2023年铁路信号系统新技术的发展趋势.docx

2023年铁路信号系统新技术的发展趋势 铁路信号系统新技术的发展趋势 近20多年来，在运输市场激烈竞争的压力下，各国铁路，特别是发达国家铁路为实现提速、高速和重载运输，积极引进采用新技术，大幅度提高了现代化通信信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌现。 一、故障-安全技术的发展随着计算机技术、微电子技术和新材料的发展，故障安全技术得到了飞速发展。高可靠性、高安全性的故障安全核心设备出现了“二取二”、“二乘二取二”和“三取二”等不同结构形式，其同步方式有软同步和硬同步。西门子公司、阿尔斯通公司、日本京山公司、日本日信公司等推出了不同类型的采用硬件同步方式的安全型计算机。 故障安全技术的提高为高可靠和高安全的铁路信号系统的发展打下坚实的基础。 二、高水平的实时操作系统开发平台 实时操作系统（RTOS,Real Time Operation System）是当今流行的嵌入式系统的软件开发平台。RTOS最关键的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,A lication Programming Interface）。在铁路、航空航天以及核反应堆等安全性要求很高的系统中引入RTOS，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。 随着嵌入式系统中软件应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课题。在这种情况下，如何保证系统的容错性和故障安全性成为一个亟待解决的难题。基于RTOS开发出的程序，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。 另外一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会，嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高知识创新的效率。 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、可用性的要求更高，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。目前，英国的西屋公司（Westinghouse）已经在列车运行控制系统中采用了RTOS，瑞典也有很多铁路通信和控制系统采用OSE实时操作系统。 采用实时操作系统可以满足如下性能或特性： 提高系统的安全性。实时操作系统可以成为整个软件系统的中间件，即实时操作系统通过驱动程序与底层硬件相结合，而上层应用程序通过API和库函数与实时 操 作系统相结合。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。 满足系统实时性的要求。列车运行控制系统要求的是硬实时响应，实时性要求非常高，如果在系统中选用实用操作系统开发该系统的软件，会对该系统的实时性指标的提高有很大帮助。 缩短了新产品的开发周期。由于RTOS提供了系统中的多任务调度、管理等功能，在此基础上用户只需开发与应用对象相关的应用程序，所以缩短了新产品的开发周期，降低了设备的成本。RTOS还具有开发手段可靠、检测手段完善等特点。 充分发挥实时操作系统可移植性、可维护性强等优势。 采用RTOS后，一旦系统需要升级，只需改动力量程序，而不像以前系统需要重新进行设计，体现出RTOS再开发周期短，升级能力强的优点。 三、数字信号处理新技术的应用随着铁路运输提速、重载的发展，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越来越满足不了铁路运输安全性和实时性的要求。 因此，全面引进计算机技术，利用计算机的高速分析计算功能，来提高信号设备的技术水平已非常紧迫。数字信号处理技术（D ,Digital Signal Proce ing）的出现为铁路信号信息处理提供了很好的解决方法。 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。数字信号处理的频域分析和时域分析的两种传统分析方法有着各自的优缺点。频域分析 的优点是运算精度高和抗干扰性能好，而缺点是在强干扰中提取信号时容易造成解码倍频现象，例如将移频的低频11Hz误解成22Hz；时域分析的优点是定型 准确，而缺点是定量精确地剔除带内干扰难度大。 随着数字信号处理技术的新发展，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。 目前，我国的轨道电路的信号发送、接收以及机车信号的接收普通采用了数字信号处理技术，日本的数字ATC和法国UM2000数字编码轨道电路也都采用了数字信号处理技术。 四、计算机网络技术的发展随着计算机网络技术的飞速发展，实施企业网络化管理已成为企业实现管理现代化的客观要求和必然趋势。 铁路信号系统网络化是铁路运输综合调度指挥的基础。在网络化的基础上实现信息化，从而实现集中、智能管理。 网络化。现代铁路信号系统不是各种信号设备的简单组合，而是功能完善、层次分明的控制系统。系统内部各功能单元之间独立工作，同时又互相联系，交换信息， 构成复杂的网络化结构，使指挥者能够全面了解辖区内的各种情况，灵活配臵系统资源，保证铁路系统的安全、高效运行。 信息化。以信息化带动铁路产业现代化，是铁路发展的必然趋势。全面、准确获得线路上的信息是高速列车安全运行的保证。因而现代铁路信号系统采用了许多先进的通信技术，如光纤通信、无线通信、卫星通信与定位技术等。 智能化。智能化包括系统的智能化与控制设备的智能化。 系统智能化是指上层管理部门根据铁路系统的实际情况，借助先进的计算机技术来合理规划列车的运行，使整个铁路系统达到最优化；控制设备的智能化则是指采用智能化的执行机构，来准确、快速地获得指挥者所需的信息，并根据指令来指挥、控制列车的运行。 近年来，我国铁路行业已成功地推广应用了原TMIS和DMIS（现称TDCS）等系统，在利用信息技术方面取得了长足的进步。具有代表性的列车调度指挥系统TDCS，以现代信息技术为基础，综合运用通信、信号、计算机网络、多媒体技术，建立了新型现代化运输调度指挥系统（铁道部、铁路局、基层信息采集网）。 五、通信技术与控制技术相结合随着计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和控制技术（Control）的飞跃发展，向传统的以轨道电路作为信息传 输媒体的列车运行控制系统提出了新的挑战。综合利用3C（Computer、Communication、Control）技术代替轨道电路技术，构成新 型列车控制系统已成必然。用3C技术代替轨道电路的核心是通信技术的应用，目前计算机和控制技术已经渗透到列控系统中，称为“基于通信的列车运行控制系统 ”（CBTC，Communication Based Train Control）。 如上所述，世界发达国家陆续试验的CBTC系统有ATCS、ARES、ASTREE、CARAT、FZB等。所有上述各类系统，均具有两个基本特点：列车与地面之间有各种类型的无线双向通信。可分为连续式和点式的。其中又可分为短距离传输（指1m以内）和较长距离传输（远至几公里至几十公里）的移动 通信。它们仍然保留闭塞分区，其中最简易方式CBTC仍采用固定的闭塞分区，但是闭塞分区的分隔点不是用轨道电路的机械绝缘节或电气绝缘节（如无绝缘轨道电 路），而是用应答器或计轴器，或其他能传送无线信号的装臵构成分隔点，这种简易形式仍然保留固定长度的闭塞分区（FAS，Fixed Aotoblock System），简称为 CBTCMAS。 在CBTC中进一步发展的闭塞分区不是固定的,而是移动的(MAS,Moving Autoblock System),简称CBTC-MAS。 被欧洲联盟采用的ERTMS/ETCS的2级和3级是当前CBTC的代表。 ERTMS/ETCS经过多个试验项目的测试和认证后，进行了商业项目的建设，德国铁路计划到2023年在所有的高速铁路装备ETCS2级设备。表1-2给出了其他欧洲国家铁路正在建设或已投入商业运营的ERTMS/ETCS商业项目。通信技术与控制技术的结合重新规划了铁路信号系统的结构与组成，为列车运行控制的未来发展开辟了新开地。 六、通信信号 一体化随着当代铁路的发展，铁路通信信号技术发生了重大变化，车站、区间和列车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术，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，推动了铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。 从铁路信号系统纵向发展看，德国已经形成从LZB、FZB发展到ERTMS的发展趋势。LZB利用轨道电缆环线传输列车运行控制系统行车指令和速度指令机 车信号，取消地面闭塞信号机，保留闭塞分区，列车按固定闭塞方式（即FAS）运行。FZB是基于无线的列车运行控制系统，是新一代移动自动闭塞系统（即 MAS），其目的是实现低成本、高性能的列车运行控制系统，并已加入ETCS。ERTMS/ETCS（欧洲铁路运输管理系统/欧洲列车控制系统）是欧盟支 持的统一的行车控制系统，采用GSMR作为传输系统，其成功应用将进一步推动铁路通信信号的技术进步，加快实现铁路通信信号一体化的进程。 从信号系统的横向发展来看，日本新干线在1995年成功开发和投入运行的COSMOS系统，则是通信信号一体化的又一个成功案例。该系统包含运输计划、运 行管理、维护工作管理、设备管理、集中信息管理、电力系统控制、车辆管理、站内工作管理等8个子系统，以通信信号一体化技术，实现中心到车站各子系统的信 息共享，并使系统达到很高的自动化水平。 另外成功地应用了安全光纤局域网，使之成为联锁系统、列车运行控制系统的安全传输通道，达到通信技术与信号安全技术的深度结合，实现了通信信号一体化。 通信信号一体化是现代铁路信号的重要发展趋势，铁路信号技术发展所依托的新技术，如网络技术，与通信技术的技术标准是一致的，属于技术发展前沿科学，为通信信号一体化提供了理论和技术基础。在借鉴世界各国经验的基础上，结合中国国情、路情，我国已制定了中国统一的CTCS技术标准（暂行）。 七、安全性与可靠性分析 保证铁路运输的安全，要求铁路信号系统具有高可靠性和高安全性。安全评估理论的建立与推广为定量评估铁路信号系统的可靠性和安全性提供了重要手段。 在故障安全理论的发展上，20世纪90年代初，IEC（International Electrician Committee，国际电工委员会）将故障安全的概念进行了量化，制定了安全相关系统的设计和评估标准IEC61508。该标准提出了安全相关系统 的 “安全完善度等级（SIL,Safety Integrity Level）”的概念，它是一个对系统安全的综合评估指标。 IEC61508对安全系统提出了如下要求： 功能性（Functionality），包括容量和响应时间； 可靠性和可维护性（Reliability and Maintainability）； 安全（Safety），包括安全功能和它们相关的硬件/软件安全完善度等级（SIL）； 效率性（Efficiency）； 可用性（Usability）； 轻便性（Portability）。 随后欧洲和日本相应地以IEC61508标准为基础，制定了相关的信号系统的设计评估标准以及安全认证体系。 欧洲电工标准委员会（CENELEC）基于IEC61508标准为基础，附加列车安全控制系统的技术条件制定了一些安全相关系统开发和评估的参考标准。这些标准包括： EN50126铁路应用：可信性、可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）规范和说明；EN50129铁路应用： 信号领域的安全相关电子系统； EN50128铁路应用：铁路控制和防护系统的软件； EN50159-1铁路应用：在封闭传输系统中的安全通信； EN50159-2铁路应用：在开放传输系统中的安全通信。 1996年3月，日本铁道综合技术研究所颁布了“列车安全控制系统的安全性技术指南”，该标准也是以IEC61508为基础，并吸收了日本计算机控制的铁道信号系统的经验而制订的。 八、信号系统的规范化和标准化 随着全球经济一体化的发展，铁路信号系统市场也出现了全球一体化，主要体现在技术规范和安全规范的全球化，如ERTMS/ETCS。 “统一规范、统一标准”是铁路信号系统的发展方向。信号系统的规范化和标准化的制定（如欧洲铁路运输管理系统ERTMS规范），体现了以下的优势： 新产品开发费用低； 由于规范化和标准化的制定考虑了系统的连续性，所以新产品能与老系统兼容； 规范明确定义所有接口（机械、电器、逻辑）标准，系统实现了模块结构，从而实现设备的互通互连； 公开规范和标准，开放市场，促进竞争，降低成本，从而获取最佳产品和最佳价格 铁路信号系统新技术的发展趋势 铁路信号系统新技术的发展趋势11 铁路信号系统新技术的发展与应用(论文) 铁路信号系统拆解 欧洲铁路信号系统概况 高速铁路信号系统 我国铁路信号系统概况 铁路信号系统影响因素 铁路信号系统防雷保护方案 高速铁路信号系统中的PRC系统