軌道交通信號系統安全技術的發展與現狀探究

湖南高速鐵路職業技術學院，湖南 衡陽 421002

0 前言

軌道列車運行依托于軌道的應用，構成軌道交通系統的設備設施包括列車、橋梁隧道、軌道線路等，承擔著運輸乘客與貨物的任務。軌道列車能否穩定運行直接影響到乘客的生命安全，為確保軌道列車的穩定、高效、安全運行，需配備完善的信號系統。而隨著計算機、微電子等技術在軌道交通領域的廣泛應用，促使信號系統不斷升級換代，以往組成信號系統的繼電邏輯、模擬電路等模式逐漸被數字化、智能化、自動化控制模式所取代。

1 軌道交通信號系統構成分析

信號系統囊括對手動、自動、遠程控制技術的應用，具體組織構成包括：

1.1 目前普速鐵路

基于ZPW-2000A 軌道電路的區間閉塞系統）（高鐵基于GSM-R 無線通信的RBC 無線閉塞系統+ZPW-2000A 軌道電路）（地鐵流行推廣的是基于無線通信的CBTC 虛擬閉塞

為避免列車運行期間出現沖突現象，區間信號系統所應用的傳統方法是鐵路線路進行線段劃分，車站內線段被稱之為進路，而車站間線段稱之為區間。系統運行過程中，會檢查區間是否為空閑狀態，即檢查區間內是否有列車，確保區間空閑后會開放防護信號。此時，區間在信號開放后會處于閉塞狀態，而列車在進入區間后，防護信號關閉。此防護方式的應用，可以保證僅有一輛列車在區間內運行行駛，避免區間內出現列車追蹤、對向沖撞現象。在區間防護過程中，應用的信號系統為區間閉塞系統。為提升區間運輸效率，可以進行區間的劃分，將站間區間劃分為多個閉塞分區的形式來提升區間列車運行數量，在保障行車安全的前提下，提升區間通過能力，達到縮減列車追蹤間隔的目的［1］。

1.2 車站信號系統

車站信號系統主要作用是在進路始端位置設置信號防護，運行過程中需要檢查進路是否處于空閑狀態、檢查進路之間是否存在沖突、檢查道岔位置是否正確，在確保道岔位置正確，敵對進路沒有建立并鎖在未建立狀態，以及進路處于空閑狀態下，才能開放防護進路的信號機。而等到列車駛入進路后，防護進路的信號機會立即關閉。車站信號系統運行期間，涉及到聯鎖技術的應用，以此確保進路、道岔以及信號之間的操作順序合理規范，并進行三者的相互制約，起到保證行車安全的作用［2］。

1.3 列車運行控制系統

該系統應用的主要作用體現為運輸能力控制、運行速度控制等，地鐵列車運行控制系統包括列車自動防護系統（ATP）、列車自動駕駛系統（ATO）、列車自動監控系統（ATS）三個子系統。我國高鐵目前分兩個等級，時速200km/h 的CTCS-2 和時速300km/h 以上的CTCS-3 列車運行控制系統。CTCS-2 由TCC 列控中心系統、ZPW-2000A 軌道電路系統、CTC 分散自律調度集中系統、列控車載設備系統、應答器、信號專用安全局域網等設備構成，CTCS-3 在CTCS-2 的基礎上增設了RBC 無線閉塞中心系統、GSM-R 無線通信系統設備主要設備。

2 信號系統安全技術發展現狀

信號系統的應用主要目的在于保障列車行駛安全，系統中相關安全技術的應用，可以起到避免環境破壞、人員傷亡的作用。隨著科學技術的創新發展，加之民眾安全意識的不斷提高，促使信號系統中安全技術的應用不斷升級換代。

2.1 安全概念發展

隨著軌道交通事業的不斷發展，安全技術得到不斷的創新與優化。1825 年，英國出現第一條鐵路，受限于當時技術與知識的落后，使得當時列車運行安全技術的應用十分匱乏。列車在夜間行駛過程中，只能以車站的窗口蠟燭為信號指示，燈光熄滅表示列車可以繼續運行。但是因蠟燭極易受到外界因素的影響而熄滅，導致列車行駛安全事故頻繁發生，如列車冒進等現象。也正因安全事故的頻發，人們開始重視對安全技術的研究與探索［3］。

鐵路誕生后，部分地區通過利用“打手勢”的方式來控制列車運行，如單手舉起表示列車運行需注意，雙手舉起表示列車停車等。雖然“打手勢”方式的應用取得一定成效，但是存在較大應用局限，只適用于較少慢速行駛的列車，且夜晚時極易出現誤判的現象。

1841 年，臂板信號機誕生，取代以往人工手勢方式，白天利用臂板的形狀、位置來表達運行、停車信號，而在夜晚期間，則利用燈光數量與顏色來表達控制信號。但是在實際應用過程中，受到環境、人為等因素影響，使得臂板極易出現導線折斷問題，致使臂板無法正常運行，無法及時發出運行、停車的信號，導致安全事故的發生［4］。在此背景下，人們開始以安全為導向進行臂板信號機的研發，通過對臂板的改進，促使臂板在運行期間即使發生故障問題，也可以利用重力進行停車信號的恢復。此后，故障導向安全成為信號系統安全技術研發的核心原則，促使以故障-安全為核心的安全技術研發成為領域研究重點。隨后，探照式三顯色燈信號機于1920 年誕生，透鏡式色燈信號機于1921 年誕生。

2.2 安全繼電器應用

1869 年，軌道電路研發成為軌道信號領域創新發展的關鍵前提，依托于軌道電路的應用，自動閉塞系統被研發而出，大幅度提升列車行駛的安全性與效率性。最初的軌道電路為直流電，無法進行車地信息的傳輸，主要用于列車檢測。隨后，相繼誕生工頻、音頻軌道電路，依托于交變電磁場的應用進行車地信號傳輸。分析初期軌道電路的構成，其中涉及到繼電器的應用，主要作用為邏輯與執行單元。雖然繼電器的應用取得一定成效，但是隨著I/O 數量的持續增長，促使繼電器的應用無法滿足許軌道電路運行需求，存在的弊端與問題逐漸突顯，如邏輯更改難度大、配線復雜等。為改進繼電器的應用，人們研制出固態系統與SSI 系統，例如SSI 系統的應用，通過三取二冗余結構的構建，促使系統安全性得到提升［5］。SSI 系統本身是上世紀80年代英國推出的固態計算機聯鎖系統，采用的是M6800 微信計算機

2.3 計算機系統應用

隨著計算機技術與軌道交通領域的融合愈發深入，信號系統安全技術得到有效創新與發展。計算機系統的融合，逐漸研發出微機聯鎖系統、實時通信系統等，在提升信號系統運行效果的基礎上，推動信號系統朝著自動化、智能化的方向不斷邁進。計算機控制系統的應用，在降低系統控制成本的同時，避免因人為因素而出現控制失誤現象［6］。但是在實際應用中，計算機系統的使用無疑是一把雙刃劍，在提升信號系統穩定性、效率性的同時，也對信號系統安全運行提出更高的要求。計算機系統具體組成包括軟、硬件設備，其中系統硬件囊括諸多元器件，且硬件的行為狀態復雜多元；而針對系統軟件而言，不同程序的執行路徑諸多，致使計算機系統的應用具備復雜性、精密性等特點，加大計算機系統開發難度，并且計算機系統故障問題的檢測難度增大。盡管如此，隨著科學技術的不斷發展，計算機系統的應用仍推動著安全技術的創新，其創新的安全技術被廣泛應用于信號系統中，包括：（1）故障檢測診斷技術。可實現對故障的及時發展與診斷，避免因故障問題影響到系統運行。（2）容錯技術。是指錯誤產生時，借助冗余進行影響屏蔽，并通過應用重構來緩慢的進行系統降級。冗余技術包括硬件、軟件、時間、信息冗余，其中硬件冗余又包括雙機熱備、三取二、二乘二取二、三乘二取二冗余。

3 結束語

城市化進程的加快建設，使得軌道交通系統的應用更為普及與廣泛。對此，需重視對信號系統安全技術的研究加大力度，通過對安全技術的不斷創新，提升信號系統運行的穩定性、安全性、高效性，進而保障列車的穩定運行。