新一代智能化軌道交通信號系統ITC的預研方向與管理

邱鵬 樊軍艷

摘 要：該文結合現有軌道交通信號系統的運營狀況，考慮基于這些信號系統的列車運行所遇到的危及行車安全的系統故障及其他危險源，針對性地提出了進一步改進和完善現有信號系統功能的想法，及些可能應用的科學理論和技術手段。該文描述了基于前述理念提出的新一代智能化列車控制系統ITC（Intelligent train control）的技術方向和預研管理，主要從人工智能、障礙物探測、災害應對處理、資產管理等技術發展方向進行舉例說明，最后描述了該信號系統預先研究的科學管理理念與模式。

關鍵詞：軌道交通 新一代信號系統 智能化 ITC 預研 方向與管理

中圖分類號：U284 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0181-03

軌道交通信號系統的發展主要經歷了模擬軌道電路系統、數字軌道電路系統、基于通信的列車運行控制系統CBTC（Comm

unication Based Train Control）三個重要階段，現階段 CBTC系統被廣泛應用。隨著科學技術的快速發展，列車自動控制系統ATC（Automatic train control）有望升級至列車智能控制系統ITC（Intelligent train control），且將成為新一代軌道交通信號控制系統的主要研究方向。

對于新一代軌道交通信號系統技術的開發需要啟動預先研究，首先應明確其研究方向，即智能化；其次是基于運營需求，明確哪些方面需要進行智能化，以期解決實際運營中的問題；最后應是討論如何進行智能化，應以怎樣的方式方法去組織預先研究與設計活動，以達到設計最大限度滿足需求的目的。

1 ITC系統預研方向主要技術的設定及其用例

1.1 人工智能技術

基于對自己所處專業領域的透徹了解，人類技術專家表現出了很高的推理水平。以信號系統基本概念與規則為前提依據，設想應用人工智能中的知識密集型方法建立智能算法來求解一些軌道交通信號系統問題。該算法的優點包括：其一，從人類專家那里獲取的經驗知識能夠被高度直接使用，這在軌道交通信號系統這種高度依賴規則來管理安全苛求及復雜性信息的自動控制領域非常重要；其二，預使用的規則可以被映射為狀態空間搜索；其三，具有良好的解釋機制，能夠應用基于信號系統規則的框架針對性地解釋信號系統問題。這些優點使得將該算法應用于新一代軌道交通信號系統智能控制成為可能，為實現智能控制的技術手段提供了基礎和依據。

信號系統在控制與維護等多個方面實現智能化，能有效減少信號設備設置，從而降低系統整體故障率，提高其安全可用性，并減少運維成本支出。以下舉例說明。

1.1.1 控制智能化

智能化算法除了能很好地實現無人駕駛運營外，還能根據運營中系統設備的各項狀態數據，加以智能判斷處理。例如，速度傳感器PG作為測速以及信號系統車載里程計算的主要原件，其測速的準確性對定位停車控制以及行車安全有直接重大影響。當受到運營環境中的某種瞬間干擾，導致由PG輸入的脈沖波形發生異常（包括空轉）時，信號系統檢測到的速度瞬間急劇增大，很可能在設備沒有故障時觸碰緊急制動曲線而導致緊停。作為對策，信號系統考慮列車實際加減速度，包括考慮車軸的打滑或空轉而發生檢測到的速度急劇變化等情況，首先對檢測出的速度按照列車運行防護曲線以下一定值進行智能修正，得到一個修正速度，并將此修正速度作為系統認識速度，從而有效減少PG檢測速度瞬間異常對ATO控車平穩度的影響。當然這種處理上的智能化是考慮在一定的控制周期間隙并結合運營經驗值，在安全容忍范圍內實施的。

根據上述控制規則，可應用智能化模糊關系矩陣通過求小、求大運算，離線生成模糊關系矩陣，實現智能化模糊推理。其實現過程的實質是將模糊合成向量、模糊關系矩陣進行合成求小、求大運算生成一個模糊輸出向量，最后主要利用加權對該模糊輸出向量進行求解即可。

1.1.2 維護智能化

現有ATC系統在設備維護方面，已經能夠做到直觀反映故障至機柜級，維護人員可通過機柜面板工作指示燈顯示判斷柜內是否發生故障。對于柜內具體板卡或控制模塊的數據傳輸故障、采集故障等，可以通過讀取特定故障顯示板卡上的等位組合代碼來判斷。但此種判斷更面向開發者而不是用戶。

ITC系統考慮一種故障定位顯示方法，對柜內板卡按照一定常規認識規律編號，這種認識規律面向用戶，將故障信息與之關聯對應。用戶通過數碼管顯示的故障編號直接查找故障，具體到故障板卡。

為實現上述設想，考慮將teleo-reactive技術[1]應用于ITC信號控制系統。teleo-reactive控制組合了基于反饋控制和離散動作規劃的特征，它不對動作的離散性和不中斷性以及每個動作效果的完全可預測性做出任何假定，只要teleo-reactive動作的前提條件是被滿足且與其關聯的目標還沒有實現，那么這個動作是持續的?？沙掷m動作可以在某個其他的更靠近頂層目標的動作被激活時打斷，一個很短的感知——反應循環保證了當環境變化時控制動作也會迅速改變以反映問題解的最新狀態。以上所述的動作序列可用一種數據結構來實現，可稱其為條件——動作TR（Tree），規則如圖1所示。

其中Ci是條件，Ai是與之關聯的動作。C0為TR最頂層目標，A0為空動作。若最頂層目標已實現，則不必再做任何事。在teleo-reactive系統的每次循環中從TR的最頂層向下評估每隔Ci直至找到第一個成立的條件，之后執行與之對應的動作。

這與信號控制系統中的ATS（Automa

tic Train Supervision列車自動監控子系統）自排進路原則是一致的。ATS自排進路機制是列車壓入設定觸發軌道開始觸發進路，當進路中所涉元素不滿足進路建立條件時，會每隔一定時間再次觸發，直至進路建立。而當進路建立過程中已經滿足條件的某個元素突然不在既定狀態，也會停止進路的繼續建立。

一個簡單的評估原理示意TR如圖2所示。

這個評估會被循環執行，頻率接近于電路控制頻率。就像ATS觸發進路時一樣，在設定觸發軌道上會循環執行檢測進路元素，直至檢測到所有元素均在滿足進路建立的狀態，則觸發進路，該進路相當于一個滿足條件Ci的動作Ai。

滿足上述解釋機制的teleo-reactive技術被應用于ITC系統控制是可能的。

1.2 障礙物探測技術

現有信號系統主要通過檢測裝備列車的位置來進行安全防護，若為基于軌道電路的信號系統還能檢測到部分小型施工軌道車、搭接兩軌間的金屬物件、道床的較深積水等造成的軌道區段非正常占用。但當高架線路出現不明物體墜落懸空于軌道上方、正線隔離墻及各類隔斷門發生坍塌但卻不壓實軌道等狀況時，現階段的信號系統由于判斷不出軌道占用而無法進行安全防護。因而，有效的列車防撞系統應增加安裝于列車端頭的障礙物探測設備，而目前最具先進性、實用性的障礙物探測裝備當屬雷達（毫米波雷達）。

障礙物探測系統應能探測到列車運行前方一定距離范圍（一定距離范圍指列車行駛限界范圍內、保證最壞情況下列車能夠在障礙物前停下的距離）內的障礙物，判斷對列車運行安全的危害程度并對駕駛人員發出聲光報警。雷達作為該系統的主要功能實現裝備，對障礙物的探測功能可包括直線段靜態與動態目標識別與判斷、架空障礙物識別處理、彎道障礙物識別處理等。雷達對障礙物探測的一般性原理示意圖如圖3所示。

毫米波雷達探測技術屬成熟技術，為將其應用于軌道交通信號系統裝備列車上作為提高行車安全的技術手段之可行性提供了研究基礎。

1.3 災害應對處理技術

為進一步確保行車安全，尤其是發生地震、強風等破壞性極強的地質與自然災害時，能夠使列車以最快反應速度減速制動以避免或盡量減小人員傷亡，是新一代軌道交通智能控制系統ITC應該重點考慮的課題。

1.3.1 抗震設計

抗震設計基于首先考慮地震動和評估構造物（如鋼軌、道床等）的重要程度以及對行車安全系數的影響程度，據此考慮其應具備的抗震性能。地震作用下構造物的響應值可通過動態解析法或非線性頻譜法來計算，之后再通過檢算響應值來判斷構造物的抗震性能是否能夠達到要求。

1.3.2 地震預警系統

地震預警系統通過由地震動加速度傳感器和相關記錄傳輸裝置構成的地震計來檢測超出規定值范圍的地震波，并據此判斷震情并發送電波。相關區段線路的牽引供電系統接收到該報警電波后即切斷該區供電，列車ITC控制系統的停電檢測裝置檢測到牽引停電后即輸出緊急制動，最大限度制動列車。地震預警系統及ITC響應示意圖分別如圖4與圖5所示。

1.4 全生命周期的資產管理技術

信號系統的成功管理不僅依賴于系統設備本身的高可靠性，還與系統資產的高效管理息息相關。應用科學的智能手段建立順暢的管理系統，對于系統及設備全生命周期內的可靠運行、故障恢復、運維養護具有重大意義，從技術方面為運營方降低運營成本、提高企業利潤提供支持。

1.4.1 板卡生命周期的延長

智能納米電路的自組裝是實現有效納米電子的關鍵技術，自組裝能夠自動剔除錯誤形成的元件，并使眾多的電路元件自行組織起來，相當于納米電路能主動地自我配置。大量的電路元件及其尺寸太小造成的脆弱性，若僅僅因為眾多電路元件中的一小部分不能正常工作而拋棄整個電路，在可靠性和經濟性上都是不可取的。為了解決這一問題，智能納米電路將會不斷地檢查自身性能和周圍的路由信息，繞過不可靠的連接部分，就像互聯網網上路由信息繞過周圍無法工作的節點一樣。智能納米技術將極大提升信號系統設備板卡的可用年限。

1.4.2 定義至板卡級的資產管理

普遍的，城軌運營方在資產管理方面過多地依賴人工操作，比如為機柜、板卡、各子系統模塊甚至連接纜線等制作一些自定義標識或標簽。這些標識或標簽在設備運維過程中容易受到損壞，且損壞后若不能及時采取措施，則將給后續運維工作帶來不便。設想應用一種非接觸式自動識別技術—RFID射頻識別，制作一種電子標簽。該標簽能通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，后期采用智能分析方式處理，識別無需人工干預。將其內置于信號設備板卡之后，用于記錄板卡從生產制造、驗收運輸、調試上線、維護管理、資產報廢的全過程信息數據?；谶@些信息數據的實時更新，電子標簽最終實現對信號系統設備至板卡級的視聽化監控與管理，如使用和流動情況、當前位置等的報表查詢以及不合理移動、擺放等的跟蹤記錄與報警。只有將資產智能管理定義至板卡級，才能真正意義上建立起一套規范、先進的信號系統設備資產管理機制。

2 新一代軌道交通信號系統預研的科學管理

預研是新型系統設備研制之前開展的科學研究和技術開發活動，是科研的前期部分。能提前評定技術的成熟程度、生產能力、可靠性、維修性和實際使用能力，為型號研制和生產打好基礎。建立起較為完善的信號系統預研管理體制和運行機制，將促進信號系統研發工作的順利開展，為國產化信號系統趕超外商提供了途徑，并為信號系統發展提供雄厚的技術儲備。

2.1 預研管理階段

基礎研究、應用研究、先期技術發展是預研過程中密切相關的三個階段?；A研究著眼于信號系統的長遠發展，旨在為新型系統設備提供理論依據和基本知識，增強原始創新能力；應用研究著重于探索新思想、新概念、新原理用于系統設備的可行性，為新型系統的發展提供技術儲備；先期技術發展著重于為新型系統設備和改進現役系統設備提供實用的技術成果。

2.2 預研管理設定

2.2.1 注重結合需求牽引與技術推動的原則

一方面，突出需求牽引，研發戰略與預研規劃的編制，需要以聯合能力集成與開發系統制定的能力需求為基礎；另一方面，突出技術推動，研發戰略與預研規劃要充分考慮技術發展情況，客觀評價信號系統的科技基礎。在制定預研規劃的過程中，應堅持規劃決策部門、技術開發部門、采辦管理部門、銷售部門聯合參加，注重聽取各部門意見，并始終堅持技術評估和技術演示政策，緊密結合現有技術開發能力設定未來發展目標。在預研規劃制定后，還要注重結合地鐵公司需求，依據技術開發進展，滾動式調整研發戰略與預研規劃。

2.2.2 注重結合系統性與獨立性的模式

一方面，系統性要求較強，強化頂層指導和集中統一領導，采用“基于能力”編制思路，通過戰略指導、規劃、計劃加強對各子系統科技戰略與預研規劃計劃的集中指導和總體協調，增強全系統預研計劃的系統性、全局性；另一方面，有較強的獨立性，各子系統在預研規劃計劃編制上，應加以區別，具體做法和程序也各不相同，發揮各部門管理人員和專家的主動性、創造性和業務判斷能力。

2.2.3 注重結合時限性與靈活性的程序

建立起一套編制程序，這套程序應體現時限性與靈活性相結合的特點。一方面，時限性要求較強，規范各階段的責任主體和任務要求，規定了各階段的開始或結束時間；另一方面體現靈活性要求，實行預研規劃計劃定期滾動制定。

2.2.4 注重結合專家判斷與定量分析的方法

在預研規劃計劃制定中，采用的模型方法多種多樣，注重加強專家經驗判斷與模型定量分析的結合。一方面主要采用專家經驗判斷法，每次預研規劃計劃的編制，需要充分借助各方面專家的經驗、智慧和專業知識，增強戰略規劃的科學性、合理性；另一方面，充分應用各類模型、工具和定量分析方法，在編制時，采用大量的數據分析，對項目進行估算。

2.3 預研管理組織

2.3.1 加強系統工程管理

如果預研時系統設計上存在不足，就會給生產和使用帶來隱患，將造成研發出的信號系統可靠性差、使用壽命短、無故障時間短、維修困難，且使用后期費用較高。所以單體設備在制定技術指標時，就要有可靠性指標和維修性要求，做好系統的可靠性和維修性的論證、設計。

2.3.2 加強對技術成熟度的審查評估

技術成熟度評估需要建立衡量技術成熟情況的一套評價體系。

由硬件、軟件、制造技術這三類組成，每類的各級技術成熟度的定義可分為：第1級，發現基本原理并形成報告；第2級，形成技術概念和/或應用設想；第3級，關鍵功能和/或概念的特性得到分析驗證和實驗室驗證；第4級，組件和/或分系統在實驗室環境下得到驗證；第5級，組件和/或試驗模型在仿真環境下得到驗證；第6級，系統/分系統模型或原型在仿真環境下得到演示驗證；第7級，系統原型在使用環境下得到演示驗證；第8級，成品系統完成，并通過試驗和演示證明符合要求；第9級，成品系統在實際任務中得到成功應用。

2.3.3 實施顛覆性技術倡議

顛覆性技術概念描繪了一種新產品。這種產品不一定會比現有產品或/和技術先進，并不一定提供給客戶更高的質量，但卻具有成本優勢。在ITC系統預先研究時，在安全容忍范圍內加強顛覆性技術實施倡議，以期縮短研發周期，降低ITC系統生產成本，從而達到一種資源節約的目的。

2.4 預研管理中需關注的問題

首先，項目設置應注重專業穩定性和創新性的平衡，在信號系統功能多年來相對穩定的同時，在每年研發項目的選擇時，特別注重創新發展的項目，加強顛覆性技術項目激勵力度。

其次，應加強預研項目成本估算，建立成本估算分析方法、模型，建立各類成本數據庫，進一步提高預研成本估算的準確率。

最后，應注重預研管理部門對項目實施部門的技術支持，在系統全生命周期內，預研管理部門通過展會推介、技術交流、訪問互動、合同談判、設計聯絡、工廠監造、出廠檢驗等工作，為項目實施部門提供全面的技術支持。

3 結語

預研是科技長遠發展的戰略行為，具有重要的戰略意義。預研的突破能使技術格局發生轉變，并可能帶來技術理論、系統觀念的根本性變革。對于軌道交通信號系統而言，只有采用跨越式的預先研發，才會結束對國外廠商技術升級的亦步亦趨，才能在國產化的基礎上實現技術領先及產業超越。

參考文獻

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