城市軌道交通信號系統安全技術研究

李守輝，趙樹洋

（青島地鐵運營有限公司，山東青島 266035）

隨著我國軌道交通事業的發展，很多先進技術開始被應用于鐵路系統中，其中信號系統是整個軌道交通系統的中樞神經，控制著整個交通的順利運行，所以，對軌道交通信號系統安全技術進行充分研究意義重大。

1 軌道交通信號系統簡述

CBTC（Communication-Based Train Control）和TACS（Train Automatic Control System）是目前國內先進軌道交通信號系統中常用的列車自動控制系統，這兩個系統基于通信技術，可通過無線通信和數據傳輸實現列車的自動控制和監控。CBTC 系統利用無線通信技術，將列車與信號設備間的通信實現無線化，極大提高了信號傳輸的可靠性和效率。其通過實時監測列車位置和速度等信息，可實現列車的精確控制和調度，提高了軌道交通的運行效率和安全性。TACS系統是一種基于通信的列車自動控制系統，其通過無線通信和數據傳輸實現列車的自動駕駛和控制。其可實時監測列車的位置、速度和運行狀態等信息，并根據預設的運行計劃和安全規則，自動控制列車的運行和停車，其還可以提高列車的運行效率和安全性，減少人為操作的錯誤和事故風險。CBTC 和TACS 系統的引入，使得軌道交通系統的運行更加智能化和自動化，并通過無線通信和數據傳輸，實現了列車的精確控制和調度，提高了軌道交通的運行效率和安全性，為乘客提供了更加便捷和可靠的出行體驗。

2 軌道交通信號系統運行存在的問題

軌道交通信號系統運行中存在的一些問題會影響交通的安全性、效率和準時性，以下為常見的一些問題。

（1）信號故障。信號燈模式作為后備模式，在自動運行模式下處于長滅狀態，即在自動運行模式下，信號燈將不會發出任何信號，保持燈光長時間熄滅。這種模式通常用于緊急情況或其他需要暫時關閉信號燈的情況。在這種模式下，駕駛員需要依靠其他交通標志和規則來進行導航和行駛。

（2）信號沖突。在軌道交通系統中，不同線路的列車可能會在交叉口或分岔口處相遇，如果信號系統不能正確判斷列車的位置和行駛方向，會導致信號沖突，增加事故的風險。

（3）信號延遲。軌道交通信號系統中的信號燈或者信號機出現延遲問題，即信號的切換速度較慢，導致列車的行駛速度受限，影響交通的準時性和效率。

（4）信號優化。軌道交通信號系統中的信號燈或信號機的設置不夠科學合理，使得交通流量難以得到最優化的調度，造成交通擁堵或交通流動性差的問題出現。

（5）信號通信。軌道交通信號系統中的信號設備間需要進行通信，如果通信系統存在故障或不穩定，造成信號信息傳遞不及時或錯誤，將影響交通的安全性及準時性。

（6）信號人為操作錯誤。軌道交通信號系統的操作人員會出現操作錯誤，例如誤判信號、誤操作信號設備等，導致列車的行駛方向錯誤或信號顯示錯誤，增加了事故風險。

為解決以上問題，需要對信號系統進行科學合理的設計、優化，并加強對操作人員的培訓監督，以確保軌道交通的安全、高效、準時運行。

3 軌道交通信號系統安全技術

3.1 保護數據完整性

數據完整性保護在CBTC/TACS 通信中至關重要，因為傳輸的數據包含了列車位置、速度、指令等關鍵信息。如果數據被篡改或丟失，會導致列車運行出現嚴重問題，甚至造成事故。為確保數據的完整性，可采用數據加密技術。數據加密是一種將原始數據轉換為密文的過程，只有具備解密密鑰的合法接收方才能解密并使用數據，經過加密傳輸的數據，即使被攻擊者截獲，也難以解密和篡改數據。數據加密技術可采用對稱加密或非對稱加密。對稱加密使用相同的密鑰進行加密和解密，速度較快，但密鑰的安全性需要得到保證。非對稱加密使用公鑰和私鑰進行加密和解密，安全性較高，但速度較慢。在CBTC/TACS 通信中，可根據實際需求選擇適合的加密算法和密鑰管理方式。除數據加密，還可采用數據完整性校驗技術，其是通過計算數據的校驗值，并將其與接收到的數據進行比對，以驗證數據是否被篡改。常用的數據完整性校驗算法包括CRC（循環冗余校驗）和哈希函數等。綜上所述，保護數據完整性是CBTC/TACS 通信中的重要任務。通過采用數據加密技術和數據完整性校驗技術，可有效防止數據被篡改或丟失，確保通信的安全性和可靠性。

3.2 列車控制系統

（1）列車控制系統依賴于準確的位置和速度信息，使用各種傳感器和測量設備，系統可實時獲取列車的位置和速度數據，這些數據被傳輸到控制中心，用于計算列車間的安全間隔，并確定適當的信號燈狀態。

（2）列車控制系統按照列車的位置和速度信息，自動調整信號燈的狀態。當列車接近一個信號燈時，系統會根據列車的速度和位置，判斷是否需要改變信號燈的狀態，如果列車需要減速或停車，系統會相應地改變信號燈為紅色，以防止其他列車進入同一區段。相反，如果列車能夠安全地繼續前進，系統會將信號燈改為綠色，允許列車通過。

（3）列車控制系統能根據列車的位置和速度信息，進行列車的調度和優化，系統按照列車的實際運行情況，動態調整列車的運行速度和位置，以最大程度地提高列車的運行效率和安全性。例如，系統通過列車的實際到達時間和預定的發車時間，調整列車的運行速度，以確保列車能夠按時到達目的地。

（4）列車控制系統可與其他列車控制系統和調度系統進行通信協調，通過與其他系統的無縫集成，其能充分協調列車間的運行，防止碰撞和其他安全問題的發生。

總之，列車控制系統是一種關鍵的技術系統，可通過使用信號系統控制列車的運行速度和位置，以確保列車間的安全間隔。該系統利用列車的位置和速度信息，自動調整信號燈的狀態，從而保證列車的安全運行。通過準確的位置和速度信息、自動調整信號燈狀態、列車調度和優化及與其他系統的協調，列車控制系統能夠提高列車的運行效率及安全性。

3.3 防護裝置

道岔鎖閉裝置是一種常見的防護裝置，被安裝在軌道上的道岔處，其主要功能是防止列車在道岔處發生脫軌事故，當列車接近道岔時，道岔鎖閉裝置會自動鎖定道岔，確保其保持在正確的位置，這樣，即使列車以較高的速度通過道岔，也不會發生脫軌的危險。信號系統中的緊急制動裝置也是一種重要的防護裝置。在緊急情況下，如列車發生故障或遇到危險情況時，緊急制動裝置可迅速停車。該裝置通過與信號系統相連，可及時接收緊急停車指令，一旦接收到指令，緊急制動裝置會立即啟動，施加大力矩到列車的制動系統上，使列車能夠迅速停下來，以避免任何潛在的危險。此外，防護裝置還包括其他技術設備，如列車防撞裝置和列車防火裝置。列車防撞裝置通過使用傳感器和計算機系統，可檢測列車間的距離和速度差異。一旦檢測到潛在的碰撞風險，防撞裝置會自動觸發緊急制動裝置，以避免碰撞事故的發生。而列車防火裝置則通過使用火災探測器和自動滅火系統，及時發現并撲滅列車上的火災，保護乘客的生命安全?？傊?，防護裝置在軌道交通信號系統中發揮著至關重要的作用，其通過使用先進的技術設備，可確保列車和乘客的安全。道岔鎖閉裝置、緊急制動裝置、列車防撞裝置和列車防火裝置等都是防護裝置的重要組成部分，共同工作，以確保軌道交通系統的安全運行。

3.4 通信系統

通信系統通過先進的通信技術，使列車可向信號控制中心報告自身的位置和狀態，包括列車的準確位置、速度、加速度及其他相關參數。通過及時傳輸相關數據，信號控制中心能夠準確了解列車的運行情況，從而做出相應的調度及控制決策。同時，通信系統允許信號控制中心向列車發送指令和警告信息，包括列車的行駛速度、停車位置、換軌指示等。通過及時傳遞這些指令，信號控制中心能夠實時控制列車的運行，保證列車按照預定的路線和時刻表運行。為實現高效的通信，通信系統嘗試融入多種技術手段，其中包括無線通信技術，如無線電通信和衛星通信，以及有線通信技術，如光纖通信和電纜通信。通信系統還具備一定的容錯能力和安全性，可通過冗余設計和數據加密等手段，提高系統的可靠性及安全性?？傊?，軌道交通信號系統中的通信系統可通過實現列車與信號控制中心間的高效信息交換，確保列車運行的安全性和順暢性。通過及時傳輸列車的位置和狀態信息，以及向列車發送指令和警告信息，通信系統可實現對列車的實時控制與調度，提高軌道交通系統的運行效率及安全性。

3.5 故障檢測與診斷系統

故障檢測與診斷系統利用先進的傳感器技術，對信號設備進行實時監測，傳感器能夠監測信號設備的電氣參數、溫度、振動等關鍵指標，以便及時發現異常情況。通過對這些數據進行實時分析、處理，系統能準確判斷出信號設備是否存在故障。一旦故障被檢測到，故障檢測與診斷系統會立即通過聲音、光線、文字等多種形式進行報警，以確保相關人員能夠及時獲得故障信息。同時，系統還會將故障信息傳輸給維修人員，以便他們迅速響應并進行修復工作。在故障修復過程中，故障檢測與診斷系統發揮著重要的作用。系統會按照故障類型和位置，提供詳細的診斷信息，幫助維修人員快速定位故障原因，同時，系統還能夠提供修復方案和操作指導，以確保修復工作的高效進行。此外，故障檢測與診斷系統還具備數據記錄和分析功能，系統會將故障發生的時間、位置、原因等信息進行記錄，并進行統計和分析。通過對這些數據的分析，發現故障的規律和趨勢，可為信號設備的維護和改進提供有價值的參考?？傊?，故障檢測與診斷系統是確保軌道交通信號系統正常運行的重要技術系統。通過實時監測、及時報警和修復，系統能夠保證信號系統的可靠性和安全性。同時，系統還具備數據記錄和分析功能，可為信號設備的維護和改進提供有力支持。

3.6 數據記錄與分析系統

數據記錄與分析系統在軌道交通信號系統中起著至關重要作用。該系統通過收集和分析列車運行數據，全面評估信號系統的性能和安全性，通過對數據的深入分析，及時發現潛在的安全隱患，并采取相應的措施進行改進和優化。

（1）數據記錄與分析系統能夠實時收集列車運行過程中的各種數據，包括列車位置、速度、加速度、制動力等。這些數據通過傳感器和監測設備進行采集，并以數字化的形式存儲在數據庫中，以便系統能夠精準地記錄列車的運行狀態，為后續的數據分析提供可靠的基礎。

（2）數據記錄與分析系統能夠對收集到的數據展開深入分析。運用各種數據分析算法和模型，系統可從海量的數據中提取出有價值的信息。例如，分析列車的運行速度和加速度數據，評估信號系統的響應時間和準確性。同時，分析列車的位置數據，檢測列車是否存在偏離軌道的情況，以及評估信號系統的位置控制能力。

（3）數據記錄與分析系統通過比對歷史數據和實時數據，可進行異常檢測和預警，并建立一系列的數據模型和規則，用于監測列車運行數據的變化趨勢。一旦發現異常情況，系統會及時發出警報，以便相關人員能夠采取相應的措施進行處理，從而有效提高信號系統的安全性和可靠性。

（4）數據記錄與分析系統可為信號系統的改進和優化提供有力支持，通過對歷史數據的回顧和分析，發現信號系統存在的問題和瓶頸，并提出相應的改進方案。同時，系統能夠模擬不同的運行場景，評估改進方案的效果和影響，幫助工程師和決策者做出科學的決策，提高信號系統的性能和效率。

4 結束語

軌道交通信號系統的安全性至關重要，對于保障乘客和行人的生命安全具有重要意義，需要不斷加強研究和創新，以確保軌道交通信號系統的安全性能不斷提升。