通信技術(shù)的交通信號控制系統(tǒng)研究

秦婷婷

（江西路通科技有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

當(dāng)前我國發(fā)展汽車保有量不斷增加，使城市內(nèi)的交通擁堵變得愈發(fā)嚴(yán)重。城市交通軌道信號控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用能夠緩解城市交通擁堵的問題，提高道路交通通行效率和質(zhì)量。在交通信號控制系統(tǒng)中使用5G 無線通信技術(shù)，能夠達(dá)到立體化、規(guī)模化、高效率的要求，不僅能夠解決城市擁堵問題，還能夠縮短列車行駛間距，提高車輛通行效率。對交通信號控制系統(tǒng)的應(yīng)用內(nèi)容進(jìn)行分析、明確通信技術(shù)的應(yīng)用方法，對提高交通通行的質(zhì)量有很重要的幫助。

1 城市軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展情況

城市軌道交通信號系統(tǒng)經(jīng)過長時間的發(fā)展，通過改進(jìn)人工控制、設(shè)備控制，信息系統(tǒng)控制，形成了完善的安全信息系統(tǒng)。現(xiàn)代軌道交通信號系統(tǒng)應(yīng)用與傳統(tǒng)機(jī)械、電子信號設(shè)備有著很大差異，該系統(tǒng)包含車站信號、進(jìn)路信號、列車控制技術(shù)、通信信號、列車自動調(diào)度技術(shù)等，屬于非常完善的安全跟蹤系統(tǒng)。以往的鐵路信號系統(tǒng)功能較為單一、分散控制、獨(dú)立運(yùn)行效果較差，而現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，逐步形成完善的大型集成信號顯示系統(tǒng)，并通過應(yīng)用集中部署、數(shù)據(jù)通信等系統(tǒng)，構(gòu)建出完善的安全系統(tǒng)。

當(dāng)前我國很多大型城市內(nèi)的鐵路無線通信系統(tǒng)有如下幾種：無線AP、漏纜傳輸、感應(yīng)回路。無線AP系統(tǒng)建設(shè)成本較低，安裝作業(yè)較為方便，且傳輸距離較長，但受外界因素影響較大。漏纜傳輸方式的穩(wěn)定性較高，其他因素干擾性不強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍內(nèi)鋪設(shè)應(yīng)用，但是目前沒有達(dá)到列車與車站的雙向傳輸。CBTC 系統(tǒng)是目前我國主要信號系統(tǒng)維護(hù)基礎(chǔ)，利用城市軌道交通工作內(nèi)容對列車調(diào)度使用，準(zhǔn)確記錄列車運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等。

列車安全技術(shù)、媒體信息技術(shù)應(yīng)用到軌道交通系統(tǒng)內(nèi)，不斷進(jìn)行信號點(diǎn)式和連續(xù)傳輸、列車與車站雙向傳輸，滿足系統(tǒng)運(yùn)行和控制的要求[1]。

2 智能化背景下城市軌道交通信號系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

2.1 無人駕駛技術(shù)應(yīng)用

無人駕駛也就是全自動化駕駛技術(shù)，是在城市軌道系統(tǒng)內(nèi)增加自動駕駛系統(tǒng)，保證列車運(yùn)行的安全性，降低運(yùn)行成本。自動駕駛通行時，列車會自動喚醒，開啟全面自檢，合格后即可運(yùn)行到終點(diǎn)。每次循環(huán)完成后，車輛行駛的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)借F路系統(tǒng)內(nèi)，并快速進(jìn)入到自動休息狀態(tài)。軌道交通全自動化模式包含DTO 模式、有人值守模式、UTO 無人值守模式。UTO 無人值守模式能夠保證系統(tǒng)自動化運(yùn)行，解決列車中傳感器異常情況，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的效果。運(yùn)行模式概述如下：

首先，采集全部軌道交通通行數(shù)據(jù)信息，對整體運(yùn)行狀況實(shí)施監(jiān)控和管理，結(jié)合運(yùn)行情況對列車通行進(jìn)行控制。列車性能自我控制與喚醒是耦合，根據(jù)計劃方案開展，給遠(yuǎn)方發(fā)射信號，通過核心處理器實(shí)現(xiàn)多種硬件信號的命令傳輸，列車和ATS 系統(tǒng)會監(jiān)控喚醒。

其次，利用數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，落實(shí)整體監(jiān)測和控制。在無人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行中，應(yīng)采取靜態(tài)試驗(yàn)的方式對前、后鎖閉以及管道等進(jìn)行動態(tài)性試驗(yàn)檢測，如車門、制動器、空調(diào)、照明等系統(tǒng)。

最后，車輛自動化運(yùn)行，隨時掌握突發(fā)情況，做好系統(tǒng)全面管理。車輛系統(tǒng)、地面系統(tǒng)都會應(yīng)用冗余技術(shù)，車輛系統(tǒng)能夠完成傳感器與繼電器等運(yùn)行，并構(gòu)建出完善的監(jiān)管體系，發(fā)揮出無人駕駛技術(shù)的優(yōu)勢，達(dá)到安全性標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.2 軌道交通信號系統(tǒng)互通互聯(lián)

合理應(yīng)用人工智能技術(shù)，軌道交通信號系統(tǒng)能夠達(dá)到互聯(lián)互通的效果。列車交通信號中互通互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)單一廠商的ATC 設(shè)備通信，使列車、車站、站點(diǎn)資源共享應(yīng)用，使調(diào)度與運(yùn)行更加順暢。這一系統(tǒng)的連接應(yīng)用，使多個廠家的列車在不同廠家的鐵路上運(yùn)行。互通互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)，要通過先進(jìn)通信技術(shù)，發(fā)揮出CBTC 系統(tǒng)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)車輛與車站雙向通信。因?yàn)椴煌瑥S家CBTC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口有差異，不能保證車輛運(yùn)行，無法達(dá)到CBTC 系統(tǒng)通信的要求，不能滿足互聯(lián)互通的效果，所以，互聯(lián)互通系統(tǒng)的運(yùn)行要有明確的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一功能和基礎(chǔ)，確保系統(tǒng)達(dá)到正常運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，給軌道交通智能化運(yùn)行提供基礎(chǔ)[3]。

2.3 車—車通信的軌道交通信號系統(tǒng)

在今后的長期發(fā)展中，隨著車輛與站點(diǎn)通信模式的發(fā)展，CBTC 系統(tǒng)將不斷應(yīng)用到實(shí)踐中。通過CBTC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信，確保列車和地面點(diǎn)穩(wěn)定傳輸信息，數(shù)據(jù)傳輸效率和質(zhì)量不斷提高，保證列車的安全性。同時，CBTC 系統(tǒng)是車輛自動行駛的基礎(chǔ)，在列車通行時，能夠提高傳輸信號的質(zhì)量，管理和維護(hù)的成本較低。通過提升列車系統(tǒng)性能，落實(shí)靈活調(diào)整，使安全數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定地雙向傳輸。應(yīng)用CBTC 系統(tǒng)后，不需要應(yīng)用計算機(jī)控制的聯(lián)鎖系統(tǒng)CI，只需要進(jìn)行站臺門和軌道的信號機(jī)控制即可。對車—車的通信信號系統(tǒng)應(yīng)用CBTC 系統(tǒng)后，快速地使列車控制器與列車ATS 監(jiān)控系統(tǒng)增加算法，改變傳統(tǒng)通信模式，達(dá)到信號智能化控制的效果，其他車輛可以快速確定實(shí)時位置，計算確定車輛速度、制動曲線，提高車輛系統(tǒng)站點(diǎn)準(zhǔn)確性[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)框架設(shè)計需要了解系統(tǒng)組成部分，其中列車信號控制子系統(tǒng)對系統(tǒng)線路進(jìn)行合理的布置，對列車通行時間做出合理的調(diào)整，及時掌握問題，最終滿足使用要求。在系統(tǒng)中，通過應(yīng)用UDP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，也需要利用信號系統(tǒng)達(dá)到系統(tǒng)功能的要求[5]。

3.1 無線通信程序

在該系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，以套接字作為主要的技術(shù)內(nèi)容和形式，使軟件通信功能的效果和系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。目前來說，所應(yīng)用的套接字包含以下兩種類型[6]：

3.1.1 數(shù)據(jù)報套接字

數(shù)據(jù)報套接字是應(yīng)用比較普遍的套接字形式，具備無連接的特點(diǎn)，應(yīng)用雙向數(shù)據(jù)流記錄的方式，但是不能確保信號傳輸?shù)竭_(dá)到安全的要求，也不能按照某個順序傳輸。

3.1.2 數(shù)據(jù)流套接字

數(shù)據(jù)流套接字不能記錄雙向數(shù)據(jù)流邊界，但是能夠確保信號傳輸達(dá)到穩(wěn)定、有序的要求。目前所應(yīng)用的套接字多是服務(wù)器/客戶端類型，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)，合理劃分和使用，包含客戶端與服務(wù)器兩個部分。應(yīng)用服務(wù)器之后，可以穩(wěn)定連接等待狀態(tài)的客戶端，把請求信號直接輸入到服務(wù)器一端，再通過服務(wù)器一端將反應(yīng)后的信號傳輸?shù)娇蛻舳薣7]。

3.2 列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)

列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)是將數(shù)字信息內(nèi)容應(yīng)用5G通信系統(tǒng)發(fā)射出去，并利用5G 通信數(shù)據(jù)車載信息標(biāo)識掌握系統(tǒng)的列車通行信息，同時掌握列車行駛速度、臨時位置信息、自動監(jiān)控系統(tǒng)等。監(jiān)控系統(tǒng)包含下述幾個部分：車載單元、雷達(dá)單元、MMI 單元等。

車載單元包含通信、應(yīng)答器等部分，該結(jié)構(gòu)的作用是測定列車行駛速度、行駛位置，對車輛進(jìn)行參數(shù)的自動化監(jiān)控，管理人員可隨時掌握列車的通行狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況做出改進(jìn)和調(diào)整，促進(jìn)列車的安全性。雷達(dá)單元是以雷達(dá)技術(shù)作為基礎(chǔ)，快速測定列車行駛速度，根據(jù)需要進(jìn)行列車穩(wěn)定狀態(tài)檢測。而應(yīng)答器是重要的通信部件，為整個系統(tǒng)提供通信道路，達(dá)到信息共享和使用的要求。MMI 單元是目前最常見的人機(jī)交互界面，列車駕駛?cè)藛T能夠及時了解列車的狀態(tài)信息，通過自檢確定列車是否存在故障，一旦發(fā)生異常，系統(tǒng)會自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換使用，保證行駛的穩(wěn)定性、可靠性，避免列車行駛中發(fā)生安全事故[8]。

3.3 列車自動駕駛子系統(tǒng)

合理使用列車自動駕駛子系統(tǒng)，能夠達(dá)到自動化運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)和要求。系統(tǒng)利用計算機(jī)發(fā)送指令，控制列車的啟動、牽引、制動等動作，隨時監(jiān)測系統(tǒng)情況，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況做出調(diào)整，保持列車處于正常的速度、狀態(tài)，準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)目的地。該系統(tǒng)的工作原理如下：通過速度算法實(shí)現(xiàn)信號的傳輸和控制，自動化執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送的牽引指令、制動指令，隨時根據(jù)需要調(diào)整列車狀態(tài)，符合自動化的要求。

3.4 列車信號控制子系統(tǒng)

列車在正常行駛的過程中，自動化控制必須通過信號來實(shí)現(xiàn)，所以信號控制子系統(tǒng)是重要的組成部分，由軌旁設(shè)備與車載設(shè)備構(gòu)成。列車自動化控制子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)算和控制，把列車在行駛環(huán)節(jié)的信息傳輸給控制系統(tǒng)，結(jié)合行駛位置信息，快速完成自動化控制。同時，利用信號系統(tǒng)可以給自動駕駛系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)信息，再通過列車信號控制子系統(tǒng)進(jìn)行核心存儲單元的控制，應(yīng)用這一核心單元給自動監(jiān)控子系統(tǒng)、列車自動駕駛子系統(tǒng)傳輸信號，再根據(jù)列車位置信息發(fā)出指令，隨時掌握變化信息。

在位置信息中，固定信息是道岔位置、信號機(jī)位置、線路坡度、車站位置等信息，變化信息是列車速度、牽引力、制動力等。這些信息能夠反映出列車的實(shí)際情況，加強(qiáng)控制才能滿足實(shí)際使用的要求。此外，利用列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)與自動駕駛子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)信息交換和使用，將全部信息存儲到系統(tǒng)內(nèi)，技術(shù)人員通過對比這些信息，掌握列車行駛的情況，分析是否存在故障，保證車輛安全，提高系統(tǒng)控制能力和水平。列車監(jiān)控子系統(tǒng)給列車自動駕駛子系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定、可靠的信息，如位置信息、通行方向、停車授權(quán)等，并利用信號控制系統(tǒng)將獲取的信息調(diào)整為信號命令，從而掌握列車的通行狀態(tài)、故障信息，運(yùn)營管理者能掌握列車通行情況，保證列車行駛的安全性[9]。

4 交通信號控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢與發(fā)展建議

4.1 發(fā)展趨勢分析

我國城市化高速發(fā)展，軌道交通系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行能夠緩解交通路段擁堵的情況。采取人工智能+5G信息化技術(shù)，軌道交通信號系統(tǒng)傳輸速度加快，運(yùn)行更具穩(wěn)定性與安全性，還能滿足無人駕駛的要求。在具體使用中，信息化建設(shè)有很多問題存在，應(yīng)進(jìn)一步改革與完善。軌道交通信號系統(tǒng)是目前列車控制的關(guān)鍵系統(tǒng)，如果基礎(chǔ)建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一性，將造成信息利用率下降，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，且不能達(dá)到規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化管理需要。因此，軌道交通系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢如下：

第一，增加感知層。利用高頻、藍(lán)牙技術(shù)、傳感器等設(shè)備獲取信息，快速識別外部物體，達(dá)到智能控制效果，防止存在風(fēng)險。

第二，提高網(wǎng)絡(luò)層。通過系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)有線通信、無線通信，實(shí)現(xiàn)信息和系統(tǒng)交互使用，促進(jìn)數(shù)據(jù)快速傳輸。

第三，增強(qiáng)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合管理，把數(shù)據(jù)傳輸給相關(guān)部門和單位，使系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

第四，增加平臺層。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，創(chuàng)建云計算平臺，有序處理數(shù)據(jù)信息，提高信息數(shù)據(jù)安全性，達(dá)到信息交互性要求。

第五，提高應(yīng)用層。通過列車的運(yùn)行、制造訂單等，加強(qiáng)公司管理，提高管理水平。

第六，完善展示層。城市軌道交通用戶進(jìn)行互聯(lián)互通，使內(nèi)部、外部訪問更加便利，系統(tǒng)運(yùn)行效率提升[10]。

4.2 發(fā)展建議

城市軌道交通信息系統(tǒng)未來的發(fā)展，應(yīng)從下述幾個方面出發(fā)進(jìn)行：

第一，感知層。該系統(tǒng)傳感器元件數(shù)量較多，利用合理技術(shù)獲得大量信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

第二，網(wǎng)絡(luò)層。通過有線、無線實(shí)現(xiàn)信息傳輸和共享，提高通信水平。

第三，數(shù)據(jù)層。該層的作用是處理全部數(shù)據(jù)信息，給每個子系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

第四，應(yīng)用層。包含生產(chǎn)、服務(wù)、管理等部分，包含整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，構(gòu)建出符合城市軌道系統(tǒng)運(yùn)行需要的軌道交通網(wǎng)絡(luò)體系，便于內(nèi)部通信和外部人員訪問。

只有全面落實(shí)信息技術(shù)的應(yīng)用，建設(shè)完善的信息系統(tǒng)，創(chuàng)新信號控制系統(tǒng)，才能使城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全，實(shí)現(xiàn)無人駕駛，為交通事業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)發(fā)展，5G 無線通信技術(shù)成為新技術(shù)的代名詞，將該技術(shù)應(yīng)用到軌道交通信號控制系統(tǒng)內(nèi)，能夠提高系統(tǒng)的工作效率，改善系統(tǒng)功能，保證系統(tǒng)的安全性與可靠性。未來發(fā)展中，加強(qiáng)先進(jìn)通信技術(shù)的應(yīng)用，融入計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以監(jiān)測列車的行駛動態(tài)，達(dá)到智能化監(jiān)控與管理的效果，為列車監(jiān)控與管理提供良好基礎(chǔ)。由此可見，通信技術(shù)的應(yīng)用有非常廣闊的前景，在交通信號控制中優(yōu)勢明顯，必然會取得更大的成績。