城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)研究

李守輝，趙樹洋

（青島地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，山東青島 266035）

隨著我國(guó)軌道交通事業(yè)的發(fā)展，很多先進(jìn)技術(shù)開始被應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)中，其中信號(hào)系統(tǒng)是整個(gè)軌道交通系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，控制著整個(gè)交通的順利運(yùn)行，所以，對(duì)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)進(jìn)行充分研究意義重大。

1 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

CBTC（Communication-Based Train Control）和TACS（Train Automatic Control System）是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中常用的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)基于通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)控制和監(jiān)控。CBTC 系統(tǒng)利用無(wú)線通信技術(shù)，將列車與信號(hào)設(shè)備間的通信實(shí)現(xiàn)無(wú)線化，極大提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院托?。其通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車位置和速度等信息，可實(shí)現(xiàn)列車的精確控制和調(diào)度，提高了軌道交通的運(yùn)行效率和安全性。TACS系統(tǒng)是一種基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，其通過(guò)無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)駕駛和控制。其可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車的位置、速度和運(yùn)行狀態(tài)等信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)行計(jì)劃和安全規(guī)則，自動(dòng)控制列車的運(yùn)行和停車，其還可以提高列車的運(yùn)行效率和安全性，減少人為操作的錯(cuò)誤和事故風(fēng)險(xiǎn)。CBTC 和TACS 系統(tǒng)的引入，使得軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行更加智能化和自動(dòng)化，并通過(guò)無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了列車的精確控制和調(diào)度，提高了軌道交通的運(yùn)行效率和安全性，為乘客提供了更加便捷和可靠的出行體驗(yàn)。

2 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題

軌道交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的一些問(wèn)題會(huì)影響交通的安全性、效率和準(zhǔn)時(shí)性，以下為常見的一些問(wèn)題。

（1）信號(hào)故障。信號(hào)燈模式作為后備模式，在自動(dòng)運(yùn)行模式下處于長(zhǎng)滅狀態(tài)，即在自動(dòng)運(yùn)行模式下，信號(hào)燈將不會(huì)發(fā)出任何信號(hào)，保持燈光長(zhǎng)時(shí)間熄滅。這種模式通常用于緊急情況或其他需要暫時(shí)關(guān)閉信號(hào)燈的情況。在這種模式下，駕駛員需要依靠其他交通標(biāo)志和規(guī)則來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航和行駛。

（2）信號(hào)沖突。在軌道交通系統(tǒng)中，不同線路的列車可能會(huì)在交叉口或分岔口處相遇，如果信號(hào)系統(tǒng)不能正確判斷列車的位置和行駛方向，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)沖突，增加事故的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）信號(hào)延遲。軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的信號(hào)燈或者信號(hào)機(jī)出現(xiàn)延遲問(wèn)題，即信號(hào)的切換速度較慢，導(dǎo)致列車的行駛速度受限，影響交通的準(zhǔn)時(shí)性和效率。

（4）信號(hào)優(yōu)化。軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的信號(hào)燈或信號(hào)機(jī)的設(shè)置不夠科學(xué)合理，使得交通流量難以得到最優(yōu)化的調(diào)度，造成交通擁堵或交通流動(dòng)性差的問(wèn)題出現(xiàn)。

（5）信號(hào)通信。軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的信號(hào)設(shè)備間需要進(jìn)行通信，如果通信系統(tǒng)存在故障或不穩(wěn)定，造成信號(hào)信息傳遞不及時(shí)或錯(cuò)誤，將影響交通的安全性及準(zhǔn)時(shí)性。

（6）信號(hào)人為操作錯(cuò)誤。軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的操作人員會(huì)出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，例如誤判信號(hào)、誤操作信號(hào)設(shè)備等，導(dǎo)致列車的行駛方向錯(cuò)誤或信號(hào)顯示錯(cuò)誤，增加了事故風(fēng)險(xiǎn)。

為解決以上問(wèn)題，需要對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，并加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)監(jiān)督，以確保軌道交通的安全、高效、準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行。

3 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)

3.1 保護(hù)數(shù)據(jù)完整性

數(shù)據(jù)完整性保護(hù)在CBTC/TACS 通信中至關(guān)重要，因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)包含了列車位置、速度、指令等關(guān)鍵信息。如果數(shù)據(jù)被篡改或丟失，會(huì)導(dǎo)致列車運(yùn)行出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，甚至造成事故。為確保數(shù)據(jù)的完整性，可采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)。數(shù)據(jù)加密是一種將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為密文的過(guò)程，只有具備解密密鑰的合法接收方才能解密并使用數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)加密傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，即使被攻擊者截獲，也難以解密和篡改數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)加密技術(shù)可采用對(duì)稱加密或非對(duì)稱加密。對(duì)稱加密使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密，速度較快，但密鑰的安全性需要得到保證。非對(duì)稱加密使用公鑰和私鑰進(jìn)行加密和解密，安全性較高，但速度較慢。在CBTC/TACS 通信中，可根據(jù)實(shí)際需求選擇適合的加密算法和密鑰管理方式。除數(shù)據(jù)加密，還可采用數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)技術(shù)，其是通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)的校驗(yàn)值，并將其與接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否被篡改。常用的數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)算法包括CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）和哈希函數(shù)等。綜上所述，保護(hù)數(shù)據(jù)完整性是CBTC/TACS 通信中的重要任務(wù)。通過(guò)采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)和數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)技術(shù)，可有效防止數(shù)據(jù)被篡改或丟失，確保通信的安全性和可靠性。

3.2 列車控制系統(tǒng)

（1）列車控制系統(tǒng)依賴于準(zhǔn)確的位置和速度信息，使用各種傳感器和測(cè)量設(shè)備，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取列車的位置和速度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)娇刂浦行?，用于?jì)算列車間的安全間隔，并確定適當(dāng)?shù)男盘?hào)燈狀態(tài)。

（2）列車控制系統(tǒng)按照列車的位置和速度信息，自動(dòng)調(diào)整信號(hào)燈的狀態(tài)。當(dāng)列車接近一個(gè)信號(hào)燈時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)列車的速度和位置，判斷是否需要改變信號(hào)燈的狀態(tài)，如果列車需要減速或停車，系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地改變信號(hào)燈為紅色，以防止其他列車進(jìn)入同一區(qū)段。相反，如果列車能夠安全地繼續(xù)前進(jìn)，系統(tǒng)會(huì)將信號(hào)燈改為綠色，允許列車通過(guò)。

（3）列車控制系統(tǒng)能根據(jù)列車的位置和速度信息，進(jìn)行列車的調(diào)度和優(yōu)化，系統(tǒng)按照列車的實(shí)際運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整列車的運(yùn)行速度和位置，以最大程度地提高列車的運(yùn)行效率和安全性。例如，系統(tǒng)通過(guò)列車的實(shí)際到達(dá)時(shí)間和預(yù)定的發(fā)車時(shí)間，調(diào)整列車的運(yùn)行速度，以確保列車能夠按時(shí)到達(dá)目的地。

（4）列車控制系統(tǒng)可與其他列車控制系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行通信協(xié)調(diào)，通過(guò)與其他系統(tǒng)的無(wú)縫集成，其能充分協(xié)調(diào)列車間的運(yùn)行，防止碰撞和其他安全問(wèn)題的發(fā)生。

總之，列車控制系統(tǒng)是一種關(guān)鍵的技術(shù)系統(tǒng)，可通過(guò)使用信號(hào)系統(tǒng)控制列車的運(yùn)行速度和位置，以確保列車間的安全間隔。該系統(tǒng)利用列車的位置和速度信息，自動(dòng)調(diào)整信號(hào)燈的狀態(tài)，從而保證列車的安全運(yùn)行。通過(guò)準(zhǔn)確的位置和速度信息、自動(dòng)調(diào)整信號(hào)燈狀態(tài)、列車調(diào)度和優(yōu)化及與其他系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，列車控制系統(tǒng)能夠提高列車的運(yùn)行效率及安全性。

3.3 防護(hù)裝置

道岔鎖閉裝置是一種常見的防護(hù)裝置，被安裝在軌道上的道岔處，其主要功能是防止列車在道岔處發(fā)生脫軌事故，當(dāng)列車接近道岔時(shí)，道岔鎖閉裝置會(huì)自動(dòng)鎖定道岔，確保其保持在正確的位置，這樣，即使列車以較高的速度通過(guò)道岔，也不會(huì)發(fā)生脫軌的危險(xiǎn)。信號(hào)系統(tǒng)中的緊急制動(dòng)裝置也是一種重要的防護(hù)裝置。在緊急情況下，如列車發(fā)生故障或遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，緊急制動(dòng)裝置可迅速停車。該裝置通過(guò)與信號(hào)系統(tǒng)相連，可及時(shí)接收緊急停車指令，一旦接收到指令，緊急制動(dòng)裝置會(huì)立即啟動(dòng)，施加大力矩到列車的制動(dòng)系統(tǒng)上，使列車能夠迅速停下來(lái)，以避免任何潛在的危險(xiǎn)。此外，防護(hù)裝置還包括其他技術(shù)設(shè)備，如列車防撞裝置和列車防火裝置。列車防撞裝置通過(guò)使用傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可檢測(cè)列車間的距離和速度差異。一旦檢測(cè)到潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，防撞裝置會(huì)自動(dòng)觸發(fā)緊急制動(dòng)裝置，以避免碰撞事故的發(fā)生。而列車防火裝置則通過(guò)使用火災(zāi)探測(cè)器和自動(dòng)滅火系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并撲滅列車上的火災(zāi)，保護(hù)乘客的生命安全?？傊?，防護(hù)裝置在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其通過(guò)使用先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，可確保列車和乘客的安全。道岔鎖閉裝置、緊急制動(dòng)裝置、列車防撞裝置和列車防火裝置等都是防護(hù)裝置的重要組成部分，共同工作，以確保軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的通信技術(shù)，使列車可向信號(hào)控制中心報(bào)告自身的位置和狀態(tài)，包括列車的準(zhǔn)確位置、速度、加速度及其他相關(guān)參數(shù)。通過(guò)及時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，信號(hào)控制中心能夠準(zhǔn)確了解列車的運(yùn)行情況，從而做出相應(yīng)的調(diào)度及控制決策。同時(shí)，通信系統(tǒng)允許信號(hào)控制中心向列車發(fā)送指令和警告信息，包括列車的行駛速度、停車位置、換軌指示等。通過(guò)及時(shí)傳遞這些指令，信號(hào)控制中心能夠?qū)崟r(shí)控制列車的運(yùn)行，保證列車按照預(yù)定的路線和時(shí)刻表運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)高效的通信，通信系統(tǒng)嘗試融入多種技術(shù)手段，其中包括無(wú)線通信技術(shù)，如無(wú)線電通信和衛(wèi)星通信，以及有線通信技術(shù)，如光纖通信和電纜通信。通信系統(tǒng)還具備一定的容錯(cuò)能力和安全性，可通過(guò)冗余設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)加密等手段，提高系統(tǒng)的可靠性及安全性?？傊壍澜煌ㄐ盘?hào)系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)可通過(guò)實(shí)現(xiàn)列車與信號(hào)控制中心間的高效信息交換，確保列車運(yùn)行的安全性和順暢性。通過(guò)及時(shí)傳輸列車的位置和狀態(tài)信息，以及向列車發(fā)送指令和警告信息，通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的實(shí)時(shí)控制與調(diào)度，提高軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率及安全性。

3.5 故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)

故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傳感器能夠監(jiān)測(cè)信號(hào)設(shè)備的電氣參數(shù)、溫度、振動(dòng)等關(guān)鍵指標(biāo)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理，系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷出信號(hào)設(shè)備是否存在故障。一旦故障被檢測(cè)到，故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)會(huì)立即通過(guò)聲音、光線、文字等多種形式進(jìn)行報(bào)警，以確保相關(guān)人員能夠及時(shí)獲得故障信息。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)將故障信息傳輸給維修人員，以便他們迅速響應(yīng)并進(jìn)行修復(fù)工作。在故障修復(fù)過(guò)程中，故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。系統(tǒng)會(huì)按照故障類型和位置，提供詳細(xì)的診斷信息，幫助維修人員快速定位故障原因，同時(shí)，系統(tǒng)還能夠提供修復(fù)方案和操作指導(dǎo)，以確保修復(fù)工作的高效進(jìn)行。此外，故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)記錄和分析功能，系統(tǒng)會(huì)將故障發(fā)生的時(shí)間、位置、原因等信息進(jìn)行記錄，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)故障的規(guī)律和趨勢(shì)，可為信號(hào)設(shè)備的維護(hù)和改進(jìn)提供有價(jià)值的參考?？傊收蠙z測(cè)與診斷系統(tǒng)是確保軌道交通信號(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要技術(shù)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)報(bào)警和修復(fù)，系統(tǒng)能夠保證信號(hào)系統(tǒng)的可靠性和安全性。同時(shí)，系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)記錄和分析功能，可為信號(hào)設(shè)備的維護(hù)和改進(jìn)提供有力支持。

3.6 數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要作用。該系統(tǒng)通過(guò)收集和分析列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，全面評(píng)估信號(hào)系統(tǒng)的性能和安全性，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深入分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

（1）數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集列車運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，包括列車位置、速度、加速度、制動(dòng)力等。這些數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行采集，并以數(shù)字化的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地記錄列車的運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供可靠的基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)展開深入分析。運(yùn)用各種數(shù)據(jù)分析算法和模型，系統(tǒng)可從海量的數(shù)據(jù)中提取出有價(jià)值的信息。例如，分析列車的運(yùn)行速度和加速度數(shù)據(jù)，評(píng)估信號(hào)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確性。同時(shí)，分析列車的位置數(shù)據(jù)，檢測(cè)列車是否存在偏離軌道的情況，以及評(píng)估信號(hào)系統(tǒng)的位置控制能力。

（3）數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)通過(guò)比對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行異常檢測(cè)和預(yù)警，并建立一系列的數(shù)據(jù)模型和規(guī)則，用于監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，以便相關(guān)人員能夠采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，從而有效提高信號(hào)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（4）數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)可為信號(hào)系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供有力支持，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的回顧和分析，發(fā)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題和瓶頸，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案。同時(shí)，系統(tǒng)能夠模擬不同的運(yùn)行場(chǎng)景，評(píng)估改進(jìn)方案的效果和影響，幫助工程師和決策者做出科學(xué)的決策，提高信號(hào)系統(tǒng)的性能和效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要，對(duì)于保障乘客和行人的生命安全具有重要意義，需要不斷加強(qiáng)研究和創(chuàng)新，以確保軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的安全性能不斷提升。