摘要：城市轨道交通作为交通方式中的重要组成，有利于改善人们出行拥挤的现状，满足人们对时效的需求。城市轨道交通的安全性是人们关注的问题，轨道交通信号是交通安全的保障的基础，因此应当对轨道交通控制系统进行分析，明确轨道交通控制方式，并结合目前热门的5G技术，实现信号传输及控制进一步强化，满足城市轨道交通高效运行目标。
关键词：城市轨道交通；信号控制；5G
城市轨道交通作为城市交通中的重要组成，信号控制对安全行驶具有重要意义。我国城市化水平的不断提升，城市圈范围扩大，城市人口不断扩张，交通日益拥挤，轨道交通的应用依然是缓解交通压力的主要发展方向。随着交通建设规模不断扩张，列车与地面通信的要求不断提升，通信安全性及可行性要求提升，通信系统建设应当符合实际需求，为乘客安全出行提供保障。现阶段城市轨道交通移动通信无线传输利用无线局域网，WLAN、WiMAX、McWill等几种方式。已经建设成功的IEEE802.11b/g技术无法满足实时宽带要求，还需对通信系统进行优化，才能保障信号的有效传输，解决人们的出行安全问题。
1.城市轨道交通信号的控制的意义
城市轨道交通为现代化城市发展及建设的重要基础，对人们生活及工作等产生重要影响。轨道列车在运行过程中，交通信号控制能够发挥引导进站及闭塞区信息传输、行驶速度调整等作用。从而实现交通信号的合理及规范控制，保障轨道列车的稳定运行及安全驾驶。城市轨道交通在速度方面主要为超速或者高速，运行时需要交通信号进行控制，从而保障列车能够及时停车及通行。交通信号控制方式选择及应用对轨道列车的性能发挥及设备维护起到一定作用。现代城市轨道交通列车在高速行驶过程中容易出现设备破坏问题，与信号控制选择及应用具有直接联系。交通信号合理控制能够减少对列车元件及设备的破坏。因此，现代轨道交通信号控制选择较为具有重要意义。
2.城市轨道交通信号控制系统
2.1列车自动监控系统
列车自动监控系统采取第一种控制方式为集中控制方式，在列车进站控制功能及列车运行计划中，这些环节能够在集中控制体现。集中控制的自动监控系统，设备及车站数据传输涉及到列车运行安全问题，常规利用光缆作为信息传输的渠道。这种类型的系统相对成熟，但相关设备不足，设备功能集中，使得设备的整体负荷量大，加之通信数据要求的不断提升，设备容易出现故障，且在集中性的影响下，若设备出现故障，则对整体运行造成影响。
第二种控制方式为集中监控的分散控制。控制中心单纯对列车整体运行进行控制，并为列车运行设置监管计划，不直接对列车进行全面操控，列车进站及相对运行过程由各个子站系统进行控制。这种控制方式有利于缩减负荷量，列车数据传输对列车运行的安全性不会造成影响，若列车一旦发生故障，可利用降级运行方式，从而使列车的整体运行不会受到影响。
第三种控制方式为自治分散控制。自治分散控制系统随着计算机技术的发展被应用于城市交通轨道系统，列车在常规运行过程中控制中心能够对全线列车进行整体监控及管理，车站负责查看列车的进出站状态，但中央计算机及车站的计算机地位等同，功能具有一致性，能够对列车进行控制，中央计算机及车站计算机相互协作，在中心计算机出现故障的情况下，车站计算机能够取代其控制系统，从而对交通线路进行操控，实现交通的全线监督。这种系统优点在于灵活性及可靠性良好，但相比车站设备较多且复杂。
在列车自动监控系统选择过程中，集中方式逐渐向分散控制方式过渡，控制方式变得多元化。城市轨道交通控制系统中，集中控制最大缺陷在于车站实时传输数据量大，中央计算机负荷量较大，且对信号传输的质量要求较高，其中涉及到安全传输等问题。现代已经定型的传输媒介包括电缆等，需具备传输系统，数据传播质量一般，容易对列车的整体运行效率造成影响。若OCC系统出现问题，对整个列车运行造成影响。中央集中控制及分散控制系统在新时期，OCC系统及车站数据传输主要利用光数字传输方式，传输速度能够实现2Mbps，随着技术发展，列车监控系统性能将进一步提升。由于监控系统需要的设备较为复杂，还需在各个站投入更大的精力，在控制方式选择过程中，需思考成本，合理对中央控制系统及分散系统进行结合。列车监控系统还可利用授权方式，获得与集中控制一致的效果。
2.2列车自动运行系统
列车自动运行系统中分级速度信号控制系统较为常见，列车速度被控制为阶梯状。自动运行系统中的设备可以为列车传输下一闭塞区速度数据，列车运行设备可根据实际情况对列车速度进行调整，也就是列车在下一闭塞区进口及出口速度，从而对列车速度进行控制，明确与前车的间隔闭塞区，通过行车速度及线路数据等设定闭塞区，从而保障列车行进的安全性。目标距离控制系统为自动运行系统的另一种控制方式，若利用该系统控制列车速度，列车经常会利用一次模式的行车速度，自动运行设备能够为列车行进提供信息，相应的区域会得到线路数据，列车的车载设备能够对路段信息进行处理，根据设计的列车速度，制定一次模式的列车速度，或者向系统发布行车权限指令，从而使列车不使用提前制动，保障列车行驶的安全性，缩短列车运行的间隔。轨道线路目标距离信号系统，闭塞分区划分等级及数量，需要根据线路运行数据信息及追踪间隔设定等确定，从而有效划分闭塞分区。
2.3信号闭塞系统
根据列车通信方式，自动控制系统可将轨道为基础的通信系统及TBS作为基础通信。轨道为基础的电路通信系统，具备固定的轨道作为闭塞分区，国际中称为固定闭塞信号系统，我国将分级信号系统称为闭塞信号系统。轨道交通电路目标距离控制方式需要自系统方式及信息传递上思考，使固定闭塞及移动闭塞在合理范围，从而将目标距离控制在移动闭塞范围，因此可以将目标距离控制系统命名为准移动闭塞系统。通信系统并没有固定的分区，追踪列车安全距离需要根据列车实际情况进行设计，从而此信号系统命名为移动闭塞信号系统。
在固定闭塞信号系统中，利用固定闭塞信号系统，列车能获得进入闭塞区的速度控制，分为不同的速度等级，根据标准控制速度等级，列车控制采取阶梯式控制运行运动曲线。固定闭塞信号系统信息传输一般利用信息音频电路检查列车，这种常规为无绝缘体轨道，列车传输速度规定在一定范围。且在车站中设定ATP及ATO信息传输设备，能有效将数据传输。比如北京地铁及上海地铁利用分级控制方式。
在准移动闭塞信号控制系统中，列车能获得距离运行目标的信息数据，或者列车权限，这种列车控制方式为一次控制模式。准移动闭塞信号能够分为两种，第一种为信息数据传递交流模式，第二种为数字信息传输模式。第一种利用多种信号音频及无绝缘轨道检查列车，利用列车速度等级命令，针对不同设备能够采取不同的传递方式，可向列车发送ATO及ATP信号。目前我国城市轨道交通中，信号传输主要利用TWC设备。第二种方式利用数据传递信息，在列车中传输ATP及ATO信号，车载设备根据行车距离应用安全方式，从而保障列车行进的安全性。车地信息系统可利用TWC设备，我国广州及上海部分地铁利用此方式传输信号。
在移动闭塞信号系统中，确保列车平稳运行，利用先进科学技术对速度进行控制，从而保障列车精准定位，实现列车双向数据传输，改善列车行驶过程中的发送指令次数，从而保障列车运行效率，提升轨道交通能力，缩短列车运行的间隔距离。移动闭塞信号系统利用一次控制模式，此系统中前车及后车安全距离需根据列车运行现状决定，根据列车运动曲线决定闭塞系统，根据精确数据对列车进行定位。列车定位精确度高，列车运行过程中可根据列车所在区域确定列车位置，从而保障车辆制动距离。列车在停车位置选择时，根据不同闭塞区入口停车，实现缩短列车行车距离的目标。随着科学技术的发展，轨道交通逐渐实现交叉电缆及无线扩频技术的信号传输，并实现通信双向交换。无线扩频通信技术为通信技术的先进技术，信号在此背景下能高效传输，具有强大的抗干扰能力，且准确计算行车间距，目前在城市轨道交通中广泛应用。
闭塞信号系统在选择时，固定闭塞系统可采取分级控制，该控制方式相对传统，较多的方面无法满足运输需求，对乘客舒适度造成影响。闭塞式信号系统是列车运行的数据传输方式，利用一次模拟曲线，从而缩短列车运行间隔。移动闭塞系统，利用先进科学技术传输数据，能够双向传导，传输速度较快，且有效定位，将列车行进过程中信息传递问题解决。
3.城市轨道交通5G技术的应用
5G技术作为现阶段的热门通信技术，受到人们的热切关注，5G技术在城市轨道交通中的应用，将使得信号控制能力提升，保障数据传输的实时性，满足城市交通轨道发展的需求，不断优化通信传输速度，以下为对城市轨道交通5G通信技术的应用进行分析。
3.1高速通信
现阶段城市轨道交通LTE-M系统利用1785-1805MHz频段，但受到各个地区资源差异的约束，部分地区只能利用10ZHz宽带。对信号系统安全性及可靠性进行分析，将10MHz宽带分为A、B双网模式，从而检测得到单网使用下的数据活动量，见表1。
表1LTE-M上下行数据活动量（Mbit/s）
根据我国城市轨道技术装备方案，在不同运行的等级中，列车运行的综合业务及紧急文件业务等传输效率具有明确要求。见表2.
表2不同业务的传输速度要求（Mbit/s）
集群调度业务传输速度并未明确要求，但根据实际情况，单路高清视频在4Mbit/s下及2Mbit/s上。不同业务最小单位的背景下，5MHz宽带LTE-M通信速度无法满足业务设计需求，尤其为多业务并发的的情况下，比如多列车同在一个区段中通信，单网承载无法满足需求，从而使业务扩展空间被约束。在此问题的影响下，有效解决方案为设计多个网络承载不同业务，但该方式导致后期网络建设存在困难，维护难度较大。
5G技术使得多种通信技术频谱效率提升，在原有宽带情况下获得更高的通信效率 ，利用高频段的通信将频谱资源紧张问题改善，从而实现短距及高速通信。利用多种技术，5G网络使得频谱效率提升至4G的10倍左右，利用现测效率，上行通信速度能保持在18.5-37Mbit/s间，下行通信速度能够在42-84Mbit/s间。不只单网能够开展多项业务，还有利于提升多路高清视频，从而满足业务需求，简化新线设计的复杂度，降低维护难度。5G网络的综合承载力提升，使施工安装设备减少，有助于缩短施工工期，从而在有限空间满足改造需求。
3.2低延时，可靠性良好
追踪间隔能够使列车在一定时间间隔线路互不影响，不只是衡量列车运行效率的关键，也是确保列车安全运行的依据。无线通信为CBTC系统实现较小间基础，通信延迟则会导致车载及地面设备信息出现偏差，信息的可靠性降低，对列车追踪间隔及运行效率造成影响。据《城市轨道交通装备技术规范》，要求通信系统单向传输延时在150ms概率小于98%，在2s以下的概率在99.92%以上。但实际检测的LTE-M网络模拟单路CBTC业务在5M宽带中的延时情况为，单漏缆最小延时为11.5ms，平均延时为16.5ms，最大延时为67ms；双漏缆MIMO最小延时为11.5ms，平均延时为16.5ms，最大延时为54.5ms。在不同延时背景下，列车追踪间隔及最优速度中，无通信延时的理想情况下，列车追踪间隔为33.06s，若延时为200ms时，列车追踪间隔为38.27s。5G技术的应用，将两端延时降低至1ms内，使运行间隔缩短，从而使虚拟连挂及编组运行具有可行性，且通信延时的不断减小，使得系统可靠性提升，保障列车的运行安全。
3.3海量用户超密集组网
随着5G网络通信宽带提升，5G网络能够承载更多业务，实现大量无线设备组网通信。现有车载及地面有线连接组网设备，能够更改为无线组网，使布线量减少，保障设备的灵活配置，降低集中放置设备需求，有利于设备的维护及安装。为使系统安全性及可靠性提升，可适当设置传感器及监控设备，利用无线网络实现车载设备及轨旁设备监控，利用大数据分析技术，发现潜在故障，并将信息技术反馈于信号控制中心，从而获取准确信息，保障行车安全，使城市轨道交通高效运行。上述业务会面临终端接入问题，5G技术能够支持海量终端接入，根据不同终端特点，提供优先级及安全认证，为5G技术的应用奠定基础。
3.4大规模天线阵列
大规模天线阵列基于5G技术的应用，能够利用天线空分原理，使统一频段资源服务多个用户，不只提升频谱效率，还会增加传输的可靠性。该技术不只是能够解决城市轨道交通中的设备接入问题，还能利用波束赋性使波束传播具有方向性，能够据此判断列车所在位置，追踪列车轨迹，从而在适当的车辆段及换乘站场景使用。通信技术的发展，使得能量损耗问题严重，国内外在通信节能方面设置不同的标准。城市轨道交通根据我国相关政策，不断优化网络，降低能源消耗。5G自网络 构架及网络部署、资源调度等方面实现优化，保障系统的运行效率，减少传输过程中的能源消耗，从而实现提升能量效率及成本的目标，为实现节能减排提供技术基础，对城市轨道交通未来发展具有一定动力。
结束语
现代交通信息系统建设过程中，交通信号控制对列车运行效率具有较大的影响，自动控制系统作为现今城市轨道交通安全控制系统，能够保障列车运行的安全性，但系统能力还需不断调整，解决网络延时问题，使信号传输具有实时性、准确性、可靠性，随着5G网络技术的应用，通信传输功能将进一步改善，从而使信号实现精准传输，实现快速高效的列车运行。
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作者简介：文豪（1990.08--），男，湖北武汉人，助理工程师，硕士，主要从事城市轨道交通通信、信号技术管理工作。
论文作者:文豪
论文发表刊物:《信息技术时代》2018年6期
论文发表时间:2019/3/15
标签：列车论文; 信号论文; 闭塞论文; 轨道交通论文; 系统论文; 方式论文; 城市论文; 《信息技术时代》2018年6期论文;