軌道交通信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀探究

湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002

0 前言

軌道列車運(yùn)行依托于軌道的應(yīng)用，構(gòu)成軌道交通系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)施包括列車、橋梁隧道、軌道線路等，承擔(dān)著運(yùn)輸乘客與貨物的任務(wù)。軌道列車能否穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到乘客的生命安全，為確保軌道列車的穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行，需配備完善的信號(hào)系統(tǒng)。而隨著計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促使信號(hào)系統(tǒng)不斷升級(jí)換代，以往組成信號(hào)系統(tǒng)的繼電邏輯、模擬電路等模式逐漸被數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化控制模式所取代。

1 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成分析

信號(hào)系統(tǒng)囊括對(duì)手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)的應(yīng)用，具體組織構(gòu)成包括：

1.1 目前普速鐵路

基于ZPW-2000A 軌道電路的區(qū)間閉塞系統(tǒng)）（高鐵基于GSM-R 無(wú)線通信的RBC 無(wú)線閉塞系統(tǒng)+ZPW-2000A 軌道電路）（地鐵流行推廣的是基于無(wú)線通信的CBTC 虛擬閉塞

為避免列車運(yùn)行期間出現(xiàn)沖突現(xiàn)象，區(qū)間信號(hào)系統(tǒng)所應(yīng)用的傳統(tǒng)方法是鐵路線路進(jìn)行線段劃分，車站內(nèi)線段被稱之為進(jìn)路，而車站間線段稱之為區(qū)間。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)檢查區(qū)間是否為空閑狀態(tài)，即檢查區(qū)間內(nèi)是否有列車，確保區(qū)間空閑后會(huì)開(kāi)放防護(hù)信號(hào)。此時(shí)，區(qū)間在信號(hào)開(kāi)放后會(huì)處于閉塞狀態(tài)，而列車在進(jìn)入?yún)^(qū)間后，防護(hù)信號(hào)關(guān)閉。此防護(hù)方式的應(yīng)用，可以保證僅有一輛列車在區(qū)間內(nèi)運(yùn)行行駛，避免區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)列車追蹤、對(duì)向沖撞現(xiàn)象。在區(qū)間防護(hù)過(guò)程中，應(yīng)用的信號(hào)系統(tǒng)為區(qū)間閉塞系統(tǒng)。為提升區(qū)間運(yùn)輸效率，可以進(jìn)行區(qū)間的劃分，將站間區(qū)間劃分為多個(gè)閉塞分區(qū)的形式來(lái)提升區(qū)間列車運(yùn)行數(shù)量，在保障行車安全的前提下，提升區(qū)間通過(guò)能力，達(dá)到縮減列車追蹤間隔的目的［1］。

1.2 車站信號(hào)系統(tǒng)

車站信號(hào)系統(tǒng)主要作用是在進(jìn)路始端位置設(shè)置信號(hào)防護(hù)，運(yùn)行過(guò)程中需要檢查進(jìn)路是否處于空閑狀態(tài)、檢查進(jìn)路之間是否存在沖突、檢查道岔位置是否正確，在確保道岔位置正確，敵對(duì)進(jìn)路沒(méi)有建立并鎖在未建立狀態(tài)，以及進(jìn)路處于空閑狀態(tài)下，才能開(kāi)放防護(hù)進(jìn)路的信號(hào)機(jī)。而等到列車駛?cè)脒M(jìn)路后，防護(hù)進(jìn)路的信號(hào)機(jī)會(huì)立即關(guān)閉。車站信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行期間，涉及到聯(lián)鎖技術(shù)的應(yīng)用，以此確保進(jìn)路、道岔以及信號(hào)之間的操作順序合理規(guī)范，并進(jìn)行三者的相互制約，起到保證行車安全的作用［2］。

1.3 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)應(yīng)用的主要作用體現(xiàn)為運(yùn)輸能力控制、運(yùn)行速度控制等，地鐵列車運(yùn)行控制系統(tǒng)包括列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）、列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）三個(gè)子系統(tǒng)。我國(guó)高鐵目前分兩個(gè)等級(jí)，時(shí)速200km/h 的CTCS-2 和時(shí)速300km/h 以上的CTCS-3 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。CTCS-2 由TCC 列控中心系統(tǒng)、ZPW-2000A 軌道電路系統(tǒng)、CTC 分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)、列控車載設(shè)備系統(tǒng)、應(yīng)答器、信號(hào)專用安全局域網(wǎng)等設(shè)備構(gòu)成，CTCS-3 在CTCS-2 的基礎(chǔ)上增設(shè)了RBC 無(wú)線閉塞中心系統(tǒng)、GSM-R 無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)備主要設(shè)備。

2 信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用主要目的在于保障列車行駛安全，系統(tǒng)中相關(guān)安全技術(shù)的應(yīng)用，可以起到避免環(huán)境破壞、人員傷亡的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，加之民眾安全意識(shí)的不斷提高，促使信號(hào)系統(tǒng)中安全技術(shù)的應(yīng)用不斷升級(jí)換代。

2.1 安全概念發(fā)展

隨著軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，安全技術(shù)得到不斷的創(chuàng)新與優(yōu)化。1825 年，英國(guó)出現(xiàn)第一條鐵路，受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)與知識(shí)的落后，使得當(dāng)時(shí)列車運(yùn)行安全技術(shù)的應(yīng)用十分匱乏。列車在夜間行駛過(guò)程中，只能以車站的窗口蠟燭為信號(hào)指示，燈光熄滅表示列車可以繼續(xù)運(yùn)行。但是因蠟燭極易受到外界因素的影響而熄滅，導(dǎo)致列車行駛安全事故頻繁發(fā)生，如列車冒進(jìn)等現(xiàn)象。也正因安全事故的頻發(fā)，人們開(kāi)始重視對(duì)安全技術(shù)的研究與探索［3］。

鐵路誕生后，部分地區(qū)通過(guò)利用“打手勢(shì)”的方式來(lái)控制列車運(yùn)行，如單手舉起表示列車運(yùn)行需注意，雙手舉起表示列車停車等。雖然“打手勢(shì)”方式的應(yīng)用取得一定成效，但是存在較大應(yīng)用局限，只適用于較少慢速行駛的列車，且夜晚時(shí)極易出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。

1841 年，臂板信號(hào)機(jī)誕生，取代以往人工手勢(shì)方式，白天利用臂板的形狀、位置來(lái)表達(dá)運(yùn)行、停車信號(hào)，而在夜晚期間，則利用燈光數(shù)量與顏色來(lái)表達(dá)控制信號(hào)。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，受到環(huán)境、人為等因素影響，使得臂板極易出現(xiàn)導(dǎo)線折斷問(wèn)題，致使臂板無(wú)法正常運(yùn)行，無(wú)法及時(shí)發(fā)出運(yùn)行、停車的信號(hào)，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生［4］。在此背景下，人們開(kāi)始以安全為導(dǎo)向進(jìn)行臂板信號(hào)機(jī)的研發(fā)，通過(guò)對(duì)臂板的改進(jìn)，促使臂板在運(yùn)行期間即使發(fā)生故障問(wèn)題，也可以利用重力進(jìn)行停車信號(hào)的恢復(fù)。此后，故障導(dǎo)向安全成為信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)研發(fā)的核心原則，促使以故障-安全為核心的安全技術(shù)研發(fā)成為領(lǐng)域研究重點(diǎn)。隨后，探照式三顯色燈信號(hào)機(jī)于1920 年誕生，透鏡式色燈信號(hào)機(jī)于1921 年誕生。

2.2 安全繼電器應(yīng)用

1869 年，軌道電路研發(fā)成為軌道信號(hào)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵前提，依托于軌道電路的應(yīng)用，自動(dòng)閉塞系統(tǒng)被研發(fā)而出，大幅度提升列車行駛的安全性與效率性。最初的軌道電路為直流電，無(wú)法進(jìn)行車地信息的傳輸，主要用于列車檢測(cè)。隨后，相繼誕生工頻、音頻軌道電路，依托于交變電磁場(chǎng)的應(yīng)用進(jìn)行車地信號(hào)傳輸。分析初期軌道電路的構(gòu)成，其中涉及到繼電器的應(yīng)用，主要作用為邏輯與執(zhí)行單元。雖然繼電器的應(yīng)用取得一定成效，但是隨著I/O 數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，促使繼電器的應(yīng)用無(wú)法滿足許軌道電路運(yùn)行需求，存在的弊端與問(wèn)題逐漸突顯，如邏輯更改難度大、配線復(fù)雜等。為改進(jìn)繼電器的應(yīng)用，人們研制出固態(tài)系統(tǒng)與SSI 系統(tǒng)，例如SSI 系統(tǒng)的應(yīng)用，通過(guò)三取二冗余結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，促使系統(tǒng)安全性得到提升［5］。SSI 系統(tǒng)本身是上世紀(jì)80年代英國(guó)推出的固態(tài)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用的是M6800 微信計(jì)算機(jī)

2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與軌道交通領(lǐng)域的融合愈發(fā)深入，信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)得到有效創(chuàng)新與發(fā)展。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的融合，逐漸研發(fā)出微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)等，在提升信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行效果的基礎(chǔ)上，推動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)朝著自動(dòng)化、智能化的方向不斷邁進(jìn)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，在降低系統(tǒng)控制成本的同時(shí)，避免因人為因素而出現(xiàn)控制失誤現(xiàn)象［6］。但是在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用無(wú)疑是一把雙刃劍，在提升信號(hào)系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率性的同時(shí)，也對(duì)信號(hào)系統(tǒng)安全運(yùn)行提出更高的要求。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具體組成包括軟、硬件設(shè)備，其中系統(tǒng)硬件囊括諸多元器件，且硬件的行為狀態(tài)復(fù)雜多元；而針對(duì)系統(tǒng)軟件而言，不同程序的執(zhí)行路徑諸多，致使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用具備復(fù)雜性、精密性等特點(diǎn)，加大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度，并且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障問(wèn)題的檢測(cè)難度增大。盡管如此，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用仍推動(dòng)著安全技術(shù)的創(chuàng)新，其創(chuàng)新的安全技術(shù)被廣泛應(yīng)用于信號(hào)系統(tǒng)中，包括：（1）故障檢測(cè)診斷技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的及時(shí)發(fā)展與診斷，避免因故障問(wèn)題影響到系統(tǒng)運(yùn)行。（2）容錯(cuò)技術(shù)。是指錯(cuò)誤產(chǎn)生時(shí)，借助冗余進(jìn)行影響屏蔽，并通過(guò)應(yīng)用重構(gòu)來(lái)緩慢的進(jìn)行系統(tǒng)降級(jí)。冗余技術(shù)包括硬件、軟件、時(shí)間、信息冗余，其中硬件冗余又包括雙機(jī)熱備、三取二、二乘二取二、三乘二取二冗余。

3 結(jié)束語(yǔ)

城市化進(jìn)程的加快建設(shè)，使得軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用更為普及與廣泛。對(duì)此，需重視對(duì)信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)的研究加大力度，通過(guò)對(duì)安全技術(shù)的不斷創(chuàng)新，提升信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、高效性，進(jìn)而保障列車的穩(wěn)定運(yùn)行。