轨道交通信号与控制问题研究论文

轨道交通信号安全论文

轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统。最典型的轨道交通就是由传统火车和标准铁路所组成的铁路系统。下面我们来看一下关于轨道交通信号的论文吧。

摘 要： 城市轨道交通是缓解现代城市交通压力的重要方式。近年来，我国各大城市纷纷加快了轨道交通的投资与建设，以此提高城市公共交通运输能力缓解地面交通压力。在地铁工程建设与发展中,轨道交通系统作为大容量公共交通工具,其安全性直接关系到广大乘客的生命安全,信号系统是城市轨道交通的重要基础设施之一，作为保证列车安全、正点、快捷、舒适、高密度不间断运行的重要技术装备在轨道交通系统中有着举足轻重的地位，同时也是关系到列车行驶安全的关键。现就城市轨道交通信号系统进行简要论述，主要介绍信号系统的构成、功能、控制模式、在我国的应用情况以及存在的不足和发展对策。

关键词：轨道交通；信号系统；现状；发展趋势

一、城市轨道交通信号的发展

轨道交通信号的发展背景

轨道交通通起源于英国，最早的列车指挥是由一位带绅士礼帽、穿黑大衣和白裤子的铁路员工骑马在前引导运行的，他边跑边以各种手势发出信号指挥列车的前进和停止。

为确保安全，人们开始研究使用固定的信号设备：用一块长方形的板子，横向线路是停车信号，顺向线路是行车信号。可是顺向线路的板子实际上很难观察，故又在顶端加块圆板。当必须在晚间开车时，就以红色灯光表示停车信号，白色灯光表示行车信号。

1841年，英国人戈里高利提出用长方形臂板作为信号显示，装设在伦敦车站，这是铁路上首次使用臂板式信号机。而慢慢随着科技的发展出现了色灯信号机渐渐代替了臂板信号机，直到现在的列车自动控制系统。

轨道交通信号的发展现状

众所周知，城市轨道交通系统因基建成本高，往往采用高速度、高密度方式运营，这样就必须依靠先进的通信信号设备来进行控制和管理。城市轨道交通的信号系统，已从早期的固定闭塞发展到了准移动闭塞，正在向移动闭塞方向发展。传统的信号系统即以地面信号显示为依据，司机按行车规则操纵列车运行。现代信号系统有6个基本目标：以安全的方式控制列车有条件地前进；使本列车与前行车或股道尽头保持安全距离；防止出现列车冲突进路；使列车能够按要求的时间间隔运行；使列车能够按时刻表速度运行，以便最大程度地避免危及安全的各种干扰；保证关键点闭锁在正确位置。目前世界各国的城市轨道交通信号系统大都采用列车自动控制系统（ATC），已基本上满足上述基本目标。

我国轨道交通的ATC系统目前大多采用进口设备，主要来自德国SIEMENA、英国WESTINGHOUSE、美国US&S、法国ALSTON等公司。国产信号系统由于多种原因尚未形成完整的产品，近年来ATP系统等开始逐步在正线得到应用。

城市轨道交通的发展趋势

当下我国城市轨道交通建设正处于高速发展阶段，各种各样交通信号系统纷纷踏入中国轨道交通市场，那么如何选择先进、安全、可靠、经济、使用性的信号系统成为了当前我国城市轨道交通的一项重要课题。当前国外主流的城市轨道交通通信系统主要有数字轨道电路系统、分析模拟轨道电路系统和基于通信的列车运行控制系统模式，我们要结合国内外各类轨道交通信号的优缺点，寻找出适合我国国情的城市轨道交通信号系统，在未来城市轨道交通系统国产化建设才是正确的发展方向。城市轨道交通国产化，不仅能降低建设成本（国产的CBTC比引进国外的系统造价低20％），而且能降低运营成本，更重要的是促进我国城市轨道交通技术水平的大幅提升，有利于人才培养。并且参与国际竞争。

那么，参与技术服务，国内硬件加工，逐步吸收熟悉国外技术是首要的。其次，通过技术引进，掌握系统功能单元间接口协议和技术标准，最后要积极跟踪并参与CBTC的研究。

城市轨道交通的信号系统，已从早期的固定闭塞发展到了准移动闭塞，正在向移动闭塞方向发展。传统的信号系统即以地面信号显示为依据，司机按行车规则操纵列车运行。现代信号系统有六个基本目标：以安全的方式控制列车有条件地前进；使本列车与前行车或股道尽头保持安全距离，防止出现列车冲突进路；使列车能够按照要求的时间间隔运行；使列车能够按时刻表速度运行，以便最大程度地避免危及安全的各种干扰，保证关键点锁闭在正确位置。

ATP的主要作用是根据故障-安全原则，执行列车间安全间距的监控、列车的超速防护、安全开关门的监督和进路的安全监控等功能，确保列车和乘客的安全；ATO主要执行站间自动运行、列车在车站的定点停车、在终点的自动折返等功能；ATS的主要作用是监督列车状态、产生列车时刻表、自动调整列车运行时刻和保证列车按时刻表正点运行、生成运行报告和统计报告、向旅客向导系统提供信息等。

由于通信技术的发展，ATC系统中ATS子系统的功能也越来越强，已不仅仅是传统意义上的“列车自动监督”，ATS子系统正在向集成化方向发展；维修管理更加重要为了提高系统的可靠性、减少维护费用，信号系统的监控管理以及维修管理信息系统都非常重要。

二、城市轨道交通系统的构成及功能

列车自动监控子系统（ATS）

ATS系统由控制中心、车站、车场以及车载设备组成。ATS系统在ATP系统的支持下完成对列车运行的自动监控，实现以下基本功能：

（1）通过ATS车站设备，能够采集轨旁及车载ATP提供的轨道占用状态、进路状态、列车运行状态以及信号设备故障等控制和监督列车运行的基础信息。

（2）根据联锁表、计划运行图及列车位置，自动生成输出进路控制命令，传送至车站联锁设备，设置列车进路、控制列车停站时分。

（3）列车识别跟踪、传递和显示功能。系统能自动完成正线区段内列车识别号（服务号、目的地号、车体号）跟踪，列车识别号可由中央ATS自动生成或调度员人工设定、修改，也可由列车经车—地通信向ATS发送识别号等信息。

（4）列车计划与实迹运行图的比较和计算机辅助调度功能。能根据列车运行实际的偏离情况，自动生成调整计划供调度员参考或自动调整列车停站时分，控制发车时间。

（5）ATS中央故障情况下的降级处理，由调度员人工介入设置进路，对列车运行进行调整，由ATS车站完成自动进路或根据列车识别号进行自动信号控制，由车站人工进行进路控制。

（6）在计算机辅助下完成对列车基本运行图的编制及管理，并具有较强的人工介入能力。通过设在车辆段的终端，向车辆段管理及行车人员提供必要的信息，以便编制车辆运用计划和行车计划。

（7）列车运行显示屏及调度台显示器，能对轨道区段、道岔、信号机和在线运行列车等进行监视，能在行调工作站上给出设备故障报警及故障源提示。

（8）能在中央专用设 备上提供模拟和演示功能，用于培训及参观。能自动进行运行报表统计，并根据要求进行显示打印。

（9）能在车站控制模式下与计算机联锁设备结合，将部分或所有信号机置于自动模式状态。

（10）向通信无线、广播、旅客向导系统提供必要的信息。

列车自动防护子系统（ATP）

ATP系统由地面设备、车载设备组成，监督列车在安全速度下运行，确保列车一旦超过规定速度，立即施行制动，主要实现以下功能：

（1）自动连续地对列车位置进行检测，并向列车发送必要的速度、距离、线路条件等信息，以确定列车运行的最大安全速度。提供列车速度保护，在列车超速时提供常用制动或紧急制动，保证前行与后续列车之间的安全间隔，满足正向行车时的设计行车间隔和折返间隔。对反向运行列车能进行ATP防护。

（2）确保列车进路正确及列车的运行安全。确保同一径路上的不同列车之间具有足够的安全距离，以及等防止列车侧面冲撞。

（3）防止列车超速运行，保证列车速度不超过线路、道岔、车辆等规定的允许速度。

（4）为列车车门的开启提供安全、可靠的信息。

（5）根据联锁设备提供的进路上轨道区间运行方向，确定相应轨道电路发码方向。

（6）任何车—地通信中断以及列车的非预期移动（含退行）、任何列车完整性电路的中断、列车超速（含临时限速）、车载设备故障等均将产生安全性制动。

（7）实现与ATS的接口和有关的交换信息。

（8）系统的自诊断、故障报警、记录。

（9）列车的.实际速度、推荐速度、目标速度、目标距离等信息的记录和显示。具有人工或自动轮径磨耗补偿功能。

列车自动驾驶子系统（ATO）

ATO子系统是控制列车自动运行的设备，由车载设备和地面设备组成，在ATP系统的保护下，根据ATS的指令实现列车运行的自动驾驶、速度的自动调整、列车车门控制。

（1）自动完成对列车的启动、牵引、巡航、惰行和制动的控制，以较高的速度进行追踪运行和折返作业，确保达到设计间隔及旅行速度。

（2）在ATS监控范围的入口及各站停车区域（含折返线、停车线）进行车—地通信，将列车有关信息传送至ATS系统，以便于ATS系统对在线列车进行监控。

（3）控制列车按照运行图进行运行，达到节能及自动调整列车运行的目的。

（4）ATO自动驾驶时实现车站站台定点停车控制、舒适度控制及节省能源控制。

（5）能根据停车站台的位置及停车精度，自动地对车门进行控制。

（6）与ATS和ATP结合，实现列车自动驾驶、有人或无人驾驶。

信号ATC系统依据控制方式以及信息传输方式的不同，系统结构组成和配置方式也完全不同，在工程设计中选择何种配置，须根据行车组织、车辆性能、车站规模、线路条件等，以安全性、可靠性为基本原则，兼顾成熟性、经济性、合理性，以发挥最大效能为目标，并需适当考虑先进性等。

三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

联锁系统

在铁路车站上，为了保证机车车辆和列车在进路上的安全，有效利用站内线路， 高效率地指挥行车和调车，改善行车人员的劳动条件，利用机械、电气自动控制和远程控制、计算机等技术和设备，使车站范围内的信号机、进路和进路上的道岔相互具有制约关系，这种关系称为联锁。为完成联锁关系而安装的技术设备称为联锁设备。

（1）联锁的基本内容

防止建立会导致机车车辆相互冲突的进路；必须使列车或调车车列经过的所有道岔均锁闭在与进路开通方向相符合的位置；必须使信号机的显示与所建立的进路相符合。进路上各区段空闲时才能开放信号；进路上有关道岔在规定位置时才开放信号；敌对信号未关闭时，防护该进路的信号机不能开放。同时这三点也是联锁最基本的三个个技术条件，只有在满足了这三点条件，联锁才能成立，列车进路与调车进路才能安全进行。

（2）联锁设备

控制车站的道岔、进路和信号机，并实现它们之间的联锁关系的设备，称之为联锁设备。联锁设备是轨道交通的重要信号设备，用来在车站和车辆段实现联锁闭塞关系，建立进路，控制道岔的转换和信号机的开关，以及进路解锁，以保证行车安全。联锁设备分为正线车站联锁设备合车辆段联锁设备。联锁设备早期为机械联锁，后来发展成为继电器集中联锁。随着3C技术的快速发展，计算机联锁已经成为联锁设备的主要发展方向。

三、结 论

城市轨道交通信号系统是技术含量高，行车指挥自动化和保障安全的重要技术装备，就现在我国的情况而言，城市轨道交通是人们普遍会选择的交通出行方式，安全是我们首要考虑的问题，就目前而言，我国在世界的大发展中还是处于较为落后的局面。对我国城市轨道交通现代信号国产化进程滞后的现状，必须引起高度关注，尽快提高我国信号装备的技术水平，取长补短，吸取国外先进经验，发展具有中国特色的城市轨道交通现代信号系统，使中国的轨道交通通信信号系统处于国际的前沿。

致 谢

本文是在王静老师的精心指导和支持下完成的，所以首先要感谢我的论文老师王静。通过老师的精心指导以及我这一阶段的努力，我的毕业论文《浅谈城市轨道交通通信系统》终于完成了，这同时也意味着大学三年的生活即将结束。

在大学阶段我在学习上和思想上都受益非浅这除了自身的努力外与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中我的导师王静老师倾注了大量的心血从选题到开题报告从写作提纲到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题严格把关循循善诱在此我表示衷心感谢。同时感谢我的爸爸妈妈焉得谖草言树之背养育之恩无以回报你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际我的心情无法平静从开始进入课题到论文的顺利完成有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助在这里请接受我诚挚谢意。

参 考 文 献

〔1〕肖宝弟。 对我国城市轨道交通信号系统发展战略的思考。 [J]。现代城市轨道交通 , 2004

〔2〕何蕾 。 城市轨道交通运营管理。[M]。北京：中国铁道出版社 ，2007

〔3〕徐金祥。 城市轨道交通信号基础。[M]。北京：中国铁道出版社 ，2014

〔4〕颜景林 。城市轨道交通设备。[M]。成都：中国铁道出版社 ，2004

〔5〕吕永宏 。刘红燕 。3种城市轨道交通控制系统。[J]。甘肃科技：，2008

〔6〕张唯 。铁道运输设备。[M]。北京：中国铁道出版社，2002

〔7〕张凡。钱传贤。城市轨道交通概论。[M]。成都：西南交通大学出版社，2007

〔8〕林瑜筠 。城市轨道交通信号设备。[M]。北京：中国铁道出版社 ，2006

〔9〕魏晓东 。城市轨道交通自动化系统与技术。[M]北京：电子工业出版社 ，2011

〔10〕赵祎 。地铁CBTC信号系统。〔DB/OL〕2010

〔11〕蔡爱华 季锦章 。地铁信号系统的现状及发展趋势。电子工程师。[J]2000

先给你说下大概的具体你--呼我名字 (一）摘要摘要是毕业设计（论文）主要信息的简要陈述，具有独立性和完整性。摘要内容包括本论文研究目的、方法、结果、结论四部分。千万不要讲一些人们已经做过的工作。要开门见山地讲本文的主要工作。摘要分中文摘要和外文摘要，中文摘要在前，一般300字左右，外文摘要另起一页，内容应与中文摘要对应。（二）正文毕业论文正文部分包括前言、主体和结论。前言作为开场白，应以简短的篇幅，说明毕业论文选题的目的和意义、国内外文献综述、研究的内容及预期目标，要求突出重点，实事求是。主体是毕业论文的核心部分，占主要篇幅。毕业论文正文字数一般要求在15000字以上。有创新的论文，字数不受限制。文中插入的图表要符合国家标准，经过精心设计后用计算机绘制，尽量避免扫描图表。结论是整个毕业论文的最后总结，完整、准确、简洁地指出以下内容：（1）毕业论文得到的结果所揭示的原理及其普遍规律；（2）研究中有无发现例外或本文尚难以解释和解决的问题；（3）与同类研究工作的异同；（4）进一步深入研究本课题的建议。（三）参考文献毕业设计（论文）要求有10篇以上的中外文参考文献，其中至少有一篇与设计（论文）内容相关的外文文献。毕业设计（论文）引用的文献应以近期发表的与毕业设计（论文）直接有关的文献为主。凡引用本人或他人已公开或未公开发表文献中的学术思想、观点或研究方法、设计方案等，不论借鉴、评论、综述，还是用做立论依据，都应编入参考文献目录。各条文献按在论文中的文献引用序号顺序排列。

城市轨道交通的论文

城市轨道交通是城市公共交通的骨干，具有节能、省地、运量大、全天候、无污染（或少污染）又安全等特点，属绿色环保交通体系，特别适应于大中城市。下面我们来讨论一下城市轨道交通的论文吧。

一、TD-LTE主要技术优势

目前,国内已建成的轨道交通信号系统车地通信和PIS车地通信采用标准的无线局域网传输技术。专用无线调度广泛应用窄带无线数字集群技术,TETRA就是典型的代表。TD-LTE技术相比WLAN+TETRA网络具有众多的优势,更适合轨道交通多业务宽带无线通信承载。

抗干扰能力强

从工作频段的情况来看,国内主流的WLAN采用的是、共计80MHz的带宽,每个信道的带宽为22MHz,完全不重叠的信号仅有3个。这意味着在隧道区间内AP有效的覆盖距离仅有200m左右,故地铁采用WLAN+TETRA技术实现CBTC、专用无线调度及PIS系统显然会对安全运营带来不确定的因素。相比WLAN网络,LTE有着完善的抗干扰技术,采用正交频分复用技术即OFDM具有完善的'编码、重传和IRC(干扰抑制合并)机制,拥有毫秒级的调度机制,可根据干扰情况动态调度资源。

传输速率较高

较高的传输速率,可满足高速移动及大容量网络传输的要求。采用频段,可支持11Mbit/s的共享接入速率;工作在频段,其速率高达54Mbit/s。但是,在快速移动下,系统需要很大的控制信息开销来克服由于移动带来的频移、衰落等,不能很好地满足移动的要求。TETRA满足语音通信和的无线数据传输需求,但是面对着越来越多的视频信息等传输需求,窄带无线集群技术已经不能胜任。LTE在20MHz频谱带宽上能够提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率,能够为350km/h高速移动用户提供接入服务,并同步支持语音、视频、数据传输,完全可与PIS、信号车地无线共享网络。

网络结构简单

LTE以分组域业务为主要目标,取消了电路交换域,趋近于典型的IP宽带网结构,意味着网络架构与目前WLAN类似。LTE结构简单,维护方便,系统时延较小。同时,无线融合技术方案取代了各系统分设的大量的区间设备,能够净化安装空间。

保证

WLAN二元安全架构对应3个物理实体,AP无独立身份,易受攻ji,无法保证安全。LTE拥有9级QoS算法,带宽基于业务需求按需分配,在与PIS、无线列调等系统共用网络时,可以最大程度地保证CBTC带宽需求。

技术日渐成熟,商业化程度也较高

LTE网络已经在全球应用,中国移动率先在中国部署LTE网络提供公众服务,国内主要LTE供货商均可提供成熟可靠的产品。采用LTE技术,尤其是采用具有完全知识产权的TD-LTE无线宽带集群技术,将是我国城市轨道交通车地无线系统融合的最重要选择。

二、轨道交通各系统的功能需求

专用无线调度系统

采用专用无线调度,实现了轨道交通固定用户与移动用户之间的语音、数据信息、视频信息及附属网管信息的传输和交换。专用无线调度分为了行车调度、维修调度、环控调度及车辆段/停车场无线调度4个部分。按照一个TD-LTE小区并发10路无线通话考虑,包括选呼、组呼、全叫和紧急呼叫的任何一种呼叫形式,每路呼叫带宽需要32Kbit/s,10路并发需要320Kbit/s,同时在一个小区内要有1~2路的视频通话,传输的带宽按照384Kbit/s考虑。

乘客信息系统

PIS车地无线通信主要指控制中心向运营车辆下发一些视频和各类文本信息等,为下行业务。在列车正常运营情况下,每列车可接收1路高清晰数字视频信息,视频编码采用MPEG-2、MPEG-4或格式,每路占用带宽一般为4~6Mbit/s。

列车视频监视

列车视频监视业务主要指运营车辆将列车内实时视频监控图像传输至控制中心,为上行业务。在列车正常运营情况下,轨道交通内的运营人员以及地铁公安分局人员,利用视频监视等设备接收、观看列车内实时视频监控图像,图像的压缩格式宜采用MPEG-4或等。一般情况下,每节车厢内设置2台摄像机,首尾司机室各设置1台摄像机。6辆编组列车共14路视监视频信息,控制中心根据需要可实时随意调看其中2~4路图像,每列车通过无线系统将图像信息上传至车站,再经主干网络传到控制中心。按每路视频图像占带宽考虑,视频业务需要6Mbit/s以上带宽。

信号系统车地通信

信号系统的车地通信可以保证列车和乘客安全,是实现列车运行高效、指挥管理有序的手段。信号系统具有安全性高、通过能力强、较好的抗干扰能力、可靠性高、自动化程度高、限界条件苛刻等特点,其车地通信主要为CBTC业务,系统需要占用100Kbit/s的上下行带宽。

车辆检测信息及列车FAS信息

能为传送列车车辆内部温度、烟度、有害气体浓度和列车轴温、实时车速等环境信息提供通道,以便中心对列车进行监控;信息传输需要带宽不超过200Kbit/s。提供列车FAS火灾告警信息的传输通道,满足中心对列车火灾信息的监控。信息传输需要带宽不超过100Kbit/s。各业务实时性及带宽需求。在列车高速运行的情况下,车地无线系统要保证无线网络的带宽(下行大于8Mbit/s、上行带宽大于7Mbit/s),以满足运营指挥的需要。基于目前主流LTE设备技术情况,需申请10MHz以上专用频段(含保护频段),才能满足上述车地无线业务的需要。此外,通过LTE系统提供的宽带无线环境,在带宽允许的情况下,还可支持未来各类无线业务的扩展。例如,实现各类专用移动终端的无线通信业务,包括维修系统的无线维修终端、综合监控系统的无线监控终端等,保证各类业务的终端灵活化,满足现场维修、监控、指挥等业务需求。

三、TD-LTE解决方案

基于TD-LTE技术的城市轨道交通无线通信系统融合解决方案应用网络架构。整个应用系统依场所设置分为3个子系统,分别为控制中心子系统、车站/车辆段及停车场子系统、车载子系统。下面分别简要论述3个子系统组成及功能。

控制中心子系统

控制中心子系统是该融合解决方案专用系统的核心,主要包括LTE核心网设备、无线调度业务服务器DSS,信号系统ATS服务器、CCTV和PIS等业务应用服务器、网络管理系统(含网管终端及打印机等)及TD-LTE基站设备等。TD-LTE基站设备用以实现控制中心的室内覆盖,TD-LTE核心网EPC向上和各类业务控制平台CCTV中心、PIS系统、信号系统等连接,无线调度业务服务器DSS可提供专业的无线集群调度业务。同时,在控制中心调度大厅,设置行车调度、防灾调度、维修调度台及录音设备等。

车站/车辆段及停车场子系统

车站内主要安装TD-LTE基站设备,包括BBU、RRU。基站设备可以实现本车站的站内覆盖,也可以通过漏泄同轴电缆对线路区间进行覆盖,并可以通过RRU实现拉远覆盖。在沿线各车站值班员处设置车站固定电台,给移动作业人员配备便携台。在车辆段及停车场通信机房内设BBU,RRU设备和天线均安装于机房楼顶的天线杆塔上,对于封闭空间等弱场区需增加RRU进行覆盖。在车辆段/停车场信号楼内设置行车调度台,在检修库内的运转排班室内设置运转调度台。另外,给车辆段/停车场的移动作业人员配备便携台。

车载子系统

车载子系统布置在每列车前后的司机车室内,为司机提供专业的无线集群调度通信。集群车载台采用与TAU共用车载天线的方式。TD-LTE车载终端(TAU)部署在列车编组的前后司机车厢内,其车载天线安装在司机车厢外侧,并尽量保证与泄漏保持视距,TAU通过以太网接口与车内交换机连接,实现TAU与车内数据业务的信息交互;车内采用以太网环形组网,各车厢通过车载交换机互联。车厢内的闭路电视监控信号通过TAU、经LTE上行回传到控制中心,PIS的流媒体信息则通过TAU、经LTE下行传送到车内的PIS车载服务器上。单列编组前后司机车厢各部署一套TAU,两套TAU以主备方式工作。

四、结语

城市轨道交通无线通信系统承载着语音、视频、数据等多种业务,随着线网和用户需求的增多,专网通信从窄带、独立设置的无线通信向着各业务融合一体的宽带无线通信网发展成为技术发展的趋势;TD-LTE技术方案作为城市轨道交通车地无线综合平台是可行的,将成为发展的主流方案。同时,为了保证轨道交通无线通信的安全性和可靠性,拟采用TD-LTE无线通信承载网的轨道交通建设城市需尽早进行专用无线频段的申请,以便为今后业务的实施及拓展创造有利条件。