鐵路信號監測技術發展與展望

李明柔

中國鐵路北京局集團有限公司北京電務段 北京 100071

1 我國鐵路信號監測技術的發展歷程

1.1 我國的行車調度指揮系統發展經歷了一個復雜的階段

由人工調度指揮，發展到調度監督或調度集中，到TDCS系統到分散自律調度集中系統。TDCS 增加了分散自律功能和排路功能到 CTC（Centralized Traffic Control System，調度集中）。分散自律系統將列車運行調整計劃下傳到各個車站自律機自主自動執行，解決了列車作業和調車作業的沖突，實現列車、調車作業統一控制。我國的新建高速鐵路線路尤其是列車運行速度超過 160km/h 的線路區段，積極應用了 CTC技術。新建的非繁忙干線和局部連接線路，可采用區域集中聯鎖與TDCS（Total Distributed Control System集散控制系統）結合的方式。在未來 CTC 系統的車站設備與連鎖等設備要更優化的配置，CTC 系統要有可靠的通信傳輸通道的保障，特別是在客專和繁忙干線。

1.2 我國的列車控制系統同樣經歷了一個漫長的探索過程

由點式機車信號自動停車裝置發展到連續式機車信號自動停車裝置，由通用式機車信號自動停車裝置到通用式機車信號運行監控記錄器，由主體機車信號運行監控記錄器，最后到CTCS系統。隨著高速鐵路列車速度的不斷提升，僅僅依靠地面信號行車并不能完全保證行車安全，車載信號也起到了重要作用，一方面指導司機操作，并對列車速度進行實時監控，并在列車超速時進行實時控制。ATP現已成為行車安全不可缺少的重要技術裝備。CTCS 是鐵路信號系統中的主要技術裝備，防止列車運行過程中超過線路規定的速度，防止列車冒進關閉的信號機。新的 CTCS 系統采用衛星定位、應答器對當前列車位置測量、確認，提供不間斷的速度控制，提高了列車定位精度[1]。

2 國外鐵路信號監測技術的發展現狀

目前，日本，德國，意大利和法國同是世界上高鐵技術發展比較成熟的國家。上述國家中，鐵路列車的綜合檢測被用作檢測工具，來確保鐵路列車的運行安全。信號檢測在整個檢測系統中占有相當重要的地位，在鐵路的維護養護工作中起著非常重要的作用。日本作為鐵路運輸方面起步非常早的國家，早在1964年，日本就在東海道的新干線上開通和運營火車，并應用綜合檢測技術。與現在的技術相比，當時只有集成檢測列車的信號檢測系統安裝在1號和7號車廂中。而成熟的信號檢測技術可以通過中央控制調度中心，對通信設備以及線路信號發生的故障信息進行統一管理，同時還可以獲得聯鎖設備的動作信息數據以及軌道電路信息數據。通過圖表的方式對雨量、風速等外部影響因素進行監測，對列車的運行狀態進行合理調控。其次，不僅對室內的信號系統進行了全面監測，同時對室外信號系統也實現了全面監測，能夠對軌道電路、信號機以及道岔等數據信息進行實時監測。

同日本相比，意大利的發展略慢。意大利于2001年開始使用綜合檢測技術。所用的檢測技術是阿基米德綜合檢測技術。該技術的最高檢測速度為每小時220公里。

3 鐵路信號系統智能監測技術簡介

鐵路信號系統智能監測技術是在鐵路信息化建設中形成的一種新型技術。在我國當前鐵路系統建設日趨完善的背景下，對于鐵路信號系統監測技術要求也越來越高。通過信號系統智能監測技術應用，能科學的控制現有系統監控運行情況，對于更好的調度鐵路系統是非常關鍵的。因而需要在現有鐵路系統運行管理中，將信號系統智能監測技術應用完善。首先，建立信號系統，對所有列車信息記錄，包括對列車的開行信息等其他信息進行記錄；其次，對列車的運行調度按照列車運行控制需求，將列車調度工作落實，科學監測列車的運行情況，對列車的運行管理作出分析，提高鐵路系統運行效率[2]。

4 鐵路信號智能監測技術的發展現狀

4.1 信號監測系統測試技術水平

我國高速鐵路信號監測系統測試技術，特別是動態測試驗證技術，經歷了十年的發展，已日趨完善，并在高速鐵路建設、運營維護、技術創新發展等方面發揮了重要的作用。

4.1.1 建立了完善的測試標準體系

以《CTCS-3級列控系統測試案例》為標志，陸續頒布了針對單一設備、設備接口、系統功能以及互聯互通的測試標準，規范了測試內容和測試方法，同時不斷豐富完善測試案例和測試場景。

4.1.2 建立了先進的實驗室仿真測試環境

系統級的實驗室測試環境從無到有，以鐵科院開發的基于環行鐵道的高速列控實驗室，北京交通大學開發的列控車載設備互聯互通實驗室，以及鐵科院、通號院、北京和利時公司開發的面向工程的仿真實驗室等為代表，仿真測試手段不斷完善，仿真測試已成為工程數據驗證、設備上道、互聯互通的不可或缺的環節。

4.1.3 自主研發了系列化的綜合檢測列車

從電務試驗車起步，我國的綜合檢測列車已形成系列化的“黃醫生”家族，覆蓋了CRH2型、CRH3型、CRH-380A，CRH-380B等各種動車組車型以及車載ATP型號，最高檢測速度突破了400km/h，除了對信號設備功能、性能進行檢測驗證外，還可通過對檢測數據的歷史性、重復性以及關聯性進行綜合處理分析，實現設備狀態預警功能。

4.2 信號監測系統現階段存在的不足

4.2.1 互聯性不足

互聯性問題是目前鐵路信號智能監測系統所面臨的主要問題。其表現為各個子系統之間的互通能力非常低，信息的關聯程度不足。從鐵路信號智能監測技術的發展期望來看，智能監測系統需要對鐵路的主要設備進行細致實時的監控，尤其對于監測系統主干信號集中監測系統來說，需要保證對電纜和軌道電路的實時精確監控。雖然現階段信號集中監測系統已經基本接入了TCC/ZPW2000，但是RBC終端和DMS設施之間互通性仍然達不到相關標準，這樣一來就導致監測數據的綜合程度不夠，一旦發生問題時，工作人員無法第一時間判定故障出現的位置，極大地影響了鐵路交通運行的安全性。

4.2.2 信號系統協調難

鐵路信號系統智能監測技術應用過程中，對于信號系統的協調管理也是非常關鍵的，但是通過對我國現有鐵路信號系統運行監督管理工作研究發現。目前鐵路信號系統智能監測技術應用中，對于信號系統的協調還存有一定的難度，所以這種情況下，就不能為信號系統的監測管理提供幫助。對于鐵路信號系統智能監測技術應用而言，信號系統的協調控制是比較關鍵的，但是如果在信號系統協調中，不能科學的控制信號協調方式，將會影響到信號系統運行效果[3]。

5 鐵路信號系統智能監測技術應用策略

為滿足工程建設、信號系統升級改造以及信號系統技術發展的需求，信號系統測試技術的發展，應適用于以下幾方面：

5.1 基于虛擬云技術，開發適應于不同樞紐站場的綜合仿真測試中心

虛擬化技術將某臺物理服務器資源，通過虛擬化軟件的方法分割為多個虛擬云服務器，每個虛擬服務器獨立運行，與后臺的物理平臺或者具體的硬件實現無關，非常適合測試環境的搭建。

基于虛擬云技術的綜合仿真測試中心，被測試對象采用完全真實設備，通過以太網接人云平臺；相鄰設備以及線路仿真軟件等全部運行于虛擬機中，根據需要可以任意調用，便于測試環境的倒換；為防止不同樞紐間IP的沖突，云平臺各樞紐間通過劃分ULAN的方式實現網絡隔離。

基于虛擬云技術的仿真測試中心，采用私有云的創建模式，不需要租用云端服務器或進行云服務器托管，最大限度地保護了數據的安全。

5.2 基于大數據技術，繼續推進智能運維系統、車載智能化集成分析平臺開發

大數據技術的應用，就是在已有海量數據的基礎上，通過統計、分析、深度挖掘和人工智能等手段，努力尋求和開發其潛在的價值；對于鐵路信號系統，首要目標就是盡可能實現各種監測、檢測、維護數據的系統性整合，深化研究智能化分析技術，多專業數據融合及大數據分析應用技術，為運營維護提供數據支持。

例如，對于智能運維系統，通過進行深入的關鍵數據對比與邏輯分析、車地數據一體化對比分析等，可以進一步提升故障綜合輔助分析功能；對于信號動態檢測系統，通過信號系統與其他系統檢測數據的融合和綜合分析，可以進一步加強列控報文與基礎數據的比對分析以及故障定位等功能。

5.3 基于專家系統技術，不斷完善自動化、智能化測試水平

專家系統是人工智能的一個重要分支，是其最重要也最活躍的一個應用領域，它實現了人工智能從一般性推理策略探討到運用專門知識、從理論研究走向實際應用的重大突破。

基于自動測試技術的專家系統是高速鐵路列控系統仿真測試的關鍵技術之一，其核心是通過計算機進行自動測試、分析與判斷，輸出結果，由系統替代人工，實現智能化數據判斷，減少人工參與的程度，提高測試的效率和準確性。專家系統的關鍵技術主要包括：車載數據的下載和導入；測試案例的觸發條件、約束條件與對比的期望結果等信息；不同測試案例之間的關聯關系；完整的測試案例庫；測試序列的分類，測試子序列、測試案例之間的內部邏輯關系；以及每個測試序列覆蓋的測試案例和數量等。

5.4 采取智能化分析技術

鐵路信號智能分析主要體現在以下兩方面：第一是通過使用不同子系統對各種設備之間的連接故障進行邏輯性分析，其包括了各種設備之間的對比分析，如列車與地面、地面與地面以及信號與通信之間的綜合相關性分析；第二是對各個設備的故障分析，主要包括設備運行趨勢分析、設備生命周期分析以及不同類型設備的故障分析等。在對設備信號進行邏輯故障分析過程中，我們可以建立相應的專家數據庫診斷系統，收集和分類存儲專家提供的專業知識以及寶貴經驗。知識庫的規劃和建立直接影響到系統智能診斷的正確率與實用性，故系統故障智能判斷需要建立能涵蓋多個設備相對應的系統庫。

在故障排除過程中，為了最大限度地提高診斷效率，縮小調查范圍，可以從以下兩個方面來構建專家系統庫：首先，根據不同設備的性能與組成內容之間的差異，將相關設備和對應的知識點組合成相對獨立的知識體系；其次，根據系統的結構將子系統的知識置于單個模塊中，可實現有針對性的檢索和提高知識庫查詢的效率；再次，依據不同的數學模型，將知識內容劃分為幾個不同的模塊，以提高知識庫的綜合應用；最后根據專家對不同領域的劃分，將知識庫有劃分為對象性知識、故障類知識以及信號處理過程性知識等方面。根據鐵路信號裝置之間的故障相關性，采用樹狀關聯的方法將其簡單的表達出來，根據具體設備的特征，將不同設備的特定故障類型以樹狀形式添加到專家知識庫中，該方法可以有效降低冗余并且還能縮小設備故障類型的判斷范圍。

5.5 加強網絡支持

網絡信號是連接智能監測系統的脈絡，因此提升網絡穩定性是鐵路信號系統智能監測技術完善的首要步驟。相關技術人員在智能監測系統的建立和維護工作中要通過網絡的優化來重點加強設備之間的互聯程度，使設備能夠在良好的網絡環境當中實現完美的互聯。在網絡優化建設的過程當中，工作人員要將細節層面的重點放在共享數據和存儲數據的監測上，一旦故障發生時，利用網絡之間的設備互聯建立起快速響應的機制，從而能夠在第一時間內利用設備信息之間的交互確定故障發生的位置，并對相關的監測數據進行實時分析，最終實現智能監測系統的性能優化。

5.6 提高數據協調性和規范性

在鐵路信號系統智能監測技術應用過程中，需要針對系統的協調性和規范性管理作出科學的分析，只有信號系統的協調性和規范性得到了保障，這樣才能滿足信號系統的運行控制需求，提高信號系統運行質量。例如，在鐵路信號系統智能監測技術應用過程中，相關人員依照系統調度應用需求，借助大數據技術運算分析，將系統數據運行的協調性和規范性體現出來。通過時差和錯位調度法應用，將系統數據的調度協調性表現出來，科學的為列車分配調度信息，從而提高列車調度運行效果，提升鐵路系統調度運行質量[4]。

5.7 提高數據傳輸實時性及抗干擾能力

鐵路信號與信息的高效傳遞和接收需要相關技術設備具備良好的抵抗各類干擾因素的能力。監測技術需要具備能夠實時獲取設備和系統運行狀態信息數據的能力。通過實行對鐵路系統的全覆蓋模式，對列車運行中的信號傳遞和整個傳送過程施加有力的技術支持和保證。讓信號能夠準確清晰的在系統網絡之中實現高速傳遞，既需要保障信號傳遞的及時性，也要確保信號傳遞的完整性和有效性，防止在信號傳輸過程中受到各種其他來自外界環境和其他因素的干擾。列車調度指揮人員需要通過控制中心來實時匯總所有的信息信號，對這些信號實行實時、高效的監測是必不可少的，這樣才能充分地發揮出全覆蓋模式的關鍵作用，實現對列車運行的合理管理和控制。

總而言之，鐵路信號監測系統在鐵路建設的進一步發展過程中起到越來越重要的作用?，F代鐵路信號系統對智能化技術要求越來愈高，以往的人工判斷故障模式已不能滿足現階段鐵路運行的需求，我們需要搭建與現代信號系統相匹配的綜合智能化電務監測維護系統，該系統的建立有助于提高鐵路信號的監測水平、綜合智能分析能力以及輔助決策能力。搭建一個先進的鐵路信號監測系統需要將技術與鐵路的運營需求相結合，提出合理的改進方法以及完善措施，重點研究系統結構設計方案、智能化分析與應用技術[5]。