城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望研究

肖旭慧

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511430）

0 引言

在近些年的發(fā)展中，由于人民生活水平的提高以及我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，推動(dòng)著城市軌道交通的發(fā)展。截至2020年底，我國(guó)已經(jīng)有40 個(gè)城市開(kāi)設(shè)了城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)里程更是達(dá)到了6000km之長(zhǎng)，客運(yùn)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)200 億人次，我國(guó)目前開(kāi)通軌道交通的城市數(shù)量、運(yùn)營(yíng)里程以及客運(yùn)量都居世界第一。在城市軌道交通的發(fā)展中，交通信號(hào)系統(tǒng)是城市軌道交通發(fā)展非常關(guān)鍵的部分，是城市軌道交通安全有序運(yùn)行的保障。在計(jì)算機(jī)通信技術(shù)發(fā)展的前提下，自動(dòng)化、智能化成為城市軌道交通未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，而且這些新技術(shù)的廣泛應(yīng)用能夠大大提升城市軌道交通運(yùn)行的效率，降低運(yùn)行維護(hù)的成本，有效改善傳統(tǒng)軌道交通的運(yùn)行狀況，保證城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，為未來(lái)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的智慧化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 城市軌道交通系統(tǒng)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀

城市軌道交通在當(dāng)前的發(fā)展中不斷向著高速度、準(zhǔn)時(shí)運(yùn)營(yíng)、專用軌道以及智能化，安全環(huán)保等方面發(fā)展。為了有效緩解城市道路交通的擁擠情況，要對(duì)地上以及地下的交通空間進(jìn)行充分的利用，緩解城市地面擁擠、土地費(fèi)用昂貴的情況。城市軌道交通的發(fā)展能夠有效帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)效益的提升，改善城市公共交通堵塞的情況，對(duì)城市居民的出行以及城市的快速發(fā)展有著非常重要的意義。截至目前，我國(guó)城市軌道交通總里程已經(jīng)突破6600km，仍然還處在不斷發(fā)展中。

1.2 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要介紹及其發(fā)展現(xiàn)狀

安全有序的運(yùn)行是城市交通穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，軌道交通信號(hào)系統(tǒng)則能夠?qū)Τ鞘熊壍赖挠行蜻\(yùn)行起著良好的保障作用，所以要對(duì)城市軌道交通的有序發(fā)展做出合理的安排。例如，軌道交通信號(hào)新系統(tǒng)能夠有效提升列車運(yùn)行的效率保證列車運(yùn)行的安全，在列車運(yùn)行的過(guò)程中，能夠?qū)α熊囘\(yùn)行的時(shí)間以及線路等信號(hào)等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和監(jiān)控，對(duì)采集的信息通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有效的分析并對(duì)其合理控制，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是非常典型的軟硬件結(jié)合的電子技術(shù)系統(tǒng)。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)最根本的發(fā)展目標(biāo)就是對(duì)當(dāng)前城市擁擠的交通狀況進(jìn)行合理的控制調(diào)度，對(duì)軌道交通行車可能產(chǎn)生的運(yùn)行沖突以及潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效分析改善。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是對(duì)城市交通情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的系統(tǒng)，在列車運(yùn)行的過(guò)程中，限號(hào)系統(tǒng)能夠?qū)α熊囋Ｅd的各方面信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并按照合理的調(diào)度計(jì)劃對(duì)列車的運(yùn)行進(jìn)行爭(zhēng)取的引導(dǎo)，知道列車司機(jī)的行車決策。

在城市軌道交通技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步的推動(dòng)下，軌道交通信號(hào)系統(tǒng)也得到了一定程度的完善，在集中式控制的基礎(chǔ)上向著分散式控制以及自動(dòng)駕駛方向不斷轉(zhuǎn)變。在城市軌道交通當(dāng)前的發(fā)展中，軌道交通提速是當(dāng)前發(fā)展的主要戰(zhàn)略，在保證運(yùn)行安全的前提下，提升列車的運(yùn)行速度、運(yùn)行密度以及運(yùn)行效率等方面不斷做出努力。所以，為了保證軌道交通運(yùn)行的效率以及運(yùn)行安全性，要加強(qiáng)對(duì)軌道交通信號(hào)控制可靠性的提升。

2 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的功能

在近些年的發(fā)展中，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)其安全運(yùn)行、運(yùn)營(yíng)管理以及節(jié)能減排等方面都有著不同程度的提升。一方面加強(qiáng)信號(hào)控制系統(tǒng)控制中心以及聯(lián)鎖系統(tǒng)相應(yīng)技術(shù)以及設(shè)備的完善，另一方面加強(qiáng)對(duì)信號(hào)傳輸途徑的多元化。通過(guò)這些部分的協(xié)調(diào)配合，為城市軌道安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中有著不同的功能。

2.1 安全保障功能

軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能夠?qū)α熊嚢踩\(yùn)行已經(jīng)乘客的安全提供一定的保障。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能夠?yàn)樗緳C(jī)提供準(zhǔn)確的指引信號(hào)，準(zhǔn)確的對(duì)其進(jìn)行道岔導(dǎo)向的控制，保證列車運(yùn)行能夠更加合理有效，提升其于運(yùn)行效率，避免發(fā)生不必要的事故。此外，軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能夠?yàn)榱熊嚨奶峁┏掷m(xù)的速度保護(hù)，能夠有效避免列車在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)行車沖突的問(wèn)題。在當(dāng)下的發(fā)展中，列車運(yùn)行乘客上下車開(kāi)關(guān)門都是進(jìn)行自動(dòng)控制的，交通信號(hào)系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析，合理地控制列車運(yùn)行的速度，為乘客的安全提供有效的保障。

2.2 運(yùn)輸效能保障功能

城市軌道交通的運(yùn)行雖然是為了給人們提供便利，改善城市交通擁擠的狀況，但是在保證城市軌道交通安全平穩(wěn)的前提下，還要考慮其經(jīng)濟(jì)效益。軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)用一方面能夠有效提升列車的運(yùn)行速度，保證在同樣的時(shí)間內(nèi)，增加列車運(yùn)行的密度，在一定程度上提升列車運(yùn)行的效率，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，軌道交通運(yùn)輸在發(fā)展的過(guò)程中，大致經(jīng)歷了從半自動(dòng)站間閉塞到站間自動(dòng)閉塞、固定閉塞，在發(fā)展到準(zhǔn)移動(dòng)閉塞和移動(dòng)閉塞的階段。閉塞運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展大大提升了軌道交通列車運(yùn)行的時(shí)間間隔，提升了列車運(yùn)行的密度，有效提高軌道交通運(yùn)輸?shù)男?，同樣在一定程度上提升列車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)城市軌道交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。

2.3 運(yùn)輸管理服務(wù)功能

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的復(fù)雜化，交通信號(hào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成也越來(lái)越復(fù)雜，通過(guò)眾多的電力電子設(shè)備以及傳感器系統(tǒng)對(duì)軌道交通運(yùn)行的各方面信息進(jìn)行采集分析。運(yùn)行管理人員能夠根據(jù)采集的實(shí)時(shí)信息，對(duì)列車的運(yùn)行情況進(jìn)行合理的規(guī)劃，并根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況制定更為合理的計(jì)劃安排，從而提升列車運(yùn)行的效率、節(jié)約運(yùn)行的成本。在近些年的發(fā)展中，由于智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)駕駛等技術(shù)的出現(xiàn)使得軌道交通運(yùn)輸管理的水平不斷提升。

2.4 節(jié)能環(huán)保功能

當(dāng)今的時(shí)代是綠色環(huán)保的發(fā)展時(shí)代，節(jié)能減排是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的主流。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的有效應(yīng)用，能夠通過(guò)對(duì)列車運(yùn)行線路進(jìn)行合理的安排以及對(duì)列車運(yùn)行速度的合理控制，有效降低軌道交通運(yùn)行過(guò)程的能源消耗，同時(shí)又能夠在一定程度上保障列車運(yùn)行的安全。

3 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

3.1 交通信號(hào)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泛在化

城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著城市的發(fā)展越來(lái)越復(fù)雜，交通信號(hào)系統(tǒng)同樣也會(huì)向著多元化方向發(fā)展，在交通信號(hào)發(fā)展多元化的過(guò)程中，列車不僅僅可以向控制中心實(shí)時(shí)反饋運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息，各列車之間也可以互相傳輸數(shù)據(jù)，增加交通信號(hào)系統(tǒng)的通信鏈路以及安全信息的冗余度。實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行信息的閉環(huán)控制，保證列車的有序運(yùn)行，提升運(yùn)行效率，在交通信號(hào)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)泛在化的過(guò)程中，各種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及通信技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)于不同的運(yùn)行條件在軌道交通中也有著不同的應(yīng)用，在表1 中列出了不同技術(shù)的應(yīng)用特性。此外，在信號(hào)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)泛在化的過(guò)程中還要注意以下幾點(diǎn)。

表1 不同通信技術(shù)的特性對(duì)比

3.1.1 提升通信網(wǎng)路的可靠性。在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展中，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜化的前提下，數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃允欠浅Ｖ匾?。新型通信技術(shù)的應(yīng)用，要充分了解通信技術(shù)的特點(diǎn)，建立獨(dú)有的通信設(shè)備從而提升軌道交通運(yùn)輸信號(hào)系統(tǒng)的可靠性。

3.1.2 有效降低信號(hào)通信信息的交互延。在當(dāng)前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展中，對(duì)其有著規(guī)范的規(guī)定，在《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》（CZJS/T 0028—2015）中便有著詳細(xì)的體現(xiàn)。當(dāng)前城市軌道交通信號(hào)運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展要求信號(hào)傳輸?shù)难舆t要保證在150ms 以內(nèi)。在當(dāng)前的信號(hào)傳輸技術(shù)中，LTE 通信技術(shù)能夠大大縮減交通信號(hào)的傳輸延遲，對(duì)于還沒(méi)有廣泛應(yīng)用的5G 技術(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，該技術(shù)可將軌道交通信號(hào)傳輸?shù)难舆t控制在1ms 以內(nèi)，能夠有效提升城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的可靠性，為軌道交通運(yùn)行的安全性提供保障。

3.2 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

節(jié)能環(huán)保作為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的主題，在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中也要考慮節(jié)能的目標(biāo)。在保證軌道交通運(yùn)輸安全穩(wěn)定的條件下，盡可能的節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，嚴(yán)格遵循節(jié)能環(huán)保的運(yùn)行原則。一方面要考慮節(jié)能調(diào)度運(yùn)營(yíng)設(shè)計(jì)，對(duì)運(yùn)行高峰時(shí)段以及非高峰時(shí)段通過(guò)對(duì)信號(hào)的調(diào)節(jié)規(guī)劃列車的運(yùn)行，在滿足不同時(shí)段運(yùn)營(yíng)能力的前提下，又能起到節(jié)能環(huán)保的作用。另一方面要通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車運(yùn)行的速度進(jìn)行控制，在不同的運(yùn)行模式下，列車運(yùn)行所產(chǎn)生的成本有著一定的差別，圖1 為三種不同的駕駛曲線，A 曲線為趕點(diǎn)運(yùn)行曲線，可以看出此運(yùn)行模式加速率以及減速率都相對(duì)較大，運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短。B 曲線為正常運(yùn)行的駕駛曲線，各種參數(shù)相對(duì)價(jià)位適中。C 曲線為節(jié)能運(yùn)行曲線，運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，加速都相對(duì)較小，定速巡航時(shí)間較長(zhǎng)。

圖1 三種駕駛曲線比較圖

3.3 自動(dòng)駕駛技術(shù)與互聯(lián)互通技術(shù)的應(yīng)用

自動(dòng)駕駛技術(shù)能夠有效促進(jìn)城市軌道交通信號(hào)的發(fā)展，在當(dāng)前軌道交通的發(fā)展中，自動(dòng)駕駛技術(shù)能夠有效應(yīng)對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程中的大多數(shù)異常情況。在列車進(jìn)行通電后，列車能夠進(jìn)行綜合自動(dòng)檢測(cè)，在運(yùn)行過(guò)程中能夠合理按照列車運(yùn)行時(shí)刻表進(jìn)行，自動(dòng)完成區(qū)間運(yùn)行。自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展使得列車在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的控制下，通過(guò)計(jì)算分析合理安排列車運(yùn)行的速度，而且列車能夠自動(dòng)反饋運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)信息，方便信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，提升城市軌道交通運(yùn)輸?shù)男省?/p>

當(dāng)前人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展使得城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通功能不斷增強(qiáng)。軌道交通信號(hào)的互聯(lián)互通是建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，互聯(lián)互通技術(shù)的良好應(yīng)用能夠有效改善傳統(tǒng)單項(xiàng)對(duì)接的運(yùn)營(yíng)模式，從而有效改變城市軌道交通網(wǎng)，促進(jìn)軌道交通信號(hào)數(shù)據(jù)資源的共享。但是，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，不同列車由于數(shù)據(jù)接口或者傳輸設(shè)備的不同，在數(shù)據(jù)共享的過(guò)程中可能存在一定的差異，所以要盡可能統(tǒng)一互聯(lián)互通系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，保障城市軌道交通信號(hào)的有效共享，為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的智能化奠定基礎(chǔ)。

3.4 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)智能運(yùn)維

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，需要定期對(duì)其檢查維護(hù)，保證系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。為了提升運(yùn)維的效率以及運(yùn)維效果，需要引入新型的智能化運(yùn)維技術(shù)，建立在人工智能技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)上的人工智能運(yùn)維系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理以及結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，此外還能夠通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行故障的診斷以及潛在趨勢(shì)的預(yù)測(cè)分析，為軌道交通的運(yùn)行安全提供保障。此外，還要加強(qiáng)對(duì)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)不同體系新技術(shù)的應(yīng)用，如信號(hào)系統(tǒng)感知層加強(qiáng)高頻以及藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用，信號(hào)平臺(tái)層加強(qiáng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合等等。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前的發(fā)展中，國(guó)內(nèi)城市軌道交通總里程持續(xù)保持不斷上升的趨勢(shì)，為了提升軌道交通運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，必須提升軌道交通運(yùn)輸動(dòng)態(tài)調(diào)度與信號(hào)控制之間的協(xié)調(diào)性。對(duì)于智能化、數(shù)據(jù)化等新興技術(shù)的發(fā)展，要加大城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)對(duì)于各項(xiàng)新興技術(shù)的融合，不斷增強(qiáng)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行的效率以及經(jīng)濟(jì)效益，不斷優(yōu)化城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)。