地鐵信號系統的測試及信號處理方法分析

汪 璐

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 210018）

0 引 言

城市軌道交通具有較為明顯的應用優勢，包括客流運輸量大、運行速度比傳統的公交快、運行安全程度較高、能夠準時準點達到相應的站點、具有較高的環保性、節約社會能源以及減少城市占地等，故具有進一步推廣應用的趨勢。在城市地鐵系統中，信號系統是關鍵的組成部分，合理設計地鐵信號系統可以提高地鐵系統的通行能力，并降低出現交通擁堵和沖突發生的可能性，降低交通事故發生的頻率。本文系統分析了地鐵信號系統的測試及信號處理方法，包括地鐵信號系統中的控制算法和控制流程圖等。

1 地鐵信號系統

1.1 城市地鐵的發展現狀

當前城市地鐵系統進入到了一個較為快速的發展時期，在今后還具有進一步推廣應用的趨勢。在現有的城市地鐵系統中，通信信號系統還未全部具有高度調節的能力，這樣不利于地鐵司機對地鐵信號的觀察。同時在目前的地鐵信號系統中也沒有報警的功能結構，因此對于地鐵的安全保障還存在較大的提升空間，可以采用先進的地鐵交通信號處理系統來加以應對。

1.2 地鐵信號系統在軌道交通中的重要性

城市地鐵的所有車輛都應按照信號系統的指示運行，為此應加強地鐵信號系統的設計和測試，保證地鐵信號系統能夠保證安全可靠運行。反之，如果設計不合理，則會使交叉口車輛延誤增加，通行能力下降，從而引起交通事故次數的增加[1]。隨著技術的發展，地鐵各個信號系統相互之間實現互聯互通是重要的發展趨勢，通過這種互聯互通的信號系統，可以提高地鐵信號系統的自動化程度，保證當無人控制時，地鐵系統依然能夠保證安全穩定運行。

在這種信號系統中，主要包括的特點有以下幾點。一是能夠最大程度實現資源的共享，包括車輛調度和地鐵車輛的運營管理等方面[2]。二是在信號系統互聯互通體系中，可以借助網絡通信系統實現地鐵車輛的跨線運營。

1.3 地鐵信號系統的基本原理

在地鐵信號系統中，信號采集電路可以為信號系統提供準確的原始數據來源，目前在工業體系中應用也十分廣泛，其實現原理主要包括采用光耦反饋電路等[3]。這種類型的電路雖然設計簡單，但是可判斷的輸入電壓信號范圍較小，且對輸入信號沒有進行過流保護設計。為此隨著技術的發展，寬范圍的信號采集電路也逐漸得到了推廣及應用，這種類型的信號采集電路應用性更強，更能夠滿足實際的應用需求。經過信號采集電路后，再將信號傳輸到信號系統中的控制模塊，通過控制系統下發相應的控制信號給執行機構，從而使得執行機構發出相應的信號。

2 地鐵信號系統的測試技術分析

2.1 對地鐵信號系統進行測試的必要性

隨著地鐵系統對信號準確性要求的提高，要求信號采集具有較廣的范圍，如果這些要求難以滿足時，則會導致地鐵信號系統出現一定的問題，故有必要對對地鐵信號系統進行測試，以保證信號系統符合實際的應用需求。

2.2 地鐵信號系統的測試方法

在軌道交通通信信號測試系統中，主要的組成結構包括固定底座、連接桿、燈本體、報警器、雷達探測器以及信號測試系統中的控制裝置模塊等。在通信信號測試系統各個組成部分的安裝方面，交通信號燈的主體結構應安裝在信號系統連接桿的上端面，并且在信號燈的本體結構外殼上還應采用防護結構，保證信號燈本體不會受到外力的破壞[4]。對于信號測試系統中報警裝置的安裝，應和控制模塊之間具有良好的數據通信和數據交互能力，保證報警器能夠正常可靠發揮出相應的作用。隨著軌道交通通信信號測試系統技術的發展，軌道交通信號測試系統的功能也變得更加多樣化，如具備防雨功能和太陽能供電功能，實現供電能力的自給自足。為了使得當太陽能富裕時電能能夠得到存儲，可以在軌道通信信號測試系統中配置相應的蓄電池。當沒有太陽光照時，則通過蓄電池進行放電，從而保證交通通信信號測試系統的供電不會出現中斷，并且采用太陽能電池板還具有較高的環保性。

同時在該系統中還采用了可以通過電動方式實現升高及降低的按鈕，保證系統在使用和操作過程中的方便性[5]。同時添加了雷達探測器，因防護殼內部裝配有無線通信模塊，所以該設計提高了溝通方便性，具有結構合理、使用方便以及可靠性高的特點。

2.3 地鐵信號的自動化測試系統分析

隨著城市軌道交通事業和信息技術的發展，基于通信的列車控制（Communication Based Train Contral，CBTC）系統已成為一種較為主流的技術。在地鐵車輛中采用這種類型的控制技術，可以使得地鐵車輛運行更加安全有保障，并能夠實現高效運行，安全程度和運行可靠性都能夠達到一個較高的水平。在CBTC系統上線運行前，需要進行大量的室內測試，可以采用地鐵信號的自動化測試系統進行測試[6]。

在地鐵信號的自動化測試系統中，基于速度發生器提供速度脈沖信號，基于軌旁、車載輸入輸出控制單元提供繼電器動作，并且實現了二者的自動控制，完整仿真了CBTC系統的實際物理接口輸入。同時根據CBTC系統的運行狀態實現了接口的自動控制，使得接口信息符合CBTC系統的邏輯檢查原則，可被視為合法輸入。在室內環境下仿真實現包括ATO列車自動駕駛模式在內的列車運行真實場景環境。

3 地鐵的信號處理方法分析

3.1 地鐵的信號處理方法原理分析

當地鐵信號采集系統采集到原始數據信息之后，需要通過相應的處理算法進行處理。在地鐵電子自動化控制系統中，可以采用數字PID控制器技術，該控制器的控制規律為：

對應的模擬PID調節器的傳遞函數為：

式中，Kp為比例增益；u(t)為控制量；e(t)為偏差量。電子自動化PID控制系統原理圖如圖1所示。

圖1 電子自動化PID控制系統圖

從上圖1中可知，輸出量通過測量變送單元反饋控制之后，傳遞到控制器中，并和輸入量一起疊加，從而提高地鐵信號系統的控制效果。此外，在地鐵信號系統的處理過程中，可以采用卷積計算和傅里葉變換等數學運算工具，處理數據信息，以便提高地鐵信號系統的處理效率[7]。

3.2 地鐵的信號處理系統分析

對于地鐵的信號處理系統，包括模擬量和數字量之間的相互轉換，并驅動執行機構執行相應的控制措施。圖2為地鐵信號處理系統的基本數據處理流程，控制系統驅動執行子系統工作，并執行相應的控制功能。

圖2 地鐵信號處理系統

對于本文所述的地鐵信號測試車載仿真設備，仿真功能由一臺仿真計算機實現，內置列車運行仿真軟件，可根據測試人員在軟件上人工操作模擬列車的加速、減速以及巡航過程。列車的速度和位移信息完全由軟件模擬，仿真軟件根據計算的列車速度和位移生成虛擬的車載傳感器速度和應答器報文。

3.3 地鐵信號綜合自動化系統的發展及應用

隨著科學技術的進步與計算機集成技術的快速發展，綜合自動化系統在地鐵中得到了廣泛的應用與推廣。目前，地鐵綜合自動化系統可以監視各子系統的現場設備狀態信息，并可以探測各種故障，其中也實現了包括機電、環控、火災、電扶梯以及閘機等各子系統之間的聯動功能，但缺少與信號系統之間的聯動[8]。此外，地鐵綜合自動化系統中還存在以下缺陷。系統運行時，調度員或操作員必須通過人機界面密切關注現場設備的運行情況，并且現場需要安排值守人員，一旦信號系統現場設備發生故障就必須依賴人工來處理，通過電話來協調各系統的值守人員或維修人員，到現場故障點處理故障，這種方式效率非常低下，會消耗大量的人力，故障恢復時間長且容易出錯，嚴重影響地鐵運營效率[9]。因此今后可以采用地鐵綜合自動化系統的信號聯動實現技術，使得地鐵綜合自動化系統可以根據信號系統設備上報的故障信息，采取相應的預定應急處理方案，幫助調度人員及時迅速地處理現場事故。

在該系統中，通信前置機通過綜合自動化系統專網實時采集地鐵信號設備的工作狀態信息，并將地鐵信號設備的工作狀態信息發送給實時服務器。當然，通信前置機也通過綜合自動化系統專網實時采集地鐵中的機電設備、環控設備、火災設備、電扶梯設備以及閘機設備等的狀態信息與工作狀態（正常/故障態），也將這些信息發送給實時服務器[10]。通過采用地鐵綜合自動化系統的信號聯動實現裝置，在綜合自動化系統中加入信號聯動功能，當信號系統設備發生故障時，能根據預定的聯動方案迅速、及時地做出響應，減少了事故處理時間，降低人為錯誤，同時也提高了綜合自動化系統的集成深度和地鐵運營效率，節省了人力成本，減少了勞動強度。

4 結 論

在地鐵信號系統中，涉及到多種不同類型的控制信號，強化地鐵信號系統的測試，對于保證地鐵信號系統的安全穩定運行具有重要的作用，本文所述的地鐵信號系統的測試及信號處理方法可以在實際中加以應用。