马海民

(中国中铁一局集团有限公司，西安 710054)

1 概述

1.1 城市轨道交通系统特点和发展现状

城市轨道交通以速度高、大运量、营运准时、无拥堵、专用轨道、换乘方便、安全舒适、节能环保、充分利用城市地下及地上空间等为主要特点，在拓展城市规模、提高城市居民流动性、促进城市郊区不断发展、带动城市经济效益、有效抑制公共交通阻塞，方便城市居民出行等对城市发展具有重要意义。

国内城市轨道发展迅速。上世纪50 至80 年代，城市轨道交通的建设以战备为主。另外，兼顾了交通运输的要求，其里程大致为50.9 km。后续发展到2019 年9 月，全国主要城市的轨道交通里程达到6 333 km，2020 年初，城市轨道交通总里程突破6 600 km。

1.2 城市轨道交通系统信号系统及其发展

城市轨道交通信号系统的本质是一个以计算机技术为基础的复杂控制系统，在保证列车运行安全和提升运行效率方面，其主要对当前时间、环境、线路和信号指示等状况进行实时采集和监控，并根据这些信息进行列车相关控制。是典型的软硬件结合的电子技术装备。其目标是对轨道交通行车进行调度，并分析控制可能的运行冲突和潜在风险。信号系统在解决运行调度问题时，本质是一个全局的优化问题，要求信号系统必须实时对列车调度的多方面信息进行监控，并按照既定的调度计划进行列车运行方向和动作道岔的切换，生成指导性的行车凭证,指导列车司机的行车决策。

目前，城市轨道交通轨道交通信号系统逐渐由集中式控制、人工驾驶阶段向分散式控制、自动驾驶方向发展，控制和调度功能复杂，是一种软硬件结合的结构。城市轨道交通提速战略的实施，主要应当从提升列车运行速度、提高列车运行密度、提高列车运行效率等方面考虑[1-3]。提高轨道交通信号系统的可靠性是一项重要任务。

2 国内轨道交通信号系统相关技术

信号系统在近些年的逐步发展过程中，已经在安全、效能、运营管理、节能减排方面有了明显的功能保障，其包含如图1 所示的部分，通过这些部分的协调配合，为轨道交通的稳定运行提供了保障。

图1 现有信号结构图Fig.1 Signaling structure diagram

安全保障功能：主要包括列车行车的安全和乘客的乘坐安全两方面。其主要为驾驶司机提供相应的信号来防止冒进以及准确进行道岔导向控制，信号系统在传统信号指示的基础上，提供了持续的速度保护，可以有效的避免列车行进的冲突问题。而列车在乘客上下车时，可根据这些控制信息，合理的控制开关门的时间和加减速的加速度，保障乘客的乘坐舒适和安全。

运输效能保障功能：城市轨道交通列车不仅需要保证安全平稳，还要尽可能的考虑经济效益。信号系统的使用：一方面提高了同等其他条件下的列车运行速度。另一方面则提高了列车运行的密度，最终明显的提升轨道交通的运输效率。轨道交通闭塞，大致经历了从半自动站间闭塞到站间自动闭塞、固定闭塞，再到准移动闭塞和移动闭塞的阶段。它的发展大大缩短了列车的整体运行时间间隔，使列车运行时间间隔由原来的几十分钟变成几分钟。轨道交通信号系统的应用，有助于大幅度提高铁路列车的运输效率。

运营管理服务功能：轨道交通信号系统是由多个信号设备组成的复杂网络系统结构，其对于列车运行的方方面面均可进行信息采集、传输、存储、管理。运行管理人员根据实时采集的信息，可以方便的管理列车运行。并根据运行状况制定相关运行计划，保障安全，提高运力，节约成本。而随着自动驾驶的逐步实现，系统化的行车管理将有效提高运营服务的管理水平。

节能减排功能：节能减排是当代一个重要的话题，轨道交通信号系统结合自动驾驶技术，将有效的减少列车行进的能源消耗。列车牵引力的控制将根据线路合理配置，一方面保障了列车行进曲线段时的安全，另一方面又降低牵引能源消耗，在节能减排方面起到了举足轻重的作用[4-6]。

3 面向新技术条件下的城市轨道交通信号系统发展

近几年，随着5G 通信、人工智能、物联网技术等的飞速发展，城市轨道交通信号系统也将逐步融合这些新技术，提高其在安全性要求、智能性互联、高效运营方面的特性。例如新型“车—车互联信号控制系统”[7]，其相比目前的CBTC 而言，通信架构采用了车车互联的架构，大幅提升列车运行效能，使得列车发车间隔大幅降低，有效缩减了列车运行成本。如何应用这些新技术，走在世界轨道交通发展的前沿，使得城市轨道交通信号系统更加适应轨道交通里程日益剧增的环境，是当下需要重点思考的问题。

3.1 形成泛在网络

基于泛在通信网的自主式列控系统：城市轨道交通系统中的每列车、地面设备以及障碍物等都可以作为通信节点，网络内任意节点间可以发起通信。相当于列车不仅可以给列控中心发送数据，也可以直接将列车位置信息发送给其他列车，从而增加通信链路和安全信息的冗余。即使其中一路信息发生丢失或产生错误，其他链路也能将列车信息以及障碍物信息传送至各列车，使得各列车能够实现自主的多维信息闭环安全控制。

在现有GSM-R 基础上，研发先进LTE-R 无线通信技术、5G 技术的轨道交通应用。如表1 所示展示新型通信技术的特性对比，应用新型通信技术，将提升通信网络的可靠性、降低通信信息交互延迟、降低结构复杂度。

表1 不同通信技术的特性对比Tab.1 Comparison of the characteristics of different communication technologies

1) 提升通信网络的可靠性

无论是车与列控中心的通信,还是列车与列车之间的通信，高可靠性、大容量传输特性、实时传输特性、支持双向实时传输特性都是极其重要的。使用新一代的通信技术，可通过建立独有的通信设备、划定特定的通信频率、采用特定的通信编码来提升行车通信网络的可靠性。

2) 降低通信信息交互延迟

使用新型通信技术，技术本身提供了对列车通信网络的支持。《城市轨道交通装备技术规范》中规定，通信系统单路单向传输的延迟小于150 ms 的概率应大于98%，小于2 s 的概率应大于99.92%。目前使用LTE 通信技术，可以将延迟显著降低。若采用5G 技术[8]，将有效降低延迟至1 ms 以内，进一步提升系统可靠性，保障列车行车安全。

3) 降低结构复杂度

目前的CBTC 系统为防止设备发生故障，会设计两条独立的车地通信网络，作为冗余通信保障。当一条网络通信故障时，另一条会发挥其功能。但缺点也是显而易见的，大规模的通信线路被铺设在轨道周边，使得轨道建设的成本大幅提升，后期的设备维护也较困难。而5G 通信在这方面使用了一种端到端的通信技术，其不再需要中间基站的通信中转，5G 通信可以作为列车的冗余通信配置，当轨道周边设备发生故障时，5G 通信即可接管列车与列车或者列车与列控站的通信，从而保证列车在轨道周边设备发生故障时的行车安全，避免列车行车冲突。

5G 技术的应用，可靠的保证网络通信的抗干扰能力，其主要是采用自组织网络和多跳技术。网络中的通信设备，可以当做网络其他设备的网络中继，当某个基站出现设备故障或网络信号不佳的情况下，网络可以保证正常的通信。

3.2 面向等保2.0的信息安全

随着《中华人民共和国网络安全法》的正式实施，国内进入网络安全建设新时代。目前，信号系统网络安全并未受到高度重视，即便进行了网络安全防护建设，但是业务现场仍处于传统的被动的安全防护阶段，主要采用“封、堵、查、杀”的方式筑起安全防线。面对新形势下有目的性的新型网络攻击，必须调整安全建设思路，在网络和信息系统安全防护被攻击之前，构建主动防御体系，保障城市轨道交通信息基础设施的运行安全。

目前，既有信号系统的安全防护大部分仅限于采用传统防火墙、防病毒等初级的防护措施。传统防火墙主要进行两网之间的逻辑分区隔离控制，主要是访问控制、安全域管理等功能。但传统防火墙不能理解工业控制协议的支持，一般不加载工业协议解析模块，传统防火墙的架构不能很好适应工业网络实时性和生产环境的要求。

另外，目前国内轨道交通信号系统无安全认证机构，安全认证体系还未建立，信号系统的安全保证存在较大的不确定性和风险。

3.3 信号系统的节能运行设计

信号系统的节能运行设计包括两方面内容：

1）ATS 子系统的调度节能设计；

2）ATO 子系统的节能运行曲线设计。

在轨道交通工程中，信号系统设计应在保证列车运营绝对安全的前提下，尽最大可能去满足轨道交通系统的运营能力要求，以及保证以人为本的优质服务。但在保证运营能力的同时，也应考虑最佳能量消耗，节省运营成本，节约能源和更有效地保护环境。

ATS 节能调度运营设计主要是合理编制高峰和非高峰各运营时段的列车基本运行图，并根据主控系统ISCS 提供的AFC 客流统计数据进行运量分析，对各运营时段的基本运营图进行修正。以更好地在满足运营能力要求的前提下，合理安排列车运行，减少不必要的上线运行列车数量，达到节约电能的目的，找到服务质量和运营成本以及节约能源的合理平衡点。同时在基本运行图的编制过程中应结合供电牵引网的布置，在满足规定的行车间隔和旅行速度要求的前提下，尽可能将同一供电臂内的运行列车数减少到最小，以达到节约电能的目的。

信号系统节能设计最重要的是考虑ATO 行车曲线设计。即ATO 子系统在ATP 子系统的安全保护下，以规定的区间运行时间和车站停车时间为划分目标，根据区间线路数据，合理控制列车在区间内的加速、巡航、怠速和制动，以达到最佳的能耗，恢复正常的服务。

在ATO 子系统的驾驶曲线设计中，应考虑正常驾驶曲线、赶点调整驾驶曲线、低成本方式的节能驾驶曲线。3 种驾驶曲线比较如图2 所示。其中，曲线A 表示列车在区间赶点运行时的速度距离曲线，其特征是所采用的加速率大、减速率大，巡航和惰行时间短。整个区间的走行时分短。曲线B 表示在正常区间运行时分要求的速度距离曲线，其特征是所采用的加速率适中、减速率适中，巡航和惰行时间适中。整个区间的走行时分满足运行图规定的提高牵引计算的合理的时间。曲线C 表示列车在区间节能运行时的速度距离曲线，其特征是所采用的加速率小、减速率适小，巡航和惰行时间长。整个区间的走行时分较运行图规定的正常时间要长。

图2 三种驾驶曲线比较图Fig.2 Comparison of the three driving curves

在系统设计时，应采用良好的节能曲线和列车运行图，并通过仿真测试等手段建立列车运行图。随着运行的实践，分析和积累AFC 系统提供的客流运行数据，进一步修正列车基本运行图。

3.4 面向自动驾驶

根据 IEC 62290-1, 轨道交通自动运行分为5级，如图3 所示。

图3 自动驾驶分级标准Fig.3 Automatic train operation rating criteria

目前，全球约有110 条城市轨道交通线路采用自动驾驶技术。具有性能稳定、负荷变化小、速度曲线变化小、运行条件简单、制动距离短等诸多优点。然而，目前世界上的干线铁路和高速铁路仍以驾驶员驾驶为主，乘客的自动驾驶心理适应能力仍有待提高。辅助驾驶和自动驾驶节能降耗是未来轨道交通的发展趋势。

3.5 城市轨道交通信号系统智能运维

目前，城市轨道交通信号系统的运营维护仍然停留在实时监测和计划检修结合的阶段，需要引入新型的运维手段和技术，使信号系统运维迈向智能化、网格化的层面。智能化运维，是人工智能技术在自动化运维中的实践，主要采用机器学习和深度学习技术。一方面，对信号系统实时采集的数据进行数据挖掘、数据处理、结果预测；另一方面，则能够实时生成服务于运营管理人员的运营管理意见[9]。

机器学习和深度学习近几年取得了十足的进展，具体在轨道交通系统的应用中，主要是以数据的挖掘和分析为主。通过对信号系统设备的信息实时采集，形成数据库的分析，提供如下功能的运营管理帮助：故障诊断预测、组网策略优化、潜在趋势分析等。

故障诊断预测：通过使用机器学习或深度学习模型，对前期发生故障的信号数据进行学习训练，学习出一系列可能发生故障的模型参数。通过这些参数和后期新数据的实时输入，即可产生信号系统设备是否发生故障的预测结果。对于一些人工尚不能发现的特征，深度学习技术可以进行准确的提取。不同于以往的专家经验，通过对数据的分析，可能发现以往人们忽视的潜在安全隐患。例如，在对道岔动作电流的实时监测过程中，通过对大量样本数据的训练学习，在标准动作电流范围内，训练出更加符合现场道岔动作电流变化的模型。对于特定的一组道岔，模型可以给出道岔在正常情况下的动作电流范围，这个范围对于故障诊断将具有特殊的意义。

组网策略优化：使用机器学习模型，输入先期列车组网运行数据及最终运输运力数据，可训练出能对列车调度方案和最终运力大小产生映射的关系模型。这种通过人工智能方法寻找全局最优解的方案，将有效帮助运营管理人员制定更加合适的列车调度计划。

潜在趋势分析：采用数据挖掘技术，对前期大量列车运行数据进行挖掘，可以寻找到一些人工难以发现的潜在趋势的数据特征。针对这些数据进行分析，可显著的提高信号系统的稳定性、可靠性。

4 结束语

随着国内城市轨道交通总里程的逐步提升、新一代技术的逐步发展，列车运行的动态调度和列车运行的控制之间的协调性将进一步提升，逐步实现动态调度和运行控制的一体化，这是未来城市轨道交通发展的必然趋势。

国内城市轨道交通庞大的运营规模、复杂的装备体系、大体量设施设备的更新改造，都涉及城市轨道交通信号系统的运维管理，并带来巨大的挑战。越来越多智能化、计算化、数据化、网络化的新兴技术将对轨道交通信号系统进行融合，这是未来提升城市轨道交通信号系统运维效率和效能的必经之路。这些发展将从根本上改变轨道交通系统的运营管理模式和机制，提高轨道交通系统的安全、效率和服务水平。