基于通信技術的城市軌道交通信號控制系統研究

黃聰

【摘要】? ? 為了解決傳統交通信號控制系統運行性能差、丟包率高等問題，現以“5G無線通信技術”應用為例，設計一款功能完善、實用性強的城市軌道交通信號控制系統。首先，根據系統原理，提出自動控制、人工信號控制、自動進路三種信號控制方式。其次，在完成系統框架設計的基礎上，從無線通信程序設計、通信信號損耗分析程序設計、列車自動監控子系統設計、列車自動駕駛子系統設計、列車信號控制子系統設計等方面入手，完成了系統軟件設計。最后，對系統進行靜態測試，以驗證系統的可靠性和穩定性。結果表明：在5G無線通信技術的應用背景下，本文所設計的城市軌道交通信號控制系統運行正常、可靠、穩定，各個功能模塊實現滿足設計相關要求。希望通過這次研究，為相關從業人員提供有效的借鑒和參考。

【關鍵詞】? ? 5G無線通信? ? 通信技術? ? 城市軌道? ? 交通信號? ? 控制系統

隨著我國城市化建設進程的不斷推進，城市規模和城市人口呈現出不斷上升的趨勢，私家車被大量涌入家庭生活中，使得私家車的數量不斷增多，這無疑增加了城市交通擁堵程度。而城市軌道交通信號控制系統的設計和應用可以很好地解決這一問題，該系統充分利用5G無線通信技術，具有立體化、高效率和規模化等特點，可以有效地解決交通擁堵問題，同時，還能縮短列車運行距離，提高列車行駛的高效性和安全性，為實現對列車運行狀態的實施檢測打下堅實的基礎。因此，在5G無線通信技術的應用背景下，如何科學地設計和應用城市軌道交通信號控制系統是技術人員必須思考和解決的問題。

一、系統信號控制方式

該系統工作原理為：通過借助列車的控制中心，自動檢測和控制車站控制中心，以實現對鄰近車站之間信號的轉換和控制。該系統主要包含狀態監控功能、列車識別功能、信號控制功能等多種功能，而信號控制方式主要包含以下三種。

1.1自動控制

自動控制作為系統正常運行的常用的控制方式，該控制方式在具體的運用中，需要在處理列車運行信息的基礎上，執行計算機所發出的多種控制信號指令，以實現對列車行駛速度和行駛路線的自動化調整和控制。該控制方式主要用到的控制依據為：通過綜合處理列車當前所在的軌道交通線路、各個子系統設備的連接狀態、列車時刻表、運行速度以及列車自動監控子系統和列車自動駕駛子系統相關信息，然后，車站控制中心會自動形成一系列控制信號，以實現對車輛的規范化、自動化調度。

1.2人工信號控制

現階段，自動控制方式盡管功能強大，但是仍然無法完全取代人工信號控制方式，這是由于列車在進行交通運行期間，經常會遇到多種不可控因素，這些因素是自動控制方式無法解決的，因此，人工信號控制方式在系統的整個運行中同樣發揮出重要作用。人工控制方式在具體的設計中，主要借助車站控制模式，對進路狀態進行設置，使其設置為“進路人工控制”，只有在緊急站控制模式下，系統會將自動控制方式快速轉化為人工控制方式。

1.3自動進路

自動進路作為一種常用的自動控制方式，主要包含以下三種控制方式，分別是人工自動進路控制方式、計劃車自動進路控制方式和頭碼自動進路控制方式，通過運用這三種自動進路控制方式，可以實現對列車的科學化、自動化調度，為提高列車的行駛性能打下堅實的基礎。

二、系統框架設計

系統框架設計示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，該系統主要由以下幾個子系統組成，分別是列車自動駕駛子系統、列車自動監控子系統、列車自動交換子系統、列車信號控制子系統。其中，列車信號控制子系統主要用于對系統內部控制線路的科學設置或者對控制時間間隔的控制和調整[1]。此外，該系統通過利用UDP/IP協議，可以借助信號系統設備，實現對通信信號的安全交換。

三、系統軟件設計

3.1無線通信程序設計

該系統軟件在具體的設計中，主要借助了套數字（Socket），有效地保證軟件通信功能的實現效果。套接字主要包含以下兩種類型：

1.數據報套接字。數據報套接字屬于一種常用的套接字，具有無連接特點，它主要用于對雙向數據流的全面記錄，但無法保證所傳輸信號的安全性和順序。

2.數據流套接字[2]。數據流套接字在具體的運用中，無法對邊界雙向數據流進行記錄，因此，可以保證信號傳輸的有序性和穩定性。套數字主要用于服務器/客戶端模型，通過將應用程序進行科學劃分，使其被劃分為兩個組成部分，分別是客戶端和服務器，通過借助服務器，可以將處于等待狀態的客戶端進行有效連接[3]，并將連接請求信號傳輸到服務器端，由服務器端將最終響應的消息返回到客戶端[4]，軟件程序發送的數據包信息如表1所示。

3.2通信信號損耗分析程序設計

為了實現對交通信號的科學控制，技術人員還要重視對通信信號損耗分析程序設計，在這個過程中，首先，要確定出則受干擾通信信號損耗程序計算公式：

Ploss（dB）=201gf+18.61gd+41.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中的d為發送機與接收機之間的距離;f為系統內部接收的電磁波;g為重力加速度;Ploss（dB）代表路徑損壞結果。

通常情況下，影響系統最終通信質量的因素除了包含路徑損壞程度外，還包含快速衰竭、通信信號線纜損耗等。

3.3列車自動監控子系統設計

列車自動監控子系統主要由以下幾個部分組成，分別是車載單元、雷達單元、MMI單元等，其中，車載單元主要包含通信單元、應答器單元等組成部分，主要用于對列車當前行駛速度的測定以及行駛位置的定位[5]，同時，還能對列車的實際運行參數進行自動化監控，以保證列車行駛的安全性和可靠性l.or雷達單元主要用于對列車列車速度的測定以及停穩狀態的檢測。而應答器具有強大的信息通信功能，確保車輛與控制中心之間能夠快速進行信息共享和交流。MMI單元作為一種常用的人機交互界面單元[6]，可以幫助司機在最短時間內快速地了解和把握列車自檢信息、通信信息以及故障出現后的警告等信息。此外，該子系統具有強大的冗余配置功能，通過設計這一功能，當某一模塊出現異常故障問題時，系統可以自動切換操作，確保列車行駛的可靠性和安全性[7]。

3.4列車自動駕駛子系統設計

列車自動駕駛子系統在具體的設計中，為了保證列車的自動化運行效果，需要借助計算機命令，對列車的啟動狀態、牽引狀態和制動狀態進行實時監測和控制，從而自動化調整和控制列車的行駛速度，確保列車能夠準點到達[8]。該子系統的工作原理為：通過借助速度算法信號控制模式，自動執行列車所發出的牽引指令以及制動指令，以實現對列車行駛狀態的自動化操控。

3.5列車信號控制子系統設計

列車信號控制子系統主要由以下兩個部分組成，分別是軌旁設備和車載設備，通過借助列車自動駕駛子系統運算，可以實現對列車當前行駛位置的自動化、精確化定位，同時，借助信標系統，可以向列車自動駕駛子系統傳輸相應信號，由列車自動駕駛子系統對列車的停車位置信息進行準確地判斷和分析。列車信號控制子系統內部用到的核心單元為數據存儲單元（DSU），通過利用該子系統核心單元，可以向列車自動監控子系統和列車自動駕駛子系統中傳輸列車行駛所需要的固定信息和變化信息，其中，固定信息主要包含道岔的位置、信號機位置、列車線路所對應的坡度以及車站位置等信息;變化信息主要包含列車行駛速度、列車牽引力、負載、制動力等結構參數。此外，通過借助列車自動監控子系統與列車自動駕駛子系統可以借助信息交換設備，對數據存儲單元所保存的信息進行全面記錄，這些信息主要包含故障告警信息、故障時間信息以及故障處理過程中所對應的數據變換信息等，可以最大限度地提高車輛安全驗證結果的精確性和真實性。總之，列車自動監控子系統通過向列車自動駕駛子系統傳輸準確可靠的數據信息，如發車授權信息、停車授權信息、運行方向信息、車站位置等信息，然后，借助列車信號控制子系統將這些信息全部轉化為信號命令，實現對列車行駛狀態以及故障信息的全面檢測和控制。

四、系統測試

為了更好地驗證城市軌道交通信號控制系統的可靠性和有效性，現從靜態測試、動態測試兩個環節出發，對系統的性能進行測試。在靜態測試這一環節中，需要將該系統安排在隧道內部進行測試，列車的整個運行距離為隧道起始點到隧道末端之間的距離，然后，根據信號點距離劃分結果，選用合適的信號檢測設備，對各個信號點的強弱進行全面檢測。本文選用的信號檢測設備為NetStumbler軟件，通過利用該軟件，對不同距離的信號覆蓋強度進行全面檢測后，統計最終的信號檢測結果，并構建出如表2和表3所示的軌旁無線設備測試參數1和車載無線設備測試參數2。

在此基礎上，還要根據隧道內部空間特點，選用合適的防護工具，采用防護處理的方式，實現對隧道內部測試信息的全面保護，并對隧道內部的數據狀態進行實時監測，同時，還要根據數據狀態，確定合適的檢驗目標，只有這樣，才能實現對不同方位系統數據的自動化、智能化控制，然后，將相同類型的數據傳輸和存儲于指定的數據庫內。此外，還要選取具有代表性的測試地點，對相關數據進行全面檢測，同時，還要制定和完善相應的測試操作方案。然后，利用NetStumbler軟件，將系統內部的計算裝置與信號發送端進行有效連接，以實現對重要數據的安全、可靠地傳輸。靜態測試模擬圖如圖2所示。通過利用數據信息層，對相應的信號傳輸指令進行執行，同時，還要構建相應的數據傳導信號，以提高交通信號控制的精確性和高效性。通過對相關模擬系統進行自動化管理，使其內部信號由車輛軌道的一端傳輸到另一端，然后，對獲取的相應信號進行檢測，最后，根據最終統計的信號狀況，驗證系統的性能。

通過將軌旁無線接人單元與車載無線設備的距離分別設置為為150m、300m、450m、700m，車載無線設備設置為99mW，根據相關操作標準和條件，借助軌旁無線接入單元，利用所檢測的結果，對系統測試操作進行不斷優化和完善，然后，從測試結果中，選取比較具有代表性的數據信息，將實驗檢驗距離、軌旁無線接入單元功率分別設置為450m、2.715mW，經過測試，發現本文所設計的系統可以提高數據傳輸的穩定性，實現對交通信號的自動化控制。

五、結束語

綜上所述，在5G無線通信技術的應用背景下，城市軌道交通信號控制系統的設計與應用，不僅可以從根本上解決傳統系統運行性能差、丟包率高、越區切換時間長等問題，還能最大限度地地縮短列車運行距離，使得列車行駛的高效性和安全性得以全面提升，從而有效地解決交通擁堵問題，為實現對列車運行狀態的動態化、智能化檢測提供重要的技術支持。由此可見，該系統具有非常高的應用價值和應用前景，值得被進一步推廣和應用。

參? 考? 文? 獻

[1]才讓草.基于通信控制系統（CBTC）的城市軌道交通信號控制系統研究[J].西部交通科技，2020（9）：18-19.

[2]馮浩楠，臧永立，王俊高，等.重慶與紐約的城市軌道交通互聯互通CBTC系統標準對比研究[J].西部交通科技，2020，23（11）：38-43.

[3]姜堅華，崔科.城市軌道交通列車運行控制系統的發展方向[J].城市軌道交通研究，2020，23（11）：6-9.

[4]楊志慧，楚彭子，王瀟驍，等.城市軌道交通全自動一體化智能運行系統研究[J].鐵道通信信號， 2020，56（4）：73-77.

[5]王健，文成祥.互聯互通信號系統在既有線延伸段工程中的適用性[J].城市軌道交通研究， 2020，23（9）：65-69.

[6]范楷，馮浩楠，段宏偉，等.基于近距離通信的站臺門控制新方案[J].城市軌道交通研究，2020，23（1）：168-173.

[7]高漸強.基于北斗導航的列車定位技術研究[J].鐵路通信信號工程技術，2020，17（5）：71-73，96.

[8]柳曉峰，李駿，羅顯光，等.多功能城軌列車網絡控制系統實驗平臺應用與推廣[Z].中車株洲電力機車有限公司.2019，29（13）：129-132.