現(xiàn)代鐵路信號(hào)融入通信技術(shù)探析

張新紅

摘 要 本文分別從故障-安全技術(shù)、數(shù)字信號(hào)技術(shù)的發(fā)展、通信信號(hào)一體化、安全性可靠性等方面對(duì)通信技術(shù)融入信號(hào)發(fā)展進(jìn)行概括，對(duì)未來信號(hào)通信技術(shù)的融合趨勢(shì)進(jìn)行客觀展望。

關(guān)鍵詞 信息融合 通信技術(shù) 信號(hào)技術(shù)發(fā)展

鐵路信號(hào)的發(fā)展水平是鐵路現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志。近年來，在運(yùn)輸市場(chǎng)激烈競(jìng)爭的條件下，尤其發(fā)達(dá)國家鐵路為實(shí)現(xiàn)提速、高速和重載運(yùn)輸，積極引進(jìn)采用先進(jìn)的新技術(shù)，大幅度提高了現(xiàn)代化通信信號(hào)設(shè)備的裝備水平，新型技術(shù)系統(tǒng)不斷出現(xiàn)。

一、故障-安全技術(shù)的發(fā)展

故障-安全技術(shù)的提高為高可靠和高安全的鐵路信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和新材料的發(fā)展，故障-安全技術(shù)得到了飛速發(fā)展。高可靠性、高安全性的故障—安全核心設(shè)備出現(xiàn)了“二取二”、“二乘二取二”和“三取二”等不同電子結(jié)構(gòu)形式，其同步方式有軟同步和硬同步。

二、數(shù)字信號(hào)處理的新技術(shù)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

隨著鐵路運(yùn)輸提速、重載的發(fā)展，全面引進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)的高速分析計(jì)算功能，來提高信號(hào)設(shè)備的技術(shù)水平已非常緊迫。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）的出現(xiàn)為鐵路信號(hào)信息處理提供了很好的解決方法。

目前，我國的軌道電路的信號(hào)發(fā)送、接收以及機(jī)車信號(hào)的接收普通采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

鐵路信號(hào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是鐵路運(yùn)輸綜合調(diào)度指揮的基礎(chǔ)。在網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息化、智能化，從而實(shí)現(xiàn)集中、智能管理。

近年來，我國鐵路行業(yè)已成功地推廣應(yīng)用了原TMIS和DMIS（現(xiàn)稱TDCS）等系統(tǒng)，在利用信息技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步。具有代表性的列車調(diào)度指揮系統(tǒng)TDCS，以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用通信、信號(hào)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)，建立了新型現(xiàn)代化運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)（鐵道部、鐵路局、基層信息采集網(wǎng)）。

三、通信技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的飛躍發(fā)展，向傳統(tǒng)的以軌道電路作為信息傳輸媒體的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。綜合利用3C技術(shù)代替軌道電路技術(shù)，構(gòu)成新型列車控制系統(tǒng)已成必然。

用3C技術(shù)代替軌道電路的核心是通信技術(shù)的應(yīng)用，目前計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)已經(jīng)滲透到列控系統(tǒng)中，稱為“基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)”（CBTC）。

如上所述，世界發(fā)達(dá)國家陸續(xù)試驗(yàn)的CBTC系統(tǒng)有ATCS、ARES、ASTREE、CARAT、FZB等。所有上述各類系統(tǒng)，均具有兩個(gè)基本特點(diǎn)：

1.列車與地面之間有各種類型的無線雙向通信?？煞譃檫B續(xù)式和點(diǎn)式的。其中又可分為短距離傳輸（指1m以內(nèi)）和較長距離傳輸（遠(yuǎn)至幾公里至幾十公里）的移動(dòng)通信。它們?nèi)匀槐Ａ糸]塞分區(qū)，其中最簡易方式CBTC仍采用固定的閉塞分區(qū)，但是閉塞分區(qū)的分隔點(diǎn)不是用軌道電路的機(jī)械絕緣節(jié)或電氣絕緣節(jié)（如無絕緣軌道電路），而是用應(yīng)答器或計(jì)軸器，或其他能傳送無線信號(hào)的裝置構(gòu)成分隔點(diǎn)，這種簡易形式仍然保留固定長度的閉塞分區(qū)（FAS，F(xiàn)ixed Aotoblock System），簡稱為 CBTC-MAS。

2.在CBTC中進(jìn)一步發(fā)展的閉塞分區(qū)不是固定的，而是移動(dòng)的，簡稱CBTC-MAS。被歐洲聯(lián)盟采用的ERTMS/ETCS的2級(jí)和3級(jí)是當(dāng)前CBTC的代表。ERTMS/ETCS經(jīng)過多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試和認(rèn)證后，進(jìn)行了商業(yè)項(xiàng)目的建設(shè)。通信技術(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合重新規(guī)劃了鐵路信號(hào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，為列車運(yùn)行控制的未來發(fā)展開辟了新天地。

四、通信信號(hào)一體化

隨著當(dāng)代鐵路的發(fā)展，鐵路通信信號(hào)技術(shù)發(fā)生了重大變化，車站、區(qū)間和列車控制的一體化，鐵路通信信號(hào)技術(shù)的相互融合，以及行車調(diào)度指揮自動(dòng)化等技術(shù)，沖破了功能單一、控制分散、通信信號(hào)相對(duì)獨(dú)立的傳統(tǒng)技術(shù)理念，推動(dòng)了鐵路通信信號(hào)技術(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和一體化的方向發(fā)展。

從鐵路信號(hào)系統(tǒng)縱向發(fā)展看，德國已經(jīng)形成從LZB、FZB發(fā)展到ERTMS的發(fā)展趨勢(shì)。LZB利用軌道電纜環(huán)線傳輸列車運(yùn)行控制系統(tǒng)行車指令和速度指令機(jī)車信號(hào)，取消地面閉塞信號(hào)機(jī)，保留閉塞分區(qū)，列車按固定閉塞方式（即FAS）運(yùn)行。FZB是基于無線的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，是新一代移動(dòng)自動(dòng)閉塞系統(tǒng)（即MAS），其目的是實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，并已加入ETCS。ERTMS/ETCS（歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)/歐洲列車控制系統(tǒng)）是歐盟支持的統(tǒng)一的行車控制系統(tǒng)，采用GSM-R作為傳輸系統(tǒng)，其成功應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)鐵路通信信號(hào)的技術(shù)進(jìn)步，加快實(shí)現(xiàn)鐵路通信信號(hào)一體化的進(jìn)程。從信號(hào)系統(tǒng)的橫向發(fā)展來看，日本新干線在1995年成功開發(fā)和投入運(yùn)行的COSMOS系統(tǒng)，則是通信信號(hào)一體化的又一個(gè)成功案例。該系統(tǒng)包含運(yùn)輸計(jì)劃、運(yùn)行管理、維護(hù)工作管理、設(shè)備管理、集中信息管理、電力系統(tǒng)控制、車輛管理、站內(nèi)工作管理等8個(gè)子系統(tǒng)，以通信信號(hào)一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中心到車站各子系統(tǒng)的信息共享，并使系統(tǒng)達(dá)到很高的自動(dòng)化水平。

通信信號(hào)一體化是現(xiàn)代鐵路信號(hào)的重要發(fā)展趨勢(shì)，鐵路信號(hào)技術(shù)發(fā)展所依托的新技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與通信技術(shù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是一致的，屬于技術(shù)發(fā)展前沿科學(xué)，為通信信號(hào)一體化提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在借鑒世界各國經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國國情、路情，我國已制定了中國統(tǒng)一的CTCS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

五、安全性與可靠性分析

保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，要求鐵路信號(hào)系統(tǒng)具有高可靠性和高安全性。安全評(píng)估理論的建立與推廣為定量評(píng)估鐵路信號(hào)系統(tǒng)的可靠性和安全性提供了重要手段。

在故障-安全理論的發(fā)展上，20世紀(jì)90年代初，IEC（國際電工委員會(huì)）將故障-安全的概念進(jìn)行了量化，制定了安全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)IEC61508。該標(biāo)準(zhǔn)提出了安全相關(guān)系統(tǒng)的“安全完善度等級(jí)（SIL）”的概念，它是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)安全的綜合評(píng)估指標(biāo)。

IEC61508對(duì)安全系統(tǒng)提出了如下要求： 功能性，包括容量和響應(yīng)時(shí)間；可靠性和可維護(hù)性；安全，包括安全功能和它們相關(guān)的硬件/軟件安全完善度等級(jí)（SIL）；效率性；可用性；輕便性。

隨后歐洲和日本相應(yīng)地以IEC61508標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，制定了相關(guān)的信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)以及安全認(rèn)證體系。

歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)基于IEC61508標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，附加列車安全控制系統(tǒng)的技術(shù)條件制定了一些安全相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)和評(píng)估的參考標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括：EN50126鐵路應(yīng)用：可信性、可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性規(guī)范和說明；EN50129鐵路應(yīng)用：信號(hào)領(lǐng)域的安全相關(guān)電子系統(tǒng)；EN50128鐵路應(yīng)用：鐵路控制和防護(hù)系統(tǒng)的軟件；EN50159-1鐵路應(yīng)用：在封閉傳輸系統(tǒng)中的安全通信；EN50159-2鐵路應(yīng)用：在開放傳輸系統(tǒng)中的安全通信。

鐵路為實(shí)現(xiàn)高速、高密度和重載運(yùn)輸?shù)男枰?，積極引進(jìn)采用新技術(shù)，大幅度提高了現(xiàn)代化通信信號(hào)設(shè)備的裝備水平，新型技術(shù)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。

鐵路信號(hào)在元部件制造方面正向著小型化、固態(tài)化和高可靠性發(fā)展；在設(shè)計(jì)方面向著故障自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)診斷、高可用度、與計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)相結(jié)合的方面發(fā)展；在安裝施工方面正向著模塊化和工廠施工化的方向發(fā)展；在使用方面正向著無維修或少維修、高度自動(dòng)化或智能化的方向發(fā)展。