鐵路信號監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與展望

李明柔

中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京電務(wù)段 北京 100071

1 我國鐵路信號監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 我國的行車調(diào)度指揮系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的階段

由人工調(diào)度指揮，發(fā)展到調(diào)度監(jiān)督或調(diào)度集中，到TDCS系統(tǒng)到分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)。TDCS 增加了分散自律功能和排路功能到 CTC（Centralized Traffic Control System，調(diào)度集中）。分散自律系統(tǒng)將列車運(yùn)行調(diào)整計(jì)劃下傳到各個(gè)車站自律機(jī)自主自動執(zhí)行，解決了列車作業(yè)和調(diào)車作業(yè)的沖突，實(shí)現(xiàn)列車、調(diào)車作業(yè)統(tǒng)一控制。我國的新建高速鐵路線路尤其是列車運(yùn)行速度超過 160km/h 的線路區(qū)段，積極應(yīng)用了 CTC技術(shù)。新建的非繁忙干線和局部連接線路，可采用區(qū)域集中聯(lián)鎖與TDCS（Total Distributed Control System集散控制系統(tǒng)）結(jié)合的方式。在未來 CTC 系統(tǒng)的車站設(shè)備與連鎖等設(shè)備要更優(yōu)化的配置，CTC 系統(tǒng)要有可靠的通信傳輸通道的保障，特別是在客專和繁忙干線。

1.2 我國的列車控制系統(tǒng)同樣經(jīng)歷了一個(gè)漫長的探索過程

由點(diǎn)式機(jī)車信號自動停車裝置發(fā)展到連續(xù)式機(jī)車信號自動停車裝置，由通用式機(jī)車信號自動停車裝置到通用式機(jī)車信號運(yùn)行監(jiān)控記錄器，由主體機(jī)車信號運(yùn)行監(jiān)控記錄器，最后到CTCS系統(tǒng)。隨著高速鐵路列車速度的不斷提升，僅僅依靠地面信號行車并不能完全保證行車安全，車載信號也起到了重要作用，一方面指導(dǎo)司機(jī)操作，并對列車速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在列車超速時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。ATP現(xiàn)已成為行車安全不可缺少的重要技術(shù)裝備。CTCS 是鐵路信號系統(tǒng)中的主要技術(shù)裝備，防止列車運(yùn)行過程中超過線路規(guī)定的速度，防止列車冒進(jìn)關(guān)閉的信號機(jī)。新的 CTCS 系統(tǒng)采用衛(wèi)星定位、應(yīng)答器對當(dāng)前列車位置測量、確認(rèn)，提供不間斷的速度控制，提高了列車定位精度[1]。

2 國外鐵路信號監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，日本，德國，意大利和法國同是世界上高鐵技術(shù)發(fā)展比較成熟的國家。上述國家中，鐵路列車的綜合檢測被用作檢測工具，來確保鐵路列車的運(yùn)行安全。信號檢測在整個(gè)檢測系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的地位，在鐵路的維護(hù)養(yǎng)護(hù)工作中起著非常重要的作用。日本作為鐵路運(yùn)輸方面起步非常早的國家，早在1964年，日本就在東海道的新干線上開通和運(yùn)營火車，并應(yīng)用綜合檢測技術(shù)。與現(xiàn)在的技術(shù)相比，當(dāng)時(shí)只有集成檢測列車的信號檢測系統(tǒng)安裝在1號和7號車廂中。而成熟的信號檢測技術(shù)可以通過中央控制調(diào)度中心，對通信設(shè)備以及線路信號發(fā)生的故障信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)還可以獲得聯(lián)鎖設(shè)備的動作信息數(shù)據(jù)以及軌道電路信息數(shù)據(jù)。通過圖表的方式對雨量、風(fēng)速等外部影響因素進(jìn)行監(jiān)測，對列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合理調(diào)控。其次，不僅對室內(nèi)的信號系統(tǒng)進(jìn)行了全面監(jiān)測，同時(shí)對室外信號系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了全面監(jiān)測，能夠?qū)壍离娐?、信號機(jī)以及道岔等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

同日本相比，意大利的發(fā)展略慢。意大利于2001年開始使用綜合檢測技術(shù)。所用的檢測技術(shù)是阿基米德綜合檢測技術(shù)。該技術(shù)的最高檢測速度為每小時(shí)220公里。

3 鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)簡介

鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)是在鐵路信息化建設(shè)中形成的一種新型技術(shù)。在我國當(dāng)前鐵路系統(tǒng)建設(shè)日趨完善的背景下，對于鐵路信號系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)要求也越來越高。通過信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用，能科學(xué)的控制現(xiàn)有系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行情況，對于更好的調(diào)度鐵路系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的。因而需要在現(xiàn)有鐵路系統(tǒng)運(yùn)行管理中，將信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用完善。首先，建立信號系統(tǒng)，對所有列車信息記錄，包括對列車的開行信息等其他信息進(jìn)行記錄；其次，對列車的運(yùn)行調(diào)度按照列車運(yùn)行控制需求，將列車調(diào)度工作落實(shí)，科學(xué)監(jiān)測列車的運(yùn)行情況，對列車的運(yùn)行管理作出分析，提高鐵路系統(tǒng)運(yùn)行效率[2]。

4 鐵路信號智能監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 信號監(jiān)測系統(tǒng)測試技術(shù)水平

我國高速鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)測試技術(shù)，特別是動態(tài)測試驗(yàn)證技術(shù)，經(jīng)歷了十年的發(fā)展，已日趨完善，并在高速鐵路建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)、技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展等方面發(fā)揮了重要的作用。

4.1.1 建立了完善的測試標(biāo)準(zhǔn)體系

以《CTCS-3級列控系統(tǒng)測試案例》為標(biāo)志，陸續(xù)頒布了針對單一設(shè)備、設(shè)備接口、系統(tǒng)功能以及互聯(lián)互通的測試標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了測試內(nèi)容和測試方法，同時(shí)不斷豐富完善測試案例和測試場景。

4.1.2 建立了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室仿真測試環(huán)境

系統(tǒng)級的實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境從無到有，以鐵科院開發(fā)的基于環(huán)行鐵道的高速列控實(shí)驗(yàn)室，北京交通大學(xué)開發(fā)的列控車載設(shè)備互聯(lián)互通實(shí)驗(yàn)室，以及鐵科院、通號院、北京和利時(shí)公司開發(fā)的面向工程的仿真實(shí)驗(yàn)室等為代表，仿真測試手段不斷完善，仿真測試已成為工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證、設(shè)備上道、互聯(lián)互通的不可或缺的環(huán)節(jié)。

4.1.3 自主研發(fā)了系列化的綜合檢測列車

從電務(wù)試驗(yàn)車起步，我國的綜合檢測列車已形成系列化的“黃醫(yī)生”家族，覆蓋了CRH2型、CRH3型、CRH-380A，CRH-380B等各種動車組車型以及車載ATP型號，最高檢測速度突破了400km/h，除了對信號設(shè)備功能、性能進(jìn)行檢測驗(yàn)證外，還可通過對檢測數(shù)據(jù)的歷史性、重復(fù)性以及關(guān)聯(lián)性進(jìn)行綜合處理分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)預(yù)警功能。

4.2 信號監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)階段存在的不足

4.2.1 互聯(lián)性不足

互聯(lián)性問題是目前鐵路信號智能監(jiān)測系統(tǒng)所面臨的主要問題。其表現(xiàn)為各個(gè)子系統(tǒng)之間的互通能力非常低，信息的關(guān)聯(lián)程度不足。從鐵路信號智能監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展期望來看，智能監(jiān)測系統(tǒng)需要對鐵路的主要設(shè)備進(jìn)行細(xì)致實(shí)時(shí)的監(jiān)控，尤其對于監(jiān)測系統(tǒng)主干信號集中監(jiān)測系統(tǒng)來說，需要保證對電纜和軌道電路的實(shí)時(shí)精確監(jiān)控。雖然現(xiàn)階段信號集中監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)基本接入了TCC/ZPW2000，但是RBC終端和DMS設(shè)施之間互通性仍然達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這樣一來就導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合程度不夠，一旦發(fā)生問題時(shí)，工作人員無法第一時(shí)間判定故障出現(xiàn)的位置，極大地影響了鐵路交通運(yùn)行的安全性。

4.2.2 信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)難

鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用過程中，對于信號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理也是非常關(guān)鍵的，但是通過對我國現(xiàn)有鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)督管理工作研究發(fā)現(xiàn)。目前鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用中，對于信號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)還存有一定的難度，所以這種情況下，就不能為信號系統(tǒng)的監(jiān)測管理提供幫助。對于鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用而言，信號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是比較關(guān)鍵的，但是如果在信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)中，不能科學(xué)的控制信號協(xié)調(diào)方式，將會影響到信號系統(tǒng)運(yùn)行效果[3]。

5 鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用策略

為滿足工程建設(shè)、信號系統(tǒng)升級改造以及信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的需求，信號系統(tǒng)測試技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)適用于以下幾方面：

5.1 基于虛擬云技術(shù)，開發(fā)適應(yīng)于不同樞紐站場的綜合仿真測試中心

虛擬化技術(shù)將某臺物理服務(wù)器資源，通過虛擬化軟件的方法分割為多個(gè)虛擬云服務(wù)器，每個(gè)虛擬服務(wù)器獨(dú)立運(yùn)行，與后臺的物理平臺或者具體的硬件實(shí)現(xiàn)無關(guān)，非常適合測試環(huán)境的搭建。

基于虛擬云技術(shù)的綜合仿真測試中心，被測試對象采用完全真實(shí)設(shè)備，通過以太網(wǎng)接人云平臺；相鄰設(shè)備以及線路仿真軟件等全部運(yùn)行于虛擬機(jī)中，根據(jù)需要可以任意調(diào)用，便于測試環(huán)境的倒換；為防止不同樞紐間IP的沖突，云平臺各樞紐間通過劃分ULAN的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離。

基于虛擬云技術(shù)的仿真測試中心，采用私有云的創(chuàng)建模式，不需要租用云端服務(wù)器或進(jìn)行云服務(wù)器托管，最大限度地保護(hù)了數(shù)據(jù)的安全。

5.2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，繼續(xù)推進(jìn)智能運(yùn)維系統(tǒng)、車載智能化集成分析平臺開發(fā)

大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，就是在已有海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)、分析、深度挖掘和人工智能等手段，努力尋求和開發(fā)其潛在的價(jià)值；對于鐵路信號系統(tǒng)，首要目標(biāo)就是盡可能實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)測、檢測、維護(hù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性整合，深化研究智能化分析技術(shù)，多專業(yè)數(shù)據(jù)融合及大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用技術(shù)，為運(yùn)營維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

例如，對于智能運(yùn)維系統(tǒng)，通過進(jìn)行深入的關(guān)鍵數(shù)據(jù)對比與邏輯分析、車地?cái)?shù)據(jù)一體化對比分析等，可以進(jìn)一步提升故障綜合輔助分析功能；對于信號動態(tài)檢測系統(tǒng)，通過信號系統(tǒng)與其他系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的融合和綜合分析，可以進(jìn)一步加強(qiáng)列控報(bào)文與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的比對分析以及故障定位等功能。

5.3 基于專家系統(tǒng)技術(shù)，不斷完善自動化、智能化測試水平

專家系統(tǒng)是人工智能的一個(gè)重要分支，是其最重要也最活躍的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，它實(shí)現(xiàn)了人工智能從一般性推理策略探討到運(yùn)用專門知識、從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的重大突破。

基于自動測試技術(shù)的專家系統(tǒng)是高速鐵路列控系統(tǒng)仿真測試的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動測試、分析與判斷，輸出結(jié)果，由系統(tǒng)替代人工，實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)判斷，減少人工參與的程度，提高測試的效率和準(zhǔn)確性。專家系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：車載數(shù)據(jù)的下載和導(dǎo)入；測試案例的觸發(fā)條件、約束條件與對比的期望結(jié)果等信息；不同測試案例之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；完整的測試案例庫；測試序列的分類，測試子序列、測試案例之間的內(nèi)部邏輯關(guān)系；以及每個(gè)測試序列覆蓋的測試案例和數(shù)量等。

5.4 采取智能化分析技術(shù)

鐵路信號智能分析主要體現(xiàn)在以下兩方面：第一是通過使用不同子系統(tǒng)對各種設(shè)備之間的連接故障進(jìn)行邏輯性分析，其包括了各種設(shè)備之間的對比分析，如列車與地面、地面與地面以及信號與通信之間的綜合相關(guān)性分析；第二是對各個(gè)設(shè)備的故障分析，主要包括設(shè)備運(yùn)行趨勢分析、設(shè)備生命周期分析以及不同類型設(shè)備的故障分析等。在對設(shè)備信號進(jìn)行邏輯故障分析過程中，我們可以建立相應(yīng)的專家數(shù)據(jù)庫診斷系統(tǒng)，收集和分類存儲專家提供的專業(yè)知識以及寶貴經(jīng)驗(yàn)。知識庫的規(guī)劃和建立直接影響到系統(tǒng)智能診斷的正確率與實(shí)用性，故系統(tǒng)故障智能判斷需要建立能涵蓋多個(gè)設(shè)備相對應(yīng)的系統(tǒng)庫。

在故障排除過程中，為了最大限度地提高診斷效率，縮小調(diào)查范圍，可以從以下兩個(gè)方面來構(gòu)建專家系統(tǒng)庫：首先，根據(jù)不同設(shè)備的性能與組成內(nèi)容之間的差異，將相關(guān)設(shè)備和對應(yīng)的知識點(diǎn)組合成相對獨(dú)立的知識體系；其次，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將子系統(tǒng)的知識置于單個(gè)模塊中，可實(shí)現(xiàn)有針對性的檢索和提高知識庫查詢的效率；再次，依據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型，將知識內(nèi)容劃分為幾個(gè)不同的模塊，以提高知識庫的綜合應(yīng)用；最后根據(jù)專家對不同領(lǐng)域的劃分，將知識庫有劃分為對象性知識、故障類知識以及信號處理過程性知識等方面。根據(jù)鐵路信號裝置之間的故障相關(guān)性，采用樹狀關(guān)聯(lián)的方法將其簡單的表達(dá)出來，根據(jù)具體設(shè)備的特征，將不同設(shè)備的特定故障類型以樹狀形式添加到專家知識庫中，該方法可以有效降低冗余并且還能縮小設(shè)備故障類型的判斷范圍。

5.5 加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)支持

網(wǎng)絡(luò)信號是連接智能監(jiān)測系統(tǒng)的脈絡(luò)，因此提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性是鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)完善的首要步驟。相關(guān)技術(shù)人員在智能監(jiān)測系統(tǒng)的建立和維護(hù)工作中要通過網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化來重點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)備之間的互聯(lián)程度，使設(shè)備能夠在良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中實(shí)現(xiàn)完美的互聯(lián)。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建設(shè)的過程當(dāng)中，工作人員要將細(xì)節(jié)層面的重點(diǎn)放在共享數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)的監(jiān)測上，一旦故障發(fā)生時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備互聯(lián)建立起快速響應(yīng)的機(jī)制，從而能夠在第一時(shí)間內(nèi)利用設(shè)備信息之間的交互確定故障發(fā)生的位置，并對相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，最終實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測系統(tǒng)的性能優(yōu)化。

5.6 提高數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)性和規(guī)范性

在鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用過程中，需要針對系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和規(guī)范性管理作出科學(xué)的分析，只有信號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和規(guī)范性得到了保障，這樣才能滿足信號系統(tǒng)的運(yùn)行控制需求，提高信號系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。例如，在鐵路信號系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用過程中，相關(guān)人員依照系統(tǒng)調(diào)度應(yīng)用需求，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)運(yùn)算分析，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)行的協(xié)調(diào)性和規(guī)范性體現(xiàn)出來。通過時(shí)差和錯(cuò)位調(diào)度法應(yīng)用，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)的調(diào)度協(xié)調(diào)性表現(xiàn)出來，科學(xué)的為列車分配調(diào)度信息，從而提高列車調(diào)度運(yùn)行效果，提升鐵路系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行質(zhì)量[4]。

5.7 提高數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性及抗干擾能力

鐵路信號與信息的高效傳遞和接收需要相關(guān)技術(shù)設(shè)備具備良好的抵抗各類干擾因素的能力。監(jiān)測技術(shù)需要具備能夠?qū)崟r(shí)獲取設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的能力。通過實(shí)行對鐵路系統(tǒng)的全覆蓋模式，對列車運(yùn)行中的信號傳遞和整個(gè)傳送過程施加有力的技術(shù)支持和保證。讓信號能夠準(zhǔn)確清晰的在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之中實(shí)現(xiàn)高速傳遞，既需要保障信號傳遞的及時(shí)性，也要確保信號傳遞的完整性和有效性，防止在信號傳輸過程中受到各種其他來自外界環(huán)境和其他因素的干擾。列車調(diào)度指揮人員需要通過控制中心來實(shí)時(shí)匯總所有的信息信號，對這些信號實(shí)行實(shí)時(shí)、高效的監(jiān)測是必不可少的，這樣才能充分地發(fā)揮出全覆蓋模式的關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行的合理管理和控制。

總而言之，鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展過程中起到越來越重要的作用?，F(xiàn)代鐵路信號系統(tǒng)對智能化技術(shù)要求越來愈高，以往的人工判斷故障模式已不能滿足現(xiàn)階段鐵路運(yùn)行的需求，我們需要搭建與現(xiàn)代信號系統(tǒng)相匹配的綜合智能化電務(wù)監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建立有助于提高鐵路信號的監(jiān)測水平、綜合智能分析能力以及輔助決策能力。搭建一個(gè)先進(jìn)的鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)需要將技術(shù)與鐵路的運(yùn)營需求相結(jié)合，提出合理的改進(jìn)方法以及完善措施，重點(diǎn)研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、智能化分析與應(yīng)用技術(shù)[5]。