轨道交通信号系统安全技术的发展与现状探究

2020-02-16

江西建材 2020年3期

湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳 421002

0 前言

轨道列车运行依托于轨道的应用，构成轨道交通系统的设备设施包括列车、桥梁隧道、轨道线路等，承担着运输乘客与货物的任务。轨道列车能否稳定运行直接影响到乘客的生命安全，为确保轨道列车的稳定、高效、安全运行，需配备完善的信号系统。而随着计算机、微电子等技术在轨道交通领域的广泛应用，促使信号系统不断升级换代，以往组成信号系统的继电逻辑、模拟电路等模式逐渐被数字化、智能化、自动化控制模式所取代。

1 轨道交通信号系统构成分析

信号系统囊括对手动、自动、远程控制技术的应用，具体组织构成包括：

1.1 目前普速铁路

基于ZPW-2000A 轨道电路的区间闭塞系统）（高铁基于GSM-R 无线通信的RBC 无线闭塞系统+ZPW-2000A 轨道电路）（地铁流行推广的是基于无线通信的CBTC 虚拟闭塞

为避免列车运行期间出现冲突现象，区间信号系统所应用的传统方法是铁路线路进行线段划分，车站内线段被称之为进路，而车站间线段称之为区间。系统运行过程中，会检查区间是否为空闲状态，即检查区间内是否有列车，确保区间空闲后会开放防护信号。此时，区间在信号开放后会处于闭塞状态，而列车在进入区间后，防护信号关闭。此防护方式的应用，可以保证仅有一辆列车在区间内运行行驶，避免区间内出现列车追踪、对向冲撞现象。在区间防护过程中，应用的信号系统为区间闭塞系统。为提升区间运输效率，可以进行区间的划分，将站间区间划分为多个闭塞分区的形式来提升区间列车运行数量，在保障行车安全的前提下，提升区间通过能力，达到缩减列车追踪间隔的目的［1］。

1.2 车站信号系统

车站信号系统主要作用是在进路始端位置设置信号防护，运行过程中需要检查进路是否处于空闲状态、检查进路之间是否存在冲突、检查道岔位置是否正确，在确保道岔位置正确，敌对进路没有建立并锁在未建立状态，以及进路处于空闲状态下，才能开放防护进路的信号机。而等到列车驶入进路后，防护进路的信号机会立即关闭。车站信号系统运行期间，涉及到联锁技术的应用，以此确保进路、道岔以及信号之间的操作顺序合理规范，并进行三者的相互制约，起到保证行车安全的作用［2］。

1.3 列车运行控制系统

该系统应用的主要作用体现为运输能力控制、运行速度控制等，地铁列车运行控制系统包括列车自动防护系统（ATP）、列车自动驾驶系统（ATO）、列车自动监控系统（ATS）三个子系统。我国高铁目前分两个等级，时速200km/h 的CTCS-2 和时速300km/h 以上的CTCS-3 列车运行控制系统。CTCS-2 由TCC 列控中心系统、ZPW-2000A 轨道电路系统、CTC 分散自律调度集中系统、列控车载设备系统、应答器、信号专用安全局域网等设备构成，CTCS-3 在CTCS-2 的基础上增设了RBC 无线闭塞中心系统、GSM-R 无线通信系统设备主要设备。

2 信号系统安全技术发展现状

信号系统的应用主要目的在于保障列车行驶安全，系统中相关安全技术的应用，可以起到避免环境破坏、人员伤亡的作用。随着科学技术的创新发展，加之民众安全意识的不断提高，促使信号系统中安全技术的应用不断升级换代。

2.1 安全概念发展

随着轨道交通事业的不断发展，安全技术得到不断的创新与优化。1825 年，英国出现第一条铁路，受限于当时技术与知识的落后，使得当时列车运行安全技术的应用十分匮乏。列车在夜间行驶过程中，只能以车站的窗口蜡烛为信号指示，灯光熄灭表示列车可以继续运行。但是因蜡烛极易受到外界因素的影响而熄灭，导致列车行驶安全事故频繁发生，如列车冒进等现象。也正因安全事故的频发，人们开始重视对安全技术的研究与探索［3］。

铁路诞生后，部分地区通过利用“打手势”的方式来控制列车运行，如单手举起表示列车运行需注意，双手举起表示列车停车等。虽然“打手势”方式的应用取得一定成效，但是存在较大应用局限，只适用于较少慢速行驶的列车，且夜晚时极易出现误判的现象。

1841 年，臂板信号机诞生，取代以往人工手势方式，白天利用臂板的形状、位置来表达运行、停车信号，而在夜晚期间，则利用灯光数量与颜色来表达控制信号。但是在实际应用过程中，受到环境、人为等因素影响，使得臂板极易出现导线折断问题，致使臂板无法正常运行，无法及时发出运行、停车的信号，导致安全事故的发生［4］。在此背景下，人们开始以安全为导向进行臂板信号机的研发，通过对臂板的改进，促使臂板在运行期间即使发生故障问题，也可以利用重力进行停车信号的恢复。此后，故障导向安全成为信号系统安全技术研发的核心原则，促使以故障-安全为核心的安全技术研发成为领域研究重点。随后，探照式三显色灯信号机于1920 年诞生，透镜式色灯信号机于1921 年诞生。

2.2 安全继电器应用

1869 年，轨道电路研发成为轨道信号领域创新发展的关键前提，依托于轨道电路的应用，自动闭塞系统被研发而出，大幅度提升列车行驶的安全性与效率性。最初的轨道电路为直流电，无法进行车地信息的传输，主要用于列车检测。随后，相继诞生工频、音频轨道电路，依托于交变电磁场的应用进行车地信号传输。分析初期轨道电路的构成，其中涉及到继电器的应用，主要作用为逻辑与执行单元。虽然继电器的应用取得一定成效，但是随着I/O 数量的持续增长，促使继电器的应用无法满足许轨道电路运行需求，存在的弊端与问题逐渐突显，如逻辑更改难度大、配线复杂等。为改进继电器的应用，人们研制出固态系统与SSI 系统，例如SSI 系统的应用，通过三取二冗余结构的构建，促使系统安全性得到提升［5］。SSI 系统本身是上世纪80年代英国推出的固态计算机联锁系统，采用的是M6800 微信计算机

2.3 计算机系统应用

随着计算机技术与轨道交通领域的融合愈发深入，信号系统安全技术得到有效创新与发展。计算机系统的融合，逐渐研发出微机联锁系统、实时通信系统等，在提升信号系统运行效果的基础上，推动信号系统朝着自动化、智能化的方向不断迈进。计算机控制系统的应用，在降低系统控制成本的同时，避免因人为因素而出现控制失误现象［6］。但是在实际应用中，计算机系统的使用无疑是一把双刃剑，在提升信号系统稳定性、效率性的同时，也对信号系统安全运行提出更高的要求。计算机系统具体组成包括软、硬件设备，其中系统硬件囊括诸多元器件，且硬件的行为状态复杂多元；而针对系统软件而言，不同程序的执行路径诸多，致使计算机系统的应用具备复杂性、精密性等特点，加大计算机系统开发难度，并且计算机系统故障问题的检测难度增大。尽管如此，随着科学技术的不断发展，计算机系统的应用仍推动着安全技术的创新，其创新的安全技术被广泛应用于信号系统中，包括：（1）故障检测诊断技术。可实现对故障的及时发展与诊断，避免因故障问题影响到系统运行。（2）容错技术。是指错误产生时，借助冗余进行影响屏蔽，并通过应用重构来缓慢的进行系统降级。冗余技术包括硬件、软件、时间、信息冗余，其中硬件冗余又包括双机热备、三取二、二乘二取二、三乘二取二冗余。