基于通信技术的城市轨道交通信号控制系统研究

黄聪

【摘要】    为了解决传统交通信号控制系统运行性能差、丢包率高等问题，现以“5G无线通信技术”应用为例，设计一款功能完善、实用性强的城市轨道交通信号控制系统。首先，根据系统原理，提出自动控制、人工信号控制、自动进路三种信号控制方式。其次，在完成系统框架设计的基础上，从无线通信程序设计、通信信号损耗分析程序设计、列车自动监控子系统设计、列车自动驾驶子系统设计、列车信号控制子系统设计等方面入手，完成了系统软件设计。最后，对系统进行静态测试，以验证系统的可靠性和稳定性。结果表明：在5G无线通信技术的应用背景下，本文所设计的城市轨道交通信号控制系统运行正常、可靠、稳定，各个功能模块实现满足设计相关要求。希望通过这次研究，为相关从业人员提供有效的借鉴和参考。

【关键词】    5G無线通信    通信技术    城市轨道    交通信号    控制系统

随着我国城市化建设进程的不断推进，城市规模和城市人口呈现出不断上升的趋势，私家车被大量涌入家庭生活中，使得私家车的数量不断增多，这无疑增加了城市交通拥堵程度。而城市轨道交通信号控制系统的设计和应用可以很好地解决这一问题，该系统充分利用5G无线通信技术，具有立体化、高效率和规模化等特点，可以有效地解决交通拥堵问题，同时，还能缩短列车运行距离，提高列车行驶的高效性和安全性，为实现对列车运行状态的实施检测打下坚实的基础。因此，在5G无线通信技术的应用背景下，如何科学地设计和应用城市轨道交通信号控制系统是技术人员必须思考和解决的问题。

一、系统信号控制方式

该系统工作原理为：通过借助列车的控制中心，自动检测和控制车站控制中心，以实现对邻近车站之间信号的转换和控制。该系统主要包含状态监控功能、列车识别功能、信号控制功能等多种功能，而信号控制方式主要包含以下三种。

1.1自动控制

自动控制作为系统正常运行的常用的控制方式，该控制方式在具体的运用中，需要在处理列车运行信息的基础上，执行计算机所发出的多种控制信号指令，以实现对列车行驶速度和行驶路线的自动化调整和控制。该控制方式主要用到的控制依据为：通过综合处理列车当前所在的轨道交通线路、各个子系统设备的连接状态、列车时刻表、运行速度以及列车自动监控子系统和列车自动驾驶子系统相关信息，然后，车站控制中心会自动形成一系列控制信号，以实现对车辆的规范化、自动化调度。

1.2人工信号控制

现阶段，自动控制方式尽管功能强大，但是仍然无法完全取代人工信号控制方式，这是由于列车在进行交通运行期间，经常会遇到多种不可控因素，这些因素是自动控制方式无法解决的，因此，人工信号控制方式在系统的整个运行中同样发挥出重要作用。人工控制方式在具体的设计中，主要借助车站控制模式，对进路状态进行设置，使其设置为“进路人工控制”，只有在紧急站控制模式下，系统会将自动控制方式快速转化为人工控制方式。

1.3自动进路

自动进路作为一种常用的自动控制方式，主要包含以下三种控制方式，分别是人工自动进路控制方式、计划车自动进路控制方式和头码自动进路控制方式，通过运用这三种自动进路控制方式，可以实现对列车的科学化、自动化调度，为提高列车的行驶性能打下坚实的基础。

二、系统框架设计

系统框架设计示意图如图1所示，从图1中可以看出，该系统主要由以下几个子系统组成，分别是列车自动驾驶子系统、列车自动监控子系统、列车自动交换子系统、列车信号控制子系统。其中，列车信号控制子系统主要用于对系统内部控制线路的科学设置或者对控制时间间隔的控制和调整[1]。此外，该系统通过利用UDP/IP协议，可以借助信号系统设备，实现对通信信号的安全交换。

三、系统软件设计

3.1无线通信程序设计

该系统软件在具体的设计中，主要借助了套数字（Socket），有效地保证软件通信功能的实现效果。套接字主要包含以下两种类型：

1.数据报套接字。数据报套接字属于一种常用的套接字，具有无连接特点，它主要用于对双向数据流的全面记录，但无法保证所传输信号的安全性和顺序。

2.数据流套接字[2]。数据流套接字在具体的运用中，无法对边界双向数据流进行记录，因此，可以保证信号传输的有序性和稳定性。套数字主要用于服务器/客户端模型，通过将应用程序进行科学划分，使其被划分为两个组成部分，分别是客户端和服务器，通过借助服务器，可以将处于等待状态的客户端进行有效连接[3]，并将连接请求信号传输到服务器端，由服务器端将最终响应的消息返回到客户端[4]，软件程序发送的数据包信息如表1所示。

3.2通信信号损耗分析程序设计

为了实现对交通信号的科学控制，技术人员还要重视对通信信号损耗分析程序设计，在这个过程中，首先，要确定出则受干扰通信信号损耗程序计算公式：

Ploss（dB）=201gf+18.61gd+41.6                        （1）

式（1）中的d为发送机与接收机之间的距离;f为系统内部接收的电磁波;g为重力加速度;Ploss（dB）代表路径损坏结果。

通常情况下，影响系统最终通信质量的因素除了包含路径损坏程度外，还包含快速衰竭、通信信号线缆损耗等。

3.3列车自动监控子系统设计

列车自动监控子系统主要由以下几个部分组成，分别是车载单元、雷达单元、MMI单元等，其中，车载单元主要包含通信单元、应答器单元等组成部分，主要用于对列车当前行驶速度的测定以及行驶位置的定位[5]，同时，还能对列车的实际运行参数进行自动化监控，以保证列车行驶的安全性和可靠性l.or雷达单元主要用于对列车列车速度的测定以及停稳状态的检测。而应答器具有强大的信息通信功能，确保车辆与控制中心之间能够快速进行信息共享和交流。MMI单元作为一种常用的人机交互界面单元[6]，可以帮助司机在最短时间内快速地了解和把握列车自检信息、通信信息以及故障出现后的警告等信息。此外，该子系统具有强大的冗余配置功能，通过设计这一功能，当某一模块出现异常故障问题时，系统可以自动切换操作，确保列车行驶的可靠性和安全性[7]。

3.4列车自动驾驶子系统设计

列车自动驾驶子系统在具体的设计中，为了保证列车的自动化运行效果，需要借助计算机命令，对列车的启动状态、牵引状态和制动状态进行实时监测和控制，从而自动化调整和控制列车的行驶速度，确保列车能够准点到达[8]。该子系统的工作原理为：通过借助速度算法信号控制模式，自动执行列车所发出的牵引指令以及制动指令，以实现对列车行驶状态的自动化操控。

3.5列车信号控制子系统设计

列车信号控制子系统主要由以下两个部分组成，分别是轨旁设备和车载设备，通过借助列车自动驾驶子系统运算，可以实现对列车当前行驶位置的自动化、精确化定位，同时，借助信标系统，可以向列车自动驾驶子系统传输相应信号，由列车自动驾驶子系统对列车的停车位置信息进行准确地判断和分析。列车信号控制子系统内部用到的核心单元为数据存储单元（DSU），通过利用该子系统核心单元，可以向列车自动监控子系统和列车自动驾驶子系统中传输列车行驶所需要的固定信息和变化信息，其中，固定信息主要包含道岔的位置、信号机位置、列车线路所对应的坡度以及车站位置等信息;变化信息主要包含列车行驶速度、列车牵引力、负载、制动力等结构参数。此外，通过借助列车自动监控子系统与列车自动驾驶子系统可以借助信息交换设备，对数据存储单元所保存的信息进行全面记录，这些信息主要包含故障告警信息、故障时间信息以及故障处理过程中所对应的数据变换信息等，可以最大限度地提高车辆安全验证结果的精确性和真实性。总之，列车自动监控子系统通过向列车自动驾驶子系统传输准确可靠的数据信息，如发车授权信息、停车授权信息、运行方向信息、车站位置等信息，然后，借助列车信号控制子系统将这些信息全部转化为信号命令，实现对列车行驶状态以及故障信息的全面检测和控制。

四、系统测试

为了更好地验证城市轨道交通信号控制系统的可靠性和有效性，现从静态测试、动态测试两个环节出发，对系统的性能进行测试。在静态测试这一环节中，需要将该系统安排在隧道内部进行测试，列车的整个运行距离为隧道起始点到隧道末端之间的距离，然后，根据信号点距离划分结果，选用合适的信号检测设备，对各个信号点的强弱进行全面检测。本文选用的信号检测设备为NetStumbler软件，通过利用该软件，对不同距离的信号覆盖强度进行全面检测后，统计最终的信号检测结果，并构建出如表2和表3所示的轨旁无线设备测试参数1和车载无线设备测试参数2。

在此基础上，还要根据隧道内部空间特点，选用合适的防护工具，采用防护处理的方式，实现对隧道内部测试信息的全面保护，并对隧道内部的数据状态进行实时监测，同时，还要根据数据状态，确定合适的检验目标，只有这样，才能实现对不同方位系统数据的自动化、智能化控制，然后，将相同类型的数据传输和存储于指定的数据库内。此外，还要选取具有代表性的测试地点，对相关数据进行全面检测，同时，还要制定和完善相应的测试操作方案。然后，利用NetStumbler软件，将系统内部的计算装置与信号发送端进行有效连接，以实现对重要数据的安全、可靠地传输。静态测试模拟图如图2所示。通过利用数据信息层，对相应的信号传输指令进行执行，同时，还要构建相应的数据传导信号，以提高交通信号控制的精确性和高效性。通过对相关模拟系统进行自动化管理，使其内部信号由车辆轨道的一端传输到另一端，然后，对获取的相应信号进行检测，最后，根据最终统计的信号状况，验证系统的性能。

通过将轨旁无线接人单元与车载无线设备的距离分别设置为为150m、300m、450m、700m，车载无线设备设置为99mW，根据相关操作标准和条件，借助轨旁无线接入单元，利用所检测的结果，对系统测试操作进行不断优化和完善，然后，从测试结果中，选取比较具有代表性的数据信息，将实验检验距离、轨旁无线接入单元功率分别设置为450m、2.715mW，经过测试，发现本文所设计的系统可以提高数据传输的稳定性，实现对交通信号的自动化控制。

五、结束语

综上所述，在5G无线通信技术的应用背景下，城市轨道交通信号控制系统的设计与应用，不仅可以从根本上解决传统系统运行性能差、丢包率高、越区切换时间长等问题，还能最大限度地地缩短列车运行距离，使得列车行驶的高效性和安全性得以全面提升，从而有效地解决交通拥堵问题，为实现对列车运行状态的动态化、智能化检测提供重要的技术支持。由此可见，该系统具有非常高的应用价值和应用前景，值得被进一步推广和应用。

参  考  文  献

[1]才让草.基于通信控制系统（CBTC）的城市轨道交通信号控制系统研究[J].西部交通科技，2020（9）：18-19.

[2]冯浩楠，臧永立，王俊高，等.重庆与纽约的城市轨道交通互联互通CBTC系统标准对比研究[J].西部交通科技，2020，23（11）：38-43.

[3]姜坚华，崔科.城市轨道交通列车运行控制系统的发展方向[J].城市轨道交通研究，2020，23（11）：6-9.

[4]杨志慧，楚彭子，王潇骁，等.城市轨道交通全自动一体化智能运行系统研究[J].铁道通信信号， 2020，56（4）：73-77.

[5]王健，文成祥.互联互通信号系统在既有线延伸段工程中的适用性[J].城市轨道交通研究， 2020，23（9）：65-69.

[6]范楷，冯浩楠，段宏伟，等.基于近距离通信的站台门控制新方案[J].城市轨道交通研究，2020，23（1）：168-173.

[7]高漸强.基于北斗导航的列车定位技术研究[J].铁路通信信号工程技术，2020，17（5）：71-73，96.

[8]柳晓峰，李骏，罗显光，等.多功能城轨列车网络控制系统实验平台应用与推广[Z].中车株洲电力机车有限公司.2019，29（13）：129-132.