浅谈现代新兴技术在铁路信号系统的应用与发展
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作者: 王庆瑞
摘要：20世纪80年代以来，铁路信号成功地应用了微电子、现代通信、自动控制和计算机等先进技术，把过程控制、数据采集和处理等联成一体，促进了铁路运输生产和铁路运营管理现代化的发展。
关键词：计算机；通信技术；数字信号处理；全电子；
【中图分类号】U284
一、计算机技术在铁路应用的发展
随着计算机技术的迅速发展，尤其是对可靠性技术和容错技术的深入研究，计算机联锁技术已经成熟。根据各国对计算机联锁的研究和使用情况看，由于计算机在逻辑功能和信息处理方面具有很强的功能，它非常适用于车站联锁，计算机联锁是用微型计算机和其他一些电子、继电器件以及各种计算机软件组成的具有故障—安全性能的实时控制系统。计算机联锁安全可靠，处理速度快，与继电集中联锁相比具有十分明显的技术经济优势，无论在安全性、可靠性、经济型等方面都是继电集中联锁无法比拟的，具有独特的有点，而且设计、施工、维修和使用大为方便。在铁路这样恶劣工作环境下的计算机系统，对系统安全性、可靠性、可用性的要求非常高，必须使用安全计算机，以保证系统能安全、可靠、不间断地工作。而安全计算机系统的软件核心就是RTOS—Real Time Operation System（实时操作系统）。在目前的嵌入式系统中软件应用程序变得很大，使开发人员开发应用程序接口、程序档案的组织管理都变得很难，在这种情况下基于RTOS开发的程序，可以很好的保证系统的容错性和故障—安全性，因为它具有较高的可移植性，可实现90%以上设备独立，从而有利于系统故障—安全的实现。实时操作系统完成系统多任务的调度和中断的执行，这样系统的安全模块和非安全模块将会得到有效的隔离，RTOS可以很好地解决硬件冗余模块的同步问题。
二、通信技术在青藏线ITCS列车运行控制系统中的应用
随着计算机技术、通信技术、控制技术的飞跃发展，目前计算机和控制技术已经渗透到列控系统中。青藏线列车运行控制系统采用了美国GE公司基于GSM—R和GPS技术，集车站联锁、区间虚拟闭塞和列车运行控制于一体的ITCS（Incremental Train Control System）增强行列车运行控制系统。该系统大量减少了现场设备。力争达到技术一流以及无维修、少维护的要求，实现单线双方向列车追踪运行的目标。
列车运行状态及控制信息通过铁路移动通信系统GSM—R传输；全线不设轨道电路，采用以全球定位系统GPS为主、速度传感器为辅的列车定位方式；全线除7处采用计算机联锁的车站设有地面信号机、电动转辙机等轨旁设施外，其余38处采用ITCS联锁的车站仅设有电动转辙机等少量的轨旁设施，不设地面信号机；全线不设区间信号机。
闭塞方式采用基于GSM—R的无线闭塞方式，无线闭塞中心RBC的设置以车站为单位，沿线每一处车站都设有一个RBC，作为闭塞、车站信号状态及列车运行状态、列车控制、区间运行方向控制等信息的交换中心。
列车完整性检查通过列尾装置的机车部分HOT和列尾装置的列尾部分EOT之间通信实现，EOT每分钟通过专用数字电台（频率为450～480MHz）向HOT发送包括风管压力、车尾运动状态、车尾GPS定位等与列车完整性检查有关的信息，经HOT运算比较，经车载计算机综合运算，作出列车是否完整的判断。
三、数字信号处理新技术的应用
自从数字信号处理（Digital Signal Processor）问世以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生，并得到迅速的发展。由于它具有高速、灵活、可编程、低功耗和便于接口等特点，已在图形、图像处理，语音、语言处理，通用信号处理，测量分析，通信等领域发挥越来越重要的作用。模拟信号已经满足不了铁路运输提速、重载的发展。数字信号处理的可靠性、实时性凸显出很大的优点。数字信号处理分为频域分析和时域分析两种传统分析方法。在铁路信号处理中引入了新的实用技术，如ZFFT（ZOOM-FFT）、小波信号处理技术、现代谱分析技术等。轨道电路的信号发送、接受以及机车信号的接受都采用了数字信号处理技术，为铁路信号的发展起到了重要的作用。
四、计算机网络系统在分散自律调度集中（FZ-CTC）系统 中的应用
计算机网络飞速发展，企业网络化管理已成为客观要求和必然趋势。在铁路中网络对行车调度指挥系统起到了至关重要的作用。
分散自律调度集中系统是一个综合了计算机技术、网络通信技术和现代控制技术，采用智能化分散自律的设计原则，以列车运行调整计划控制为中心，兼顾列车和调车作业的高度自动化调车指挥系统。分散自律的概念最早来自日本东京圈城市铁路的控制系统。日本属于地震多发的国家，为了使调度中心在遭受地震袭击瘫痪后各个车站还能在一定时间内正常接发列车，东京圈城市铁路控制系统在各个车站设立了自律计算机，接受调度中心下达的运行计划，当与中心的通信中断后，各个车站可按照中心下达的运行计划自行接发列车。分散自律调度集中系统不同有传统的调度集中系统，它采用计算机分布式网络控制技术、信息化处理技术，将列车运行调整计划下达到各个车站自律机中自主自动地执行。结合中国铁路的实际情况和要求，分散自律调度集中系统必须在列车运行调整计划的基础上，按照车站细则，解决列车作业与调车作业在时间和空间上的冲突问题，实现列车和调车作业的统一控制。
五、其他计算机联锁技术
（1）SEI系统中的车站联锁技术
法国的SEI列控联锁一体化系统（简称SEI系统）与中国的计算机联锁在联锁逻辑、联锁过程和操作表示方面均有一定的区别，但在保证行车安全、提高行车效率的本质上是一致的，同时，SEI联锁在高速铁路的适应性方面为我们提供了一些值得借鉴的理念。SEI联锁具有以下特点：
1、 进路建立和锁闭时不检查道岔表示，在进路校验阶段才检查； 2、 进路建立、进路锁闭直至进路校验阶段不检查区段空闲，在信号开放或发ATP允许码时才检查区段空闲；
3、 站间方向控制由SEI联锁通过软件实现。
4、 SEI联锁不仅控制信号机开放，而更重要的是控制ATP编码（仅在车载TVM430设备故障或未装备TVM430设备的列车运行时才使用地面信号机）。
（2）计算机联锁全电子执行单元
计算机联锁已经进入积极发展的阶段，但其执行部分仍保留了由继电电路实现的道岔控制电路、信号灯光控制电路以及轨道继电器。对于这些继电电路的设计、施工和维护相对于计算机联锁的主体部分来说不够协调，特别是在维护和施工过程中，发生过改动继电电路，连接和使用封连线等违章操作，造成行车重大事故，若以电子模块取代继电电路部分，将减少和杜绝上述违章操作，对于保证行车安全无疑具有重要的意义，另外现有的微机监测系统是与计算机联锁系统相对独立的，存在着信息共享程度低，设备重复复杂和维修量较大等缺点。若把继电电路用电子模块取代，可实现控制、检测和监督一体化。
在贯彻安全可靠的思想指导下，充分利用现在电子信息技术、电力电子开关技术、计算机技术、自动控制技术，兰州交大自控所研究开发出系列电子智能化控制模块，在此基础上研究出全电子化执行机。
六、加速信号系统产品的研制
通信信号工业是铁路的支柱产业。尤其是信号工业，是直接保证运输安全，提高运输效率的产业。在研制方向上应紧紧围绕增加品种，改进质量，提高安全系数，满足铁路现代化需要，加快产品更新换代的思路，开发研制新产品，提高原有产品的技术含量。近年来工业企业都建立了自己的研发中心，科技投入总体水平逐年增加，科技成果不断涌现，科研开发的体系建设也在不断创新和改革，在科研管理、科技人才队伍建设等方面都有了新的起色，技术创新在企业开始步入良性循环。
更重要的是奔着安全、可靠、高效的思想把一些新的技术、新的理念带入信号产品的开发和研究中来。信号设备及产品正朝着智能化、信息化、综合化、通信信号一体化方向发展。
参考文献：
[1] 张萍，赵阳.铁路车站计算机联锁控制系统的可靠性和安全性分析[J].中国安全科学学报，2003，4.
[2] 当代中国铁路信号（1996-2000）编辑委员会.当代中国铁路信号（1999-2000）[M].北京：中国铁道出版社，2002.
[3] 当代中国铁路信号（2001-2005）编辑委员会.当代中国铁路信号（2001-2005）[M].北京：中国铁道出版社，2007.
[4] 黄鹏翔.信号专业发展之科技篇[J].铁道勘测与设计，2003，2：32-35.
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