论述新技术在铁路信号系统中的应用
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摘 要: 信号系统是现代化铁路中的关键组成部分, 也是衡量现代化铁路水平的重要指标, 世界铁路信号系统技术发展日新月异, 本文介绍了近年来正在信号系统应用以及正在试验和创新的各种新技术, 特别是叙述了越来越受到人们日益关注的标准化和计量检测技术, 以供参考。
关键词: 铁路信号系统; 新技术; 应用
1 数字信号处理技术 (Digital Signal Pro-cessing, 简称 DSP)
我们知道信号处理是铁路信号系统中一个重要组成部分, 通常有模拟信号处理和数字信号处理两种类型。在现代化铁路信号系统中, 数字信号处理占绝大多数, 其处理对象是数字信号。数字信号是一种幅度和时间都离散的信号, 因此它是采用数值计算的方法来实现信号处理的, 其实现方法分软件实现和硬件实现两种。软件实现方法指的是用户按照数字信号处理的原理和算法编写程序在通用计算机上来实现; 硬件实现是根据数字信号处理的原理和算法设计出硬件结构, 通过诸如乘法器、加法器、延时器、存储器以及接口等电子集成器件的运行来实现。
近年来，由于集成电路技术的高速发展, 使得用硬件来实现的各种数字滤波、快速傅立叶变换等数字信号处理成为可能, 从而使数字信号处理器得到了极其迅速的发展和广泛的应用。因此, 它们的出现也为铁路信号信息处理提供了很好的解决方法,可以改变基于分立元器件和模拟信号处理技术的传统铁路信号设备的落后状况。
目前, 诸如日本铁路的数字化自动运行控制系统(ATC)、法国铁路的 UM 2000 数字编码轨道电路等信号系统都采用了数字信号处理技术, 我国铁路轨道电路的信号发送、接收以及机车信号的接收、监控也大量使用数字信号处理技术。与模拟信号处理技术相比较, 数字信号处理技术具有更高的可靠性和实时性, 例如, 细化快速傅立叶变换 (ZOOM-FFT)、小波信号处理技术、现代谱分析技术等新一代实用数字信号处理技术, 其运算精度高、定型准确、抗干扰性能好, 为铁路信号系统实现自动化、智能化和网络化提供了有利条件。
2 3C 列车位置检测技术
随着铁路现代化的发展。无论是轨道电路还是计轴闭塞都难以满足高速铁路的全面需求, 因为它们不仅需要沿着铁路装备许多地面专用设备, 投入成本高, 而且不便于日常维护, 安全性不高。随着计算机技术 (Computer)、通信技术(Communication) 和控制技术(Control) 的高速发展,向传统的以轨道电路、计轴闭塞作为列车位置检测的信号系统提出了新的挑战。综合利用 3C技术代替轨道电路、计轴闭塞构筑新型列车位置检测系统已变成事实。
3 可靠性与容错技术
铁路信号系统长期处于 24 h 连续工作状态, 其稳定性和可靠性是十分重要的, 尤其是要对其可靠性作出定量评估, 以便采取适当的技术措施确保整体系统功能常态化。随着计算机技术、微电子技术和高新材料的发展, 可靠性与容错技术得到了飞速发展, 原先采用诸如继电器等机电元器件而无法达到的高可靠性、高安全性的系统模式得以问世。例如, 计算机联锁就是一种利用静态屏敞技术的多数表决系统出现了“二取二”、“二乘二取二”和“三取二”等不同的结构形式, 利用微电子芯片等元器件可以方便地由 2 个或 3 个相同子系统构成一个系统, 借助表决器则可以按多个相同输出为系统的输出, 这样可以屏敞一旦发生故障的子系统; 而利用动态切换技术则可以实现用备份的子系统来替代故障子系统的功能, 以保证系统正常工作。又如,一种被称为实时操作系统(Real Time Operation Sys-tem, 简称 RTOS) 的用于铁路计算机运行的系统, 这种安全型计算机能保证铁路信号系统控制的安全性、可靠性和可用性, RTOS 是当今流行的嵌入式系统的软件开发平台, 其关键部分是实时多任务内核,它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等, 这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的, 也就是 RTOS 的应用程序接口(API,Application Programming Interface), 它可以有效地解决系统的安全性和嵌入式软件开发标准化的难题。可以肯定，可靠性与容错技术的升级换代它为高可靠和高安全铁路信号系统的发展打下了坚实的基础。
4 网络化技术
现代化铁路信号系统不再是传统意义上的各种信号设备的简单组合, 而是一个功能全面、层次分明和相互关联的复杂控制系统。系统内部各功能单元之间既有各自独立的工作任务, 同时又有互相联系、相互配合的功能要求, 并进行实时信息传输和交换, 形成错综复杂、数量庞大和跨越地区的运行格局。
铁路信号系统网络化能使行车组织者全面了解辖区内的各种情况, 灵活配置系统资源, 保证铁路运输的安全和高效运行。例如: 网络化信号系统能够十分方便地实施对各种危及行车安全的因素进行实时检测和防范, 它可以检测诸如冒进信号、错办进路、信号掉漏码、信号灯断丝等工作人员违章作业和设备故障, 一旦发现险情, 就能通过网络及时告知司机或列车控制系统, 以便采取应急措施。又如: 网络化信号系统能够十分方便地实施信号系统和控制设备智能化, 系统智能化是指上级管理部门根据辖区线路和装备的实际情况, 借助先进的计算机技术来合理规划列车的运行, 使整个运输生产系统达到最优化; 控制设备的智能化则是指采用智能化的执行系统, 使各级指挥、调度及管理人员能准确、快速地获得所需的信息, 并根据他们的指令来指挥和控制列车的运行。在我国, 经过将近 10 年的建设和不断的完善, 覆盖全路的运输管理信息系统(TMIS)和列车调度指挥系统(DMIS, 现称 TDCS) 等系统就是铁路信号系统网络化的一个应用实例, 它们把计算机网络和信号系统紧密地结合在一起, 为铁道部、铁路局提供了基层信息采集网络, 使列车调度指挥的水平和能力提升了一个层次。
5 信息传输技术
在现代化铁路信号系统中, 由于车站、区间和列车控制的一体化, 信息传输已成为一个必不可少的重要技术手段。例如, 它要将地面涉及列车速度控制的各种数据传输到机车上的车载设备; 它要将诸如列车所在区段、所占用股道、车站到发及通过时刻等列车运行实时信息传输到各级调度和管理部门; 它要将诸多分布在沿线、车站和列车上信号设备的运行数据和结果传输到各级列车运行监控系统, 等等。原本仅仅依靠信号电缆单一的传输方式已经无法满足这些信息的传输需求, 因而, 现代化铁路信号系统采用了许多先进的信息传输技术, 如光纤通信、无线通信、数字通信、移动通信、计算机网络通信、卫星通信等, 并进一步推进了铁路通信信号一体化的进程。新型信息传输技术导入铁路信号系统带来了令人鼓舞的良好效果, 它不但冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念, 而且还重新规划了铁路信号系统的结构与组成, 推动了铁路信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化发展。
6 标准化与计量检测技术
为了确保铁路运输安全, 铁路信号系统各种新技术的高可靠性和高安全性是放在首位的, 为此, 作为安全评估理论原则的标准和计量检测方法为它们提供了重要手段。例如, 上世纪 90 年代, 国际电工委员会(IEC)对铁路信号系统故障- 安全概念进行了量化,制定了安全系统的设计和评估标准 IEC61508, 标准中规定了系统的安全完善度等级(SIL,Safety IntegrityLevel), 作为对系统安全的综合评估指标, 其中包括功能性(Functionality)、可靠性和可维护性(Reliabilityand Maintainability)、安全性 (Safety)、效率性(Effi-ciency)、可用性(Usability) 等指标; 欧洲电工标准委员会(CENELEC) 基于 IEC61508 标准对列车安全控制系统的技术条件增加了一些系统开发和评估的参考标准, 包括有 EN50126 可信性、可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)规范和说明, EN50128 铁路控制和防护系统的软件, EN50129 信号领域的安全相关电子系统, 等等; 日本铁道综合技术研究所以IEC61508 为基础, 并吸收了日本计算机控制铁道信号系统的经验, 也颁布了“列车安全控制系统的安全性技术指南”, 为铁路信号系统安全性设计和评估提供了依据。
随着全球经济一体化的发展, 铁路运输市场和铁路信号系统市场也朝全球一体化方向发展, 主要体现在技术规范和安全规范的全球化。由于现代化铁路信号系统采用了大量的数字化技术, 诸如使用频率、时间、相位等计量单位来表征列车速度、信号显示、区间闭塞等内容和功能的信号设备越来越多, 而这些信号设施和监控设备对列车运行和运输安全是至关重要的。所以, 如何计量和实时检测信号系统中各种参数量值的正确与否、精度误差等项目的计量检测技术是必不可少的。
7结语
不少铁路先进发达国家利用传感器、无线传输、光导纤维、数字芯片等技术构筑各种计量检测设备对关键信号系统进行定点计量或在线监测, 以确保信号系统可靠安全运行。如我国铁路的车站微机监控装置、机车信号及轨道电路参数测量仪、无线列调场强测试仪、无绝缘轨道电路补偿电容测试仪等设备就是计量检测技术在信号系统中的具体应用, 随着铁路信号系统现代化进程的推进, 大量具有自动化、智能化和网络化检测技术的高性能的计量检测装置将会不断涌现。
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