面向高速鐵路系統(tǒng)的信息技術(shù)發(fā)展研究

陳艷華+張亞昕+任荔娜

摘要：高速鐵路信號控制系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)今鐵路適應(yīng)高速發(fā)展需要而出現(xiàn)的高技術(shù)，是高速列車安全、正點(diǎn)運(yùn)行的基本保證。在提高運(yùn)輸效率中起著關(guān)鍵性的作用。該文分析了高鐵信號系統(tǒng)新技術(shù)的應(yīng)用，信號技術(shù)特有的發(fā)展趨勢，為未來時(shí)段的高鐵信號技術(shù)擴(kuò)展，提供有價(jià)值的參照。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；信號控制；發(fā)展趨勢

1概述

高速鐵路信號系統(tǒng)是保證我國鐵路提速線路和客運(yùn)專線列車運(yùn)行安全、提高列車運(yùn)行效率的重要技術(shù)設(shè)備，它通過有效可靠的技術(shù)手段對列車的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和超速防護(hù)。構(gòu)成高速鐵路的車載系統(tǒng)、線路信息、電務(wù)控制系統(tǒng)都是運(yùn)輸中緊密相關(guān)的技術(shù)保證，因此，高速鐵路發(fā)展中，世界各國都對列車運(yùn)行安全及其相關(guān)支持系統(tǒng)的研究和開發(fā)非常關(guān)注，尤其對于信號控制系統(tǒng)的研究更為重視。理解高速鐵路信號就必須要學(xué)好研究好高速鐵路信號系統(tǒng)方面的知識，確保高速鐵路行車的安全。在鐵路現(xiàn)代化的進(jìn)程中，信號系統(tǒng)在不斷地更新和改造，因此掌握高鐵信號技術(shù)最新發(fā)展現(xiàn)狀顯得極為必要。

2高速鐵路信號設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

2.1管理集中、控制分散的微機(jī)綜合列車自動控制系統(tǒng)

高速鐵路的信號與控制設(shè)備，由列車運(yùn)行控制系統(tǒng)和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)兩部分組成，具有集中管理、分散控制的突出特點(diǎn)。是集散式管理的大規(guī)模綜合列車運(yùn)行自動控制系統(tǒng)。

2.2具有較高的容錯能力及安全性

調(diào)度中心是信號控制和信息管理的上層機(jī)構(gòu)，通過車站、區(qū)間的執(zhí)行設(shè)備完成命令的下達(dá)和執(zhí)行，如果調(diào)度中心的計(jì)算機(jī)故障，可改由人工控制，各站微機(jī)可通過區(qū)域信號控制設(shè)備按計(jì)劃完成各項(xiàng)控制功能。通過驅(qū)動設(shè)備實(shí)現(xiàn)車站的聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備就地安全控制。

2.3具有較大的信息處理能力及系統(tǒng)運(yùn)用上的靈活性

信息處理能力、系統(tǒng)運(yùn)行靈活性較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)行車調(diào)度指揮、運(yùn)行控制和列車運(yùn)行信息管理的綜合控制，綜合控制系統(tǒng)構(gòu)成包括行車指揮、運(yùn)行控制和運(yùn)營管理。人機(jī)控制合理，通過各相關(guān)崗位的人工控制，運(yùn)用帶有冗余的計(jì)算機(jī)硬件、軟件實(shí)現(xiàn)自動、人工邏輯控制。構(gòu)成系統(tǒng)的主要設(shè)備及計(jì)算機(jī)的軟、硬件都已模塊化，功能綜合，設(shè)備一體化。

2.4信息與控制技術(shù)飛速發(fā)展

高速鐵路信號與控制系統(tǒng)的發(fā)展也屬于其中之一。其次是信息技術(shù)沿著信息化、自動化、最優(yōu)化與智能化等四個層次的發(fā)展。信息化是指數(shù)字化一些客觀的物理概念，便于計(jì)算機(jī)處理，這是最初層次；自動化是按某一固定規(guī)則進(jìn)行必須地重復(fù)處理，達(dá)到預(yù)期的目的；最優(yōu)化是按照某種預(yù)訂指標(biāo)，在一定的限制條件下求得最佳答案；智能化是信息處理的最高層次，包括理解、推理、分析、判斷等步驟。

3高速鐵路信號系統(tǒng)組成

信號系統(tǒng)主要由調(diào)度集中控制系統(tǒng)（CTC）、列控系統(tǒng)、車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、信號設(shè)備微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)四個部分構(gòu)成。

3.1調(diào)度集中系統(tǒng)

該系統(tǒng)是以列車運(yùn)行調(diào)整計(jì)劃為中心、分散自律原則為保障、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為手段，兼顧列車與調(diào)車作業(yè)的高度自動化的調(diào)度指揮系統(tǒng)。在參考國外分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)思想的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)以調(diào)度員直接指揮列車運(yùn)行為核心，實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸效率的最大化。其最典型的特點(diǎn)是分散自律，列車與調(diào)車作業(yè)在時(shí)間和空間上要實(shí)現(xiàn)分隔，需要設(shè)置分散自律機(jī)來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)需要也可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)無人化管理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸指揮的高度集中化和智能化。

3.2計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

車站進(jìn)路聯(lián)鎖關(guān)系的實(shí)現(xiàn)及列車運(yùn)行作業(yè)的安全保證都是通過車站聯(lián)鎖系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。高鐵信息化程度高，系統(tǒng)接口復(fù)雜，由調(diào)度中心計(jì)算機(jī)控制，車載信號代替地面信號控制列車運(yùn)行，因此采用計(jì)算機(jī)控制車站聯(lián)鎖設(shè)備非常必要。對于具有多個車場的大型車站，為減少故障面以及設(shè)備改造對運(yùn)輸?shù)挠绊?，按場分別設(shè)置計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備比較合理，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備可與其他信號系統(tǒng)設(shè)備集成為一體化結(jié)構(gòu)，也可單獨(dú)設(shè)置。

3.3列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)由列控地面設(shè)備和車載設(shè)備組成，作為保證列車行車安全和提高運(yùn)輸效率的信號設(shè)備，列控系統(tǒng)從行車安全控制方面保證運(yùn)行正常。因其具有分散自律的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此對于速度不同的運(yùn)行列車，系統(tǒng)也能滿足其安全運(yùn)行。目前高速鐵路列車編組形式均為動車組，該車體的列控系統(tǒng)均以車載信號作為主體信號運(yùn)行。車載設(shè)備因其采用較優(yōu)的信號處理手段，因此利用列控系統(tǒng)列車可以在高速線路上安全運(yùn)行，同時(shí)也兼容低模式的既有線信號系統(tǒng)，在不同線路分界處系統(tǒng)會自動進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。

3.4信號集中監(jiān)測系統(tǒng)

高速鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)全程聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和故障報(bào)警功能，并符合高速鐵路技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)營維護(hù)要求。系統(tǒng)應(yīng)由段級主機(jī)、站級分機(jī)、終端以及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等部分組成。信號集中監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、調(diào)度集中、列控中心、RBC、區(qū)間軌道電路、智能電源屏、智能燈絲報(bào)警單元等系統(tǒng)接口，采集相應(yīng)的監(jiān)測信息。

4高鐵信號控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

4.1操作管控實(shí)時(shí)

采用信號新技術(shù)，即可加快高鐵發(fā)展速度，也可提高鐵路重載等級。高鐵系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式特點(diǎn)，解決出現(xiàn)較多的安全疑難問題。容錯特性、可移植特性都有所提高，大部分配件都能獨(dú)立安裝使用。多任務(wù)的操作管控實(shí)時(shí)特點(diǎn)則能夠進(jìn)行及時(shí)合理調(diào)度。系統(tǒng)選用實(shí)用操作系統(tǒng)開發(fā)軟件，即可滿足列控系統(tǒng)對運(yùn)行實(shí)時(shí)性的高要求，也可促進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)的提升。成熟的通用程序可以推向社會，促進(jìn)行業(yè)交流以及社會分工專業(yè)化，減少重復(fù)勞動，提高知識創(chuàng)新的效率，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

4.2加強(qiáng)GSM-R技術(shù)的應(yīng)用

長期以來，關(guān)于無線傳輸信息安全方面的問題都成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。為給高速系統(tǒng)提供一個可靠安全的傳輸保障，GSM-R系統(tǒng)還必須對高鐵移動信息在傳輸方面的環(huán)境方案進(jìn)行進(jìn)一步的改善，并通過對系統(tǒng)的不斷調(diào)整和改造，提高其安全性與可靠性。由于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與GSM-R的發(fā)展是關(guān)系緊密的，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展是同步的，因此加強(qiáng)GSM-R技術(shù)的應(yīng)用，使未來移動通信能保持可持續(xù)發(fā)展。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)、智能網(wǎng)等許多設(shè)備，是許多線路、甚至全網(wǎng)共用。因此，對于降低核心網(wǎng)交換機(jī)的造價(jià)，對其進(jìn)行合理的安排建設(shè)，統(tǒng)一規(guī)劃，分段進(jìn)行、優(yōu)化系統(tǒng)資源配置是主要科研方向。GSM-R無線頻率資源是非常緊張，必須合理規(guī)劃，以保證GSM-R系統(tǒng)不受到干擾。

4.3數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用

以往鐵路信號設(shè)備多基于模擬信號處理技術(shù)，隨著對運(yùn)行速度、載重量的要求不斷提高，該方式則無法滿足安全性和實(shí)時(shí)『生的要求。由此可見，利用計(jì)算機(jī)參與的數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用是必要條件。數(shù)字信號處理技術(shù)分析方法主要有頻域分析和時(shí)域分析兩種，頻域分析運(yùn)算精度高和抗干擾性能好；時(shí)域分析定型準(zhǔn)確，而在消除帶內(nèi)干擾方面效果較差?？傊?，數(shù)字信號處理技術(shù)相比模擬信號處理技術(shù)，具有更強(qiáng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，該方式必將成為未來發(fā)展的主要趨勢。

4.4信號系統(tǒng)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路信號系統(tǒng)也在隨之變化，市場狀況也傾向于全球一體化的態(tài)勢，主要表現(xiàn)在技術(shù)規(guī)范和安全規(guī)范兩方面。信號系統(tǒng)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的制定，體現(xiàn)了以下的優(yōu)勢：新產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用低；由于規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的制定考慮了系統(tǒng)的連續(xù)性，使得新產(chǎn)品與老系統(tǒng)兼容；規(guī)范明確定義所有接口標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互通互連；公開規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，開放市場，促進(jìn)競爭，降低成本，從而獲取最佳產(chǎn)品和最佳價(jià)格。

5存在問題

由于歷史的原因，我國鐵路在誕生初期由外國資本控制，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，因而信號不統(tǒng)一，設(shè)備簡陋，制式混亂，器材規(guī)格各異。由于高速鐵路的列車時(shí)速均在200km/h以上，另外高速鐵路和普通鐵路區(qū)別還存在諸多差別，轉(zhuǎn)彎半徑大，速度快，但施工難度也加大；鋼軌質(zhì)量大、速度快，沖擊力就加大。為此確保行車安全、提高運(yùn)輸?shù)男剩匀挥泻芏嗟年P(guān)鍵技術(shù)問題有待去解決，不斷的研發(fā)鐵路信號新技術(shù)。

鐵路信號控制系統(tǒng)既是保障列車運(yùn)行安全的組成部分，更是整個系統(tǒng)安全運(yùn)行的核心。安全第一是鐵路運(yùn)輸?shù)闹笇?dǎo)思想，隨著鐵路行車速度的幾次革新，對信號控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式、控制模式的綜合性要求越來越高，而目前的監(jiān)控系統(tǒng)還不能與各種調(diào)度指揮行車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)銜接。因此要求對現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造。此外安全計(jì)算機(jī)平臺沒有達(dá)到西方發(fā)達(dá)國家水平，安全通信及安全接口技術(shù)有待提高；產(chǎn)品研制與生產(chǎn)工藝控制方面質(zhì)量不過關(guān)；為趕施工進(jìn)度，在施工安裝、聯(lián)調(diào)聯(lián)試方面存在缺乏符合規(guī)范的測試手段，尤其是系統(tǒng)控制軟件管理方面控制更不夠嚴(yán)密。

6結(jié)論

我國高鐵技術(shù)雖發(fā)展迅速、成績顯著，但因信號設(shè)備對高鐵運(yùn)營安全影響至關(guān)，所以應(yīng)當(dāng)關(guān)注發(fā)展速度與質(zhì)量的關(guān)系；深入研究現(xiàn)有信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)更加安全可靠；為使各種制式的列控系統(tǒng)能安全可靠，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)設(shè)備基礎(chǔ)內(nèi)容研究。

高速鐵路信號技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)繼續(xù)秉承安全第一的指導(dǎo)思想，在未來繼續(xù)研究探索可靠的新技術(shù)。保證各系統(tǒng)間應(yīng)協(xié)調(diào)發(fā)展，更應(yīng)注重各系統(tǒng)質(zhì)量安全，尤其是能確保列控系統(tǒng)的安全性能。與此同時(shí)，我們可提高安全管控的認(rèn)知及水平，加強(qiáng)監(jiān)督機(jī)制，必要時(shí)可變更一貫使用的評審流程。隨著高速鐵路的發(fā)展，高速信號系統(tǒng)還將發(fā)揮更大的作用，為保證高速鐵路的安全和高效，鐵路信號控制技術(shù)還需在功能、控制手段等有關(guān)方面不斷加強(qiáng)進(jìn)步，相信在有關(guān)工作人員的不斷科研下，我國高速鐵路的信號控制技術(shù)將會更上一層樓。