型式，將所收集的信息全部導(dǎo)入系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行處理分析，根據(jù)分析結(jié)果來制定調(diào)度計(jì)劃，再將調(diào)度計(jì)劃分解后下達(dá)給各個(gè)子系統(tǒng)，這類系統(tǒng)同時(shí)具備集成優(yōu)勢(shì)與分散優(yōu)勢(shì)，既可以高效利用信息資源來制定科學(xué)調(diào)度計(jì)劃，也可以保證各子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，子系統(tǒng)相互之間不受影響。

第三，ATP為列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)持續(xù)收集地面設(shè)備、隧道出入口等部位的速度信息，在其基礎(chǔ)上繪制速度曲線，遠(yuǎn)程向列車下達(dá)速度控制指令，合理規(guī)劃行車速度，并在列車穿行閉塞區(qū)時(shí)額外增設(shè)閉塞區(qū)來保障行車安全。

2 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)

2.1 智能化發(fā)展

我國軌道交通信號(hào)系統(tǒng)尚處于智能化階段的起步發(fā)展時(shí)期，雖然系統(tǒng)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(fù)雜的操作任務(wù)，且智能決策水平有待提升。因此，軌道交通運(yùn)營單位要重點(diǎn)推動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，綜合運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯推理等智能算法，開發(fā)故障智能診斷、預(yù)測(cè)分析、自動(dòng)駕駛等全新功能。例如，故障智能診斷依托專家知識(shí)庫，提前收錄各類型的運(yùn)行故障案例報(bào)告，從中提取故障特征，在信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過自檢信號(hào)定期檢查信號(hào)設(shè)備是否存在潛在故障，以故障案例為樣本，準(zhǔn)確判斷故障類型、分析故障成因與鎖定故障點(diǎn)位。預(yù)測(cè)分析功能依托模糊邏輯推理算法，在已掌握信息基礎(chǔ)上推測(cè)目標(biāo)事件的未來走向，從中選擇可能性最大、符合初衷目的的結(jié)果作為輸出值，以幫助運(yùn)維管理人員預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。自動(dòng)駕駛功能則依托信號(hào)系統(tǒng)強(qiáng)大的環(huán)境感知、遠(yuǎn)程通信與數(shù)據(jù)處理能力，通過攝像頭、傳感器等裝置實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)，將監(jiān)測(cè)信號(hào)迅速提交給系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行處理，再將處理結(jié)果以指令形式反饋給現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備與列車控制系統(tǒng)，在無人工干預(yù)條件下，自動(dòng)控制列車按照方案行駛，并根據(jù)沿途路況來實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行方案。

此外，隨著軌道交通信號(hào)設(shè)備臺(tái)數(shù)的持續(xù)增多，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力提出了更為嚴(yán)格的要求，如果信號(hào)系統(tǒng)無法在短時(shí)間內(nèi)高效完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)，或是出現(xiàn)系統(tǒng)延遲、卡頓等問題，都會(huì)影響自動(dòng)駕駛、故障智能診斷等使用功能的正常發(fā)揮。因此，運(yùn)營單位可選擇應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，將復(fù)雜計(jì)算任務(wù)提交給云平臺(tái)，采取分布式計(jì)算方式進(jìn)行處理，可在短時(shí)間內(nèi)獲取準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)泛在化發(fā)展

根據(jù)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行情況，當(dāng)前呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)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(shù)據(jù)。這在顯著強(qiáng)化信號(hào)系統(tǒng)控制能力、實(shí)現(xiàn)信息資源集成利用目標(biāo)的同時(shí)，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)通信能力和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量提出更高要求。因此，軌道交通運(yùn)營單位需要著手推動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)泛在化方向發(fā)展，具體從提高網(wǎng)絡(luò)可靠性、降低信號(hào)傳輸延遲兩方面著手。其中，在提高網(wǎng)絡(luò)可靠性方面，運(yùn)營單位需要根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)類型與架構(gòu)來選擇適宜型號(hào)的通信設(shè)備，并在通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中增加通信設(shè)備數(shù)量，將部分比例通信設(shè)備作為冗余設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行期間遇到設(shè)備故障癱瘓、通信量過大等問題時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將冗余設(shè)備投入使用，以保證通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行。在降低信號(hào)傳輸時(shí)延方面，運(yùn)營單位應(yīng)用5G移動(dòng)通信技術(shù)取代傳統(tǒng)GSM-B、LTE-R等通信技術(shù)，5G技術(shù)的空中接口時(shí)延僅為1 ms，完全滿足信號(hào)傳輸時(shí)延要求，同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)還具備極為優(yōu)異的性能指標(biāo)，如寬帶，下行為1 Gbps、上行為100 Mbps，峰值速率達(dá)到10～20 Gbps，流量密度超過10 Mbps/m2等[2]。

2.3 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

在早期建成軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中，普遍存在設(shè)備型號(hào)煩雜、接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)兼容性較差，在運(yùn)行期間由此引發(fā)一系列問題出現(xiàn)，進(jìn)而影響到信號(hào)控制效果與系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。與此同時(shí)，部分信號(hào)系統(tǒng)還存在子系統(tǒng)使用功能不協(xié)調(diào)、無法滿足軌道交通高密度與高強(qiáng)度運(yùn)維需要的情況。針對(duì)這些情況，軌道交通運(yùn)營單位應(yīng)推動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，具體從車載標(biāo)準(zhǔn)化、智能運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)化兩方面著手。其中，在車載標(biāo)準(zhǔn)化方面，運(yùn)維單位需要對(duì)車載外掛設(shè)備型號(hào)與車載接口進(jìn)行統(tǒng)一處理，如對(duì)車載系統(tǒng)板塊接口與通信標(biāo)準(zhǔn)等加以梳理，使其滿足信號(hào)—車輛接口需求；統(tǒng)一選用LTE-M或其他標(biāo)準(zhǔn)來配置車載DCS硬件設(shè)備來滿足車地通信需要；選用歐標(biāo)定位系統(tǒng)與配套信標(biāo)天線設(shè)備來滿足列車定位系統(tǒng)使用需要；將列車自動(dòng)運(yùn)行子系統(tǒng)和列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)相對(duì)接來滿足列車測(cè)速需要[3]。同時(shí)，為控制造價(jià)成本，運(yùn)營單位可選擇同步開展線路大修與既有線車載標(biāo)準(zhǔn)改造工作，以車載—車輛接口改造作為主要內(nèi)容，滿足現(xiàn)階段軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的使用需求。而在智能運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)化方面，需要在信號(hào)系統(tǒng)中開發(fā)集成狀態(tài)監(jiān)測(cè)、向?qū)Ч收咸幹?、智能預(yù)警、協(xié)同遠(yuǎn)程支持、一體運(yùn)維管理等使用功能，以此來滿足軌道交通智能運(yùn)維需要。以集成狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能為例，使監(jiān)測(cè)范圍涵蓋全部子系統(tǒng)與各個(gè)方面，系統(tǒng)在運(yùn)行期間同步采集系統(tǒng)日志、信號(hào)設(shè)備性能信息、設(shè)備運(yùn)行信息與故障報(bào)警信號(hào)等諸多類別數(shù)據(jù)，將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理后以供工作人員查閱，幫助運(yùn)維人員通過信號(hào)系統(tǒng)全面掌握軌道交通實(shí)時(shí)運(yùn)營情況。

2.4 多模冗余化發(fā)展

近年來，隨著軌道交通工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，多數(shù)軌道交通工程均具備超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營條件，在運(yùn)營期間，如果出現(xiàn)各類信號(hào)設(shè)備故障問題，會(huì)間接影響軌道交通運(yùn)營效率，造成列車延誤，且早晚高峰時(shí)段的列車延誤時(shí)間普遍超過15 min。對(duì)此，為減小信號(hào)設(shè)備故障對(duì)列車運(yùn)行造成的影響，運(yùn)營單位需要推動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)向多模冗余化方向發(fā)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(tǒng)可用性、子系統(tǒng)獨(dú)立大修條件的優(yōu)勢(shì)，異型冗余具有降低共模故障率、可靠性高的優(yōu)勢(shì)[4]。以車載子系統(tǒng)改造為例，在原有基礎(chǔ)上建設(shè)雙套冗余車載子系統(tǒng)，如果系統(tǒng)在運(yùn)行期間出現(xiàn)車載板卡故障、電源故障與列車位置丟失等問題時(shí)，系統(tǒng)將在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換至主備機(jī)，確保列車運(yùn)行狀態(tài)不受影響。

3 結(jié)束語

綜上所述，為切實(shí)滿足軌道交通信號(hào)控制需要，最大限度地提升軌道交通運(yùn)營管理水平。運(yùn)營單位必須提高對(duì)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的重視程度，根據(jù)實(shí)際控制需要來開發(fā)信號(hào)系統(tǒng)使用功能，選擇最佳控制方式，積極推動(dòng)現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)泛在化、標(biāo)準(zhǔn)化與多模冗余化方向發(fā)展，為我國軌道交通事業(yè)的高速發(fā)展保駕護(hù)航。