城市軌道交通通信與信號控制研究

謝毅松

摘要 文章基于城市軌道交通通信原理，提出了信號控制措施和發(fā)展建議。研究結果顯示，在城市軌道交通通信系統(tǒng)的信號控制過程中，需要科學合理構建ATO系統(tǒng)的控制模式，采用ATS系統(tǒng)控制的方法，積極運用無線通信技術、物聯(lián)網技術、現代化定位技術和智能化技術，科學采用大數據技術，以提升信號控制效果，提高整體的通信水平。

關鍵詞 城市軌道交通；通信；信號控制

中圖分類號 U239.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0174-03

0 引言

城市交通領域中所采用的通信信號系統(tǒng)作用在于確保列車運行的穩(wěn)定性和安全性，改善列車控制和指揮的水平，具有一定的重要意義。為進一步發(fā)揮通信信號系統(tǒng)的作用價值，應重點結合城市軌道交通信號控制的特點，完善通信控制的模式和體系，為相關系統(tǒng)的良好運行和發(fā)展夯實基礎。

1 城市軌道交通通信原理

1.1 城市軌道交通通信架構

目前我國城市軌道交通通信系統(tǒng)的架構如圖1所示，列車通信子系統(tǒng)用于列車與地面基站或車站之間的無線通信，主要涉及無線電臺和天線等設備，其中的列車通信控制器負責控制列車通信設備的工作狀態(tài)和通信連接，實現與地面通信的功能。地面通信子系統(tǒng)中的地面基站部署在軌道線路沿線或車站附近的基站，負責與列車進行通信連接，提供實時通信服務；通信控制中心則是集中管理地面通信子系統(tǒng)的控制中心，負責控制和監(jiān)控地面通信設備的工作狀態(tài)和通信連接。車站通信子系統(tǒng)中的車站通信設備主要涉及車站無線通信設備、通信控制器等，用于與列車進行通信連接，提供列車到站、出站等信息；車站通信控制中心負責控制和管理車站通信子系統(tǒng)的控制中心，保證車站通信設備的正常運行和通信連接的穩(wěn)定性。通信網絡中的無線通信網絡為列車和地面基站之間提供無線通信連接的網絡，采用各種無線通信技術，例如GSM-R、LTE等；有線通信網絡為通信子系統(tǒng)提供有線連接的網絡，例如光纖、以太網等，用于數據傳輸和通信控制?？刂婆c管理系統(tǒng)中的通信控制中心是負責控制和管理整個通信系統(tǒng)的控制中心，主要涉及列車通信、地面通信和車站通信等子系統(tǒng)的控制；運維管理系統(tǒng)則用于對通信設備進行運維管理，具有設備狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和維護等功能，能夠保障通信系統(tǒng)的正常運行。

1.2 技術原理的案例分析

某城市軌道交通“地鐵”工程采用具備ATC自動控制功能的通信系統(tǒng)，其中主要涉及微機聯(lián)鎖、自動化防護和自動化駕駛等，技術的先進性較為明顯。同時該工程的車輛段信號連鎖設備主要如圖2所示：

在該地鐵工程中通信系統(tǒng)的功能是將維護行車安全作為基礎，應在進路的區(qū)域進行信號機的防護，一旦道岔的位置出現了偏差、進路有其他列車，都可以確保進路信號機設備具有一定的封閉性，以禁止列車通行，維護列車安全。同時該工程中的通信系統(tǒng)，是按照道岔情況和進路情況，根據信號的使用需求進行設備的連鎖設計。例如某進路處于開放狀況，可以全面進行進路位置的道岔規(guī)整處理，確保位置的準確性，同時開啟進路信號的設備；此外，在對進路方面具備一定防護性能信號設備進行開啟的過程中，區(qū)域之內的所有道岔都必須關閉，無須使用扳動的方法。

2 城市軌道交通通信信號控制的措施

2.1 ATO系統(tǒng)控制

2.1.1 信號分級速度控制

技術人員需要按照軌道交通線路的設計、道路狀況和列車運行要求，設置不同的速度限制，使得列車在不同區(qū)段按照設定的速度運行；然后結合列車的運行特性和軌道條件，制定適當的速度曲線，保證列車在不同區(qū)段按照曲線速度運行；最后采用列車上的傳感器和信號系統(tǒng)，監(jiān)控列車的實時速度并與設定的速度進行比較，及時警示和控制列車的速度，確保列車在安全范圍內運行。

2.1.2 目標信號控制

按照列車的運行計劃和線路情況設置目標信號，指示列車前方的運行情況和目標位置；然后利用ATO系統(tǒng)控制列車的運行速度和停車位置；最后結合列車的實際運行情況和信號系統(tǒng)的反饋，及時更新目標信號，保障列車在運行過程中得到準確的目標指示。

2.1.3 閉塞控制

結合軌道交通線路的設計和安全要求確定閉塞區(qū)段，劃分不同的運行區(qū)域；然后在閉塞區(qū)段的入口和出口設置閉塞信號，通過信號系統(tǒng)控制列車的進入和離開，確保列車在閉塞區(qū)段內按序運行；最后利用信號系統(tǒng)和軌道檢測設備，實時監(jiān)控閉塞區(qū)段的占用狀態(tài)，保證列車在進入閉塞區(qū)段時不會與其他列車發(fā)生沖突。

2.2 ATS系統(tǒng)控制

2.2.1 信號集中控制

技術人員需要開發(fā)相關的信號控制中心，集中管理和控制整個城市軌道交通系統(tǒng)的信號設備和信號系統(tǒng)；然后編制信號控制策略，按照列車運行計劃、運行情況和安全要求，控制信號設備的工作狀態(tài)和信號燈顯示；最后結合列車的實時運行情況、線路狀況和運行計劃變化，利用信號控制中心對信號設備進行實時控制調整，維護列車的安全和運行效率。

2.2.2 信號集中監(jiān)視

開發(fā)相關的信號監(jiān)視中心，利用監(jiān)視中心實時監(jiān)控整個城市軌道交通系統(tǒng)的信號設備狀態(tài)、信號燈顯示和列車運行情況；配置監(jiān)視系統(tǒng)，主要涉及信號設備狀態(tài)、信號燈顯示和列車運行的監(jiān)測等，利用監(jiān)視系統(tǒng)實時獲取各個區(qū)段和車站的信號情況，同時利用監(jiān)視中心對信號設備狀態(tài)和列車運行情況進行實時監(jiān)測，發(fā)現異常情況時及時發(fā)出告警，并采取相應的處理措施，保障列車運行安全[1]。

2.2.3 信號分散控制

按照城市軌道交通系統(tǒng)的運行特點和需求，完善信號分散控制策略，將列車的運行控制分散到各個區(qū)段和車站；在各個區(qū)段和車站配置分散控制設備，包括信號設備和控制系統(tǒng)，實現對列車的分散控制；利用信號控制中心和信號監(jiān)視中心對分散控制設備進行協(xié)調和監(jiān)控，確保各個區(qū)段和車站的分散控制協(xié)調一致，避免出現沖突和混亂等問題。

3 城市軌道交通通信信號控制的發(fā)展建議

3.1 采用無線通信技術

城市軌道交通通信信號系統(tǒng)中采用無線通信技術，有助于提升信號控制水平，因此建議技術人員重視無線通信技術的應用，例如采用更高速率的5G、LTE等無線通信技術，以提高通信速度和容量，支持更多的數據傳輸和實時控制需求，保證列車與地面基站或車站之間快速、穩(wěn)定的通信連接。在城市軌道交通線路沿線或車站附近部署無線通信基站，建立覆蓋范圍廣、信號強度穩(wěn)定的無線通信網絡，使得列車在整個運行過程中都能保持與地面通信設備的連接，實現實時數據傳輸和通信控制。同時，需要為城市軌道交通通信系統(tǒng)分配專用的頻段和通信協(xié)議，提升通信的獨立性和穩(wěn)定性，采用專用頻段可以減少干擾和信號沖突，提高通信質量和可靠性；或是為列車和地面基站或車站配備高性能的無線通信設備和天線，遠距離、穩(wěn)定進行通信連接，應注意設備具備良好的抗干擾能力和信號接收能力，能夠在復雜的軌道環(huán)境和高速運行條件下保持通信穩(wěn)定。另外，在城市軌道交通通信系統(tǒng)中采取相應的通信安全措施，防止未經授權的訪問和數據泄露，例如加密通信、身份驗證和訪問控制等技術手段，以維護通信數據的機密性和完整性[2]。

3.2 采用物聯(lián)網技術

城市軌道交通通信信號控制系統(tǒng)中數據通信和物聯(lián)網技術的融合，有助于改善通信控制的有效性，技術人員可在城市軌道交通系統(tǒng)中布置各種類型的傳感器，例如溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等，實時監(jiān)測列車和設備的狀態(tài)。采用傳感器網絡將數據采集設備連接到通信網絡，對列車和設備狀態(tài)遠程監(jiān)測和管理。同時，采用物聯(lián)網技術將傳感器采集到的列車位置、速度、能耗、設備運行狀態(tài)等數據，通過通信網絡上傳至中央服務器進行集中存儲和處理，再利用數據采集和存儲對軌道交通系統(tǒng)運行情況的全面監(jiān)測和分析。采用大數據分析和人工智能技術對采集到的數據進行深入分析，提取有價值的信息和規(guī)律；在進行數據分析后，預測設備故障、優(yōu)化列車運行計劃、提高系統(tǒng)運行效率等，為決策者提供可靠的數據支持，使得管理人員做出更好的運營和管理決策。在數據通信和物聯(lián)網技術融合過程中，數據安全和隱私保護是非常重要的因素，應采取相應的數據加密、身份認證、訪問控制等安全措施，維護數據傳輸的安全性和可靠性，同時保護用戶的隱私權益[3]。

3.3 采用先進定位技術

在城市軌道交通通信信號控制系統(tǒng)中，高精度定位技術的應用可提升定位的精準性和可靠性。首先，城市軌道交通信號控制系統(tǒng)可采用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，例如GPS、北斗、GLONASS等，為列車和設備提供高精度的位置定位服務，并接收衛(wèi)星信號實時獲取列車的位置信息，以用于列車的調度和控制。其次，城市軌道交通系統(tǒng)可以采用慣性導航系統(tǒng)，配置加速度計和陀螺儀等測量列車的加速度、角速度和姿態(tài)信息，將慣性測量與GNSS數據融合，提供更高精度的位置定位，尤其在GNSS信號受阻或遮擋時仍能保持定位的連續(xù)性和準確性。再次，城市軌道交通系統(tǒng)可以采用基站輔助定位技術與地面部署的基站進行通信，獲取基站位置信息，對列車位置進行精確定位；基站輔助定位方面可提供更高的定位精度和可靠性，尤其適用于對位置要求較高的應用場景。最后，城市軌道交通系統(tǒng)利用無線信號強度定位技術，例如Wi-Fi或蜂窩網絡的信號強度定位，測量列車接收到的無線信號強度、估計列車的位置[4]；或是采用軌道地理信息系統(tǒng)，將軌道地理位置與列車位置進行關聯(lián)，實現對列車位置的精確定位，同時可開發(fā)軌道地理信息數據庫并配備相應的定位設備，對列車位置進行準確記錄和管理。

3.4 采用智能化技術

在城市軌道交通通信信號控制系統(tǒng)中采用人工智能技術，需要結合大數據分析和算法優(yōu)化，對列車的運行計劃進行智能化調度，按照分析歷史數據和實時數據預測乘客需求，優(yōu)化列車運行間隔和?？空军c，提高運行效率和乘客滿意度。采用人工智能技術對軌道交通系統(tǒng)中的設備進行實時監(jiān)測和故障預測，分析傳感器數據和設備狀態(tài)，識別潛在故障和異常情況，并及時發(fā)出警報，以便進行維修和保養(yǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。采用人工智能技術也可對城市軌道交通系統(tǒng)進行安全監(jiān)控和異常檢測[5]，利用圖像識別和視頻分析技術，實時監(jiān)測站點和車廂內的安全情況，識別異常行為和物品，及時采取措施保障乘客的安全和秩序。同時利用人工智能技術可對軌道交通系統(tǒng)中的設備故障進行診斷和處理，利用機器學習和模式識別技術，分析設備故障的特征和規(guī)律，提供準確的故障診斷和修復建議，以減少故障處理時間和成本。

3.5 采用大數據技術

大數據技術在城市軌道交通通信信號控制系統(tǒng)中的應用，可以利用各種傳感器、計算機視覺和監(jiān)控設備實時采集城市軌道交通系統(tǒng)中的數據，例如列車位置、速度、乘客數量、站點運行情況等，將相關數據存儲在大規(guī)模的數據倉庫中，用于后續(xù)分析和應用。然后采用大數據分析技術對收集到的數據進行處理和分析，借助數據挖掘、機器學習和統(tǒng)計分析等方法，對列車運行情況、人流量、交通擁堵等進行建模和預測，以優(yōu)化列車調度、提前預警故障和提供乘客服務。完成數據分析后，可基于大數據分析結果優(yōu)化軌道交通系統(tǒng)的運行調度，分析歷史數據和實時數據，預測乘客需求，優(yōu)化列車運行間隔和?？空军c，以提高運行效率和乘客滿意度。同時，結合交通網絡的情況，完善列車調度模式，減少擁堵和延誤現象；利用大數據技術，對軌道交通系統(tǒng)中的設備故障進行診斷和維修管理，分析設備的歷史數據和實時數據，識別設備的健康狀況和潛在故障，提前預警并及時進行維修和保養(yǎng)，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性[6]。

4 結語

綜上所述，近年來我國城市軌道交通通信和信號控制技術越來越成熟，為維護列車運行安全和通信效果提供了支持。因此，需要重視對城市軌道交通通信和信號控制技術的研究和應用，合理進行各類信號的控制，積極采用先進的大數據技術、無線通信技術、高精確度的定位技術等，改善通信信號的控制效果，完善通信系統(tǒng)的運行功能，增強整體工作的效果，達到預期的技術應用和開發(fā)目的。

參考文獻

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[6]成姝蓉. 高職院校軌道交通信號與控制專業(yè)應用型人才培養(yǎng)模式探討[J]. 太原城市職業(yè)技術學院學報， 2020（5）： 110-111.