淺談鐵路信號技術的發展

摘要：目前，人們對鐵路信號有不同的理解。有人把鐵路信號廣義理解為：保證鐵路行車安全的技術和設備；有人狹義理解為：用于向行車人員指示行車條件的符號；有人則認為：鐵路信號是鐵路上信號顯示、聯鎖、閉塞設備的總稱。隨著鐵路信號技術的發展和鐵路信號的廣泛應用，鐵路信號也成為提高鐵路區間和車站通過能力、增加鐵路運輸經濟效益、改善鐵路員工勞動條件的一種現代化科學管理手段和技術。

關鍵詞：鐵路信號 技術 發展 趨勢

鐵路信號是用特定的物體（包括燈）的顏色、形狀、位置，或用儀表和音響設備等向鐵路行車人員傳達有關機車車輛運行條件、行車設備狀態以及行車的指示和命令等信息。目前，人們對鐵路信號有不同的理解。有人把鐵路信號廣義理解為：保證鐵路行車安全的技術和設備；有人狹義理解為：用于向行車人員指示行車條件的符號；有人則認為：鐵路信號是鐵路上信號顯示、聯鎖、閉塞設備的總稱。鐵路為實現高速、高密度和重載運輸的需要，積極引進采用新技術，大幅度提高了現代化通信信號設備的裝備水平，新型技術系統不斷涌現。

1 鐵路信號技術的歷史發展

隨著鐵路信號技術的發展和鐵路信號的廣泛應用，鐵路信號也成為提高鐵路區間和車站通過能力、增加鐵路運輸經濟效益、改善鐵路員工勞動條件的一種現代化科學管理手段和技術。1825年，世界上第一列列車在英國運行時用一人持信號旗騎馬前行，引導列車前進。1832年，美國在紐卡斯爾－法蘭西堂鐵路線上開始使用球形固定信號裝置，以傳達列車運行的消息。如列車能準時到達則懸掛白球，如晚點則掛黑球。這種信號機每隔5公里安裝1架。鐵路員工用望遠鏡了望，沿線互傳消息。1839年，英國鐵路開始用電報傳遞列車運行消息。1841年英國鐵路出現了臂板信號機。1851年英國鐵路用電報機實行閉塞制度。1856年，J·薩克斯貝發明機械聯鎖機。1866年，美國利用軌道接觸器檢查閉塞區間有無機車車輛。1867年，出現點式自動停車裝置，這種裝置能強迫列車在顯示停車信號的信號機前停車。1872年美國人W.魯賓遜發明了閉路式軌道電路。1923年，美國鐵路研制了車內信號，并于1925年正式應用于鐵路。1925年，美國鐵路協會(AAR)決定:美國各鐵路公路平交道口必須裝設標準化防護設備。此后，鐵路公路平交道口防護設備發展起來。1927年，美國鐵路采用了調度集中控制裝置。隨著電子計算機的出現和發展，調度集中控制正向著行車指揮自動化的方向發展；列車運行正向著列車自動控制和列車自動駕駛的方向發展。

2 故障—安全技術的發展

隨著計算機技術、微電子技術和新材料的發展，故障—安全技術得到了飛速發展。高可靠性、高安全性的故障—安全核心設備出現了“二取二”、“二乘二取二”和“三取二”等不同結構形式，其同步方式有軟同步和硬同步。西門子公司、阿爾斯通公司、日本日信公司等推出了不同類型的采用硬件同步方式的安全型計算機。故障—安全技術的提高為高可靠和高安全的鐵路信號系統的發展打下堅實的基礎。

3 高水平的實時操作系統開發平臺

近20多年來，在運輸市場激烈競爭的壓力下，各國鐵路，特別是發達國家鐵路為實現提速、高速和重載運輸，積極引進采用新技術，大幅度提高了現代化通信信號設備的裝備水平，新型技術系統不斷涌現。實時操作系統是當今流行的嵌入式系統的軟件開發平臺。RTOS最關鍵的部分是實時多任務內核，它的基本功能包括任務管理、定時器管理、存儲器管理、資源管理、事件管理、系統管理、消息管理、隊列管理、旗語管理等，這些管理功能是通過內核服務函數形式交給用戶調用的，也就是RTOS的應用程序接口。在鐵路、航空航天以及核反應堆等安全性要求很高的系統中引入RTOS，可以有效地解決系統的安全性和嵌入式軟件開發標準化的難題。隨著嵌入式系統中軟件應用程序越來越大，對開發人員、應用程序接口、程序檔案的組織管理成為一個大的課題。在這種情況下，如何保證系統的容錯性和故障—安全性成為一個亟待解決的難題。基于RTOS開發出的程序，具有較高的可移植性，可實現90%以上設備獨立，從而有利于系統故障—安全的實現。另外一些成熟的通用程序可以作為專家庫函數產品推向社會，嵌入式軟件的函數化、產品化能夠促進行業交流以及社會分工專業化，減少重復勞動，提高知識創新的效率。在鐵路這樣惡劣工作環境下的計算機系統，對系統安全性、可靠性、可用性的要求更高，必須使用安全計算機，以保證系統能安全、可靠、不間斷地工作。而安全計算機系統的軟件核心就是RTOS。目前，英國的西屋公司已經在列車運行控制系統中采用了RTOS，瑞典也有很多鐵路通信和控制系統采用OSE實時操作系統。采用實時操作系統可以滿足如下性能或特性：提高系統的安全性。實時操作系統可以成為整個軟件系統的中間件，即實時操作系統通過驅動程序與底層硬件相結合，而上層應用程序通過API和庫函數與實時操作系統相結合。實時操作系統完成系統多任務的調度和中斷的執行，這樣系統的安全模塊和非安全模塊將會得到有效的隔離，RTOS可以很好地解決硬件冗余模塊的同步問題。滿足系統實時性的要求。列車運行控制系統要求的是硬實時響應，實時性要求非常高，如果在系統中選用實用操作系統開發該系統的軟件，會對該系統的實時性指標的提高有很大幫助。縮短了新產品的開發周期。由于RTOS提供了系統中的多任務調度、管理等功能，在此基礎上用戶只需開發與應用對象相關的應用程序，所以縮短了新產品的開發周期，降低了設備的成本。RTOS還具有開發手段可靠、檢測手段完善等特點。充分發揮實時操作系統可移植性、可維護性強等優勢。采用RTOS后，一旦系統需要升級，只需改動力量程序，而不像以前系統需要重新進行設計，體現出RTOS再開發周期短，升級能力強的優點。

4 數字信號處理新技術的應用

隨著鐵路運輸提速、重載的發展，基于分立元器件和模擬信號處理技術的傳統鐵路信號設備越來越滿足不了鐵路運輸安全性和實時性的要求。因此，全面引進計算機技術，利用計算機的高速分析計算功能，來提高信號設備的技術水平已非常緊迫。數字信號處理技術的出現為鐵路信號信息處理提供了很好的解決方法。

5 鐵路信號技術的發展趨勢和方向

鐵路信號按其作用可分為指揮列車運行的行車信號和指揮調車作業的調車信號；按信號設置的處所可分為車站信號、區間信號，以及行車指揮和列車運行自動化等；按信號顯示制式可分為選路制信號和速差制信號；按結構可分為臂板信號、色燈信號、燈列信號(中國大陸不采用)以及機車信號機。鐵路信號在元部件制造方面正向著小型化、固態化和高可靠性發展；在設計方面向著故障自動檢測、自動診斷、高可用度、與計算機或微處理機相結合的方面發展；在安裝施工方面正向著模塊化和工廠施工化的方向發展；在使用方面正向著無維修或少維修、高度自動化或智能化的方向發展。