新一代智能化轨道交通信号系统ITC的预研方向与管理

邱鹏 樊军艳

摘 要：该文结合现有轨道交通信号系统的运营状况，考虑基于这些信号系统的列车运行所遇到的危及行车安全的系统故障及其他危险源，针对性地提出了进一步改进和完善现有信号系统功能的想法，及些可能应用的科学理论和技术手段。该文描述了基于前述理念提出的新一代智能化列车控制系统ITC（Intelligent train control）的技术方向和预研管理，主要从人工智能、障碍物探测、灾害应对处理、资产管理等技术发展方向进行举例说明，最后描述了该信号系统预先研究的科学管理理念与模式。

关键词：轨道交通 新一代信号系统 智能化 ITC 预研 方向与管理

中图分类号：U284 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0181-03

轨道交通信号系统的发展主要经历了模拟轨道电路系统、数字轨道电路系统、基于通信的列车运行控制系统CBTC（Comm

unication Based Train Control）三個重要阶段，现阶段 CBTC系统被广泛应用。随着科学技术的快速发展，列车自动控制系统ATC（Automatic train control）有望升级至列车智能控制系统ITC（Intelligent train control），且将成为新一代轨道交通信号控制系统的主要研究方向。

对于新一代轨道交通信号系统技术的开发需要启动预先研究，首先应明确其研究方向，即智能化；其次是基于运营需求，明确哪些方面需要进行智能化，以期解决实际运营中的问题；最后应是讨论如何进行智能化，应以怎样的方式方法去组织预先研究与设计活动，以达到设计最大限度满足需求的目的。

1 ITC系统预研方向主要技术的设定及其用例

1.1 人工智能技术

基于对自己所处专业领域的透彻了解，人类技术专家表现出了很高的推理水平。以信号系统基本概念与规则为前提依据，设想应用人工智能中的知识密集型方法建立智能算法来求解一些轨道交通信号系统问题。该算法的优点包括：其一，从人类专家那里获取的经验知识能够被高度直接使用，这在轨道交通信号系统这种高度依赖规则来管理安全苛求及复杂性信息的自动控制领域非常重要；其二，预使用的规则可以被映射为状态空间搜索；其三，具有良好的解释机制，能够应用基于信号系统规则的框架针对性地解释信号系统问题。这些优点使得将该算法应用于新一代轨道交通信号系统智能控制成为可能，为实现智能控制的技术手段提供了基础和依据。

信号系统在控制与维护等多个方面实现智能化，能有效减少信号设备设置，从而降低系统整体故障率，提高其安全可用性，并减少运维成本支出。以下举例说明。

1.1.1 控制智能化

智能化算法除了能很好地实现无人驾驶运营外，还能根据运营中系统设备的各项状态数据，加以智能判断处理。例如，速度传感器PG作为测速以及信号系统车载里程计算的主要原件，其测速的准确性对定位停车控制以及行车安全有直接重大影响。当受到运营环境中的某种瞬间干扰，导致由PG输入的脉冲波形发生异常（包括空转）时，信号系统检测到的速度瞬间急剧增大，很可能在设备没有故障时触碰紧急制动曲线而导致紧停。作为对策，信号系统考虑列车实际加减速度，包括考虑车轴的打滑或空转而发生检测到的速度急剧变化等情况，首先对检测出的速度按照列车运行防护曲线以下一定值进行智能修正，得到一个修正速度，并将此修正速度作为系统认识速度，从而有效减少PG检测速度瞬间异常对ATO控车平稳度的影响。当然这种处理上的智能化是考虑在一定的控制周期间隙并结合运营经验值，在安全容忍范围内实施的。

根据上述控制规则，可应用智能化模糊关系矩阵通过求小、求大运算，离线生成模糊关系矩阵，实现智能化模糊推理。其实现过程的实质是将模糊合成向量、模糊关系矩阵进行合成求小、求大运算生成一个模糊输出向量，最后主要利用加权对该模糊输出向量进行求解即可。

1.1.2 维护智能化

现有ATC系统在设备维护方面，已经能够做到直观反映故障至机柜级，维护人员可通过机柜面板工作指示灯显示判断柜内是否发生故障。对于柜内具体板卡或控制模块的数据传输故障、采集故障等，可以通过读取特定故障显示板卡上的等位组合代码来判断。但此种判断更面向开发者而不是用户。

ITC系统考虑一种故障定位显示方法，对柜内板卡按照一定常规认识规律编号，这种认识规律面向用户，将故障信息与之关联对应。用户通过数码管显示的故障编号直接查找故障，具体到故障板卡。

为实现上述设想，考虑将teleo-reactive技术[1]应用于ITC信号控制系统。teleo-reactive控制组合了基于反馈控制和离散动作规划的特征，它不对动作的离散性和不中断性以及每个动作效果的完全可预测性做出任何假定，只要teleo-reactive动作的前提条件是被满足且与其关联的目标还没有实现，那么这个动作是持续的。可持续动作可以在某个其他的更靠近顶层目标的动作被激活时打断，一个很短的感知——反应循环保证了当环境变化时控制动作也会迅速改变以反映问题解的最新状态。以上所述的动作序列可用一种数据结构来实现，可称其为条件——动作TR（Tree），规则如图1所示。

其中Ci是条件，Ai是与之关联的动作。C0为TR最顶层目标，A0为空动作。若最顶层目标已实现，则不必再做任何事。在teleo-reactive系统的每次循环中从TR的最顶层向下评估每隔Ci直至找到第一个成立的条件，之后执行与之对应的动作。

这与信号控制系统中的ATS（Automa

tic Train Supervision列车自动监控子系统）自排进路原则是一致的。ATS自排进路机制是列车压入设定触发轨道开始触发进路，当进路中所涉元素不满足进路建立条件时，会每隔一定时间再次触发，直至进路建立。而当进路建立过程中已经满足条件的某个元素突然不在既定状态，也会停止进路的继续建立。

一个简单的评估原理示意TR如图2所示。

这个评估会被循环执行，频率接近于电路控制频率。就像ATS触发进路时一样，在设定触发轨道上会循环执行检测进路元素，直至检测到所有元素均在满足进路建立的状态，则触发进路，该进路相当于一个满足条件Ci的动作Ai。

满足上述解释机制的teleo-reactive技术被应用于ITC系统控制是可能的。

1.2 障碍物探测技术

现有信号系统主要通过检测装备列车的位置来进行安全防护，若为基于轨道电路的信号系统还能检测到部分小型施工轨道车、搭接两轨间的金属物件、道床的较深积水等造成的轨道区段非正常占用。但当高架线路出现不明物体坠落悬空于轨道上方、正线隔离墙及各类隔断门发生坍塌但却不压实轨道等状况时，现阶段的信号系统由于判断不出轨道占用而无法进行安全防护。因而，有效的列车防撞系统应增加安装于列车端头的障碍物探测设备，而目前最具先进性、实用性的障碍物探测装备当属雷达（毫米波雷达）。

障碍物探測系统应能探测到列车运行前方一定距离范围（一定距离范围指列车行驶限界范围内、保证最坏情况下列车能够在障碍物前停下的距离）内的障碍物，判断对列车运行安全的危害程度并对驾驶人员发出声光报警。雷达作为该系统的主要功能实现装备，对障碍物的探测功能可包括直线段静态与动态目标识别与判断、架空障碍物识别处理、弯道障碍物识别处理等。雷达对障碍物探测的一般性原理示意图如图3所示。

毫米波雷达探测技术属成熟技术，为将其应用于轨道交通信号系统装备列车上作为提高行车安全的技术手段之可行性提供了研究基础。

1.3 灾害应对处理技术

为进一步确保行车安全，尤其是发生地震、强风等破坏性极强的地质与自然灾害时，能够使列车以最快反应速度减速制动以避免或尽量减小人员伤亡，是新一代轨道交通智能控制系统ITC应该重点考虑的课题。

1.3.1 抗震设计

抗震设计基于首先考虑地震动和评估构造物（如钢轨、道床等）的重要程度以及对行车安全系数的影响程度，据此考虑其应具备的抗震性能。地震作用下构造物的响应值可通过动态解析法或非线性频谱法来计算，之后再通过检算响应值来判断构造物的抗震性能是否能够达到要求。

1.3.2 地震预警系统

地震预警系统通过由地震动加速度传感器和相关记录传输装置构成的地震计来检测超出规定值范围的地震波，并据此判断震情并发送电波。相关区段线路的牵引供电系统接收到该报警电波后即切断该区供电，列车ITC控制系统的停电检测装置检测到牵引停电后即输出紧急制动，最大限度制动列车。地震预警系统及ITC响应示意图分别如图4与图5所示。

1.4 全生命周期的资产管理技术

信号系统的成功管理不仅依赖于系统设备本身的高可靠性，还与系统资产的高效管理息息相关。应用科学的智能手段建立顺畅的管理系统，对于系统及设备全生命周期内的可靠运行、故障恢复、运维养护具有重大意义，从技术方面为运营方降低运营成本、提高企业利润提供支持。

1.4.1 板卡生命周期的延长

智能纳米电路的自组装是实现有效纳米电子的关键技术，自组装能够自动剔除错误形成的元件，并使众多的电路元件自行组织起来，相当于纳米电路能主动地自我配置。大量的电路元件及其尺寸太小造成的脆弱性，若仅仅因为众多电路元件中的一小部分不能正常工作而抛弃整个电路，在可靠性和经济性上都是不可取的。为了解决这一问题，智能纳米电路将会不断地检查自身性能和周围的路由信息，绕过不可靠的连接部分，就像互联网网上路由信息绕过周围无法工作的节点一样。智能纳米技术将极大提升信号系统设备板卡的可用年限。

1.4.2 定义至板卡级的资产管理

普遍的，城轨运营方在资产管理方面过多地依赖人工操作，比如为机柜、板卡、各子系统模块甚至连接缆线等制作一些自定义标识或标签。这些标识或标签在设备运维过程中容易受到损坏，且损坏后若不能及时采取措施，则将给后续运维工作带来不便。设想应用一种非接触式自动识别技术—RFID射频识别，制作一种电子标签。该标签能通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，后期采用智能分析方式处理，识别无需人工干预。将其内置于信号设备板卡之后，用于记录板卡从生产制造、验收运输、调试上线、维护管理、资产报废的全过程信息数据。基于这些信息数据的实时更新，电子标签最终实现对信号系统设备至板卡级的视听化监控与管理，如使用和流动情况、当前位置等的报表查询以及不合理移动、摆放等的跟踪记录与报警。只有将资产智能管理定义至板卡级，才能真正意义上建立起一套规范、先进的信号系统设备资产管理机制。

2 新一代轨道交通信号系统预研的科学管理

预研是新型系统设备研制之前开展的科学研究和技术开发活动，是科研的前期部分。能提前评定技术的成熟程度、生产能力、可靠性、维修性和实际使用能力，为型号研制和生产打好基础。建立起较为完善的信号系统预研管理体制和运行机制，将促进信号系统研发工作的顺利开展，为国产化信号系统赶超外商提供了途径，并为信号系统发展提供雄厚的技术储备。

2.1 预研管理阶段

基础研究、应用研究、先期技术发展是预研过程中密切相关的三个阶段。基础研究着眼于信号系统的长远发展，旨在为新型系统设备提供理论依据和基本知识，增强原始创新能力；应用研究着重于探索新思想、新概念、新原理用于系统设备的可行性，为新型系统的发展提供技术储备；先期技术发展着重于为新型系统设备和改进现役系统设备提供实用的技术成果。

2.2 预研管理设定

2.2.1 注重结合需求牵引与技术推动的原则

一方面，突出需求牵引，研发战略与预研规划的编制，需要以联合能力集成与开发系统制定的能力需求为基础；另一方面，突出技术推动，研发战略与预研规划要充分考虑技术发展情况，客观评价信号系统的科技基础。在制定预研规划的过程中，应坚持规划决策部门、技术开发部门、采办管理部门、销售部门联合参加，注重听取各部门意见，并始终坚持技术评估和技术演示政策，紧密结合现有技术开发能力设定未来发展目标。在预研规划制定后，还要注重结合地铁公司需求，依据技术开发进展，滚动式调整研发战略与预研规划。

2.2.2 注重结合系统性与独立性的模式

一方面，系统性要求较强，强化顶层指导和集中统一领导，采用“基于能力”编制思路，通过战略指导、规划、计划加强对各子系统科技战略与预研规划计划的集中指导和总体协调，增强全系统预研计划的系统性、全局性；另一方面，有较强的独立性，各子系统在预研规划计划编制上，应加以区别，具体做法和程序也各不相同，发挥各部门管理人员和专家的主动性、创造性和业务判断能力。

2.2.3 注重结合时限性与灵活性的程序

建立起一套编制程序，这套程序应体现时限性与灵活性相结合的特点。一方面，时限性要求较强，规范各阶段的责任主体和任务要求，规定了各阶段的开始或结束时间；另一方面体现灵活性要求，实行预研规划计划定期滚动制定。

2.2.4 注重结合专家判断与定量分析的方法

在预研规划计划制定中，采用的模型方法多种多样，注重加强专家经验判断与模型定量分析的结合。一方面主要采用专家经验判断法，每次预研规划计划的编制，需要充分借助各方面专家的经验、智慧和专业知识，增强战略规划的科学性、合理性；另一方面，充分应用各类模型、工具和定量分析方法，在编制时，采用大量的数据分析，对项目进行估算。

2.3 预研管理组织

2.3.1 加强系统工程管理

如果预研时系统设计上存在不足，就会给生产和使用带来隐患，将造成研发出的信号系统可靠性差、使用寿命短、无故障时间短、维修困难，且使用后期费用较高。所以单体设备在制定技术指标时，就要有可靠性指标和维修性要求，做好系统的可靠性和维修性的论证、设计。

2.3.2 加强对技术成熟度的审查评估

技术成熟度评估需要建立衡量技术成熟情况的一套评价体系。

由硬件、软件、制造技术这三类组成，每类的各级技术成熟度的定义可分为：第1级，发现基本原理并形成报告；第2级，形成技术概念和/或应用设想；第3级，关键功能和/或概念的特性得到分析验证和实验室验证；第4级，组件和/或分系统在实验室环境下得到验证；第5级，组件和/或试验模型在仿真环境下得到验证；第6级，系统/分系统模型或原型在仿真环境下得到演示验证；第7级，系统原型在使用环境下得到演示验证；第8级，成品系统完成，并通过试验和演示證明符合要求；第9级，成品系统在实际任务中得到成功应用。

2.3.3 实施颠覆性技术倡议

颠覆性技术概念描绘了一种新产品。这种产品不一定会比现有产品或/和技术先进，并不一定提供给客户更高的质量，但却具有成本优势。在ITC系统预先研究时，在安全容忍范围内加强颠覆性技术实施倡议，以期缩短研发周期，降低ITC系统生产成本，从而达到一种资源节约的目的。

2.4 预研管理中需关注的问题

首先，项目设置应注重专业稳定性和创新性的平衡，在信号系统功能多年来相对稳定的同时，在每年研发项目的选择时，特别注重创新发展的项目，加强颠覆性技术项目激励力度。

其次，应加强预研项目成本估算，建立成本估算分析方法、模型，建立各类成本数据库，进一步提高预研成本估算的准确率。

最后，应注重预研管理部门对项目实施部门的技术支持，在系统全生命周期内，预研管理部门通过展会推介、技术交流、访问互动、合同谈判、设计联络、工厂监造、出厂检验等工作，为项目实施部门提供全面的技术支持。

3 结语

预研是科技长远发展的战略行为，具有重要的战略意义。预研的突破能使技术格局发生转变，并可能带来技术理论、系统观念的根本性变革。对于轨道交通信号系统而言，只有采用跨越式的预先研发，才会结束对国外厂商技术升级的亦步亦趋，才能在国产化的基础上实现技术领先及产业超越。

参考文献

[1] Luger，G.F..人工智能：复杂问题求解的结构和策略[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 郜春海.自主创新CBTC系统的核心技术研究[J].现代城市轨道交通，2014（1）：7-10.

[3] 刘金叶，巩林玉.信号设备智能诊断系统在城市轨道交通系统中的应用[J].城市轨道交通研究，2014（7）：11-15.

[4] 宋丹.新型轨道交通信号系统展望[J].铁路通信信号工程技术，2013（3）：62-63.