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1、铁路信号系统新技术的发展与应用（论文） 摘要铁路为实现高速、高密度和重载运输的需要，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。 关键词故障-安全技术、 实时操作系统开发平台、数字信号处理、计算机网络技术的应用、通信技术与控制技术的结 合、通信信号一体化 近 10 多年来，运输市场竞争激烈，各国铁路，特别是我国 铁路为实现高速、高密度和重载运输的需要，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
2、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
3、过内核服务函数形式交给用户调用的。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。
4、 三、数字信号处理新技术的应用 随着 铁路运输发展，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 路运输的安全性和实时性。因此，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（DSP,Digital Signal Pr ocessing）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
5、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，我国区间采用的 ZPW2000-A 信号发送、接收以及机车信号的 接收都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
6、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。 （一）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 配置系统资源，保证铁路系统的安全、高效运行。 （二）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。 （三）智能化，智能化包括系统的智能化与控制设备的智
7、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
8、（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） 。其具有以下特点：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
9、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置构成分隔点，这种简易形式仍然保 留固定长度的闭塞分区（FAS，Fixed Autoblock 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。 六、通信信号一体化 随着当
10、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
11、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
12、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。 七、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： （一）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； （二）规范明确定义所有接口（机械、电
13、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。 参考文献 马桂贞 微机联锁系统 西南交通大 学出版社 2001 陈红霞 以微机为基础的铁路信号设备的可靠性设计与分析西南交通大学图书馆，2005，第 5 期 吴汶麒 城市轨道交通信号与通信系统 北京 中国铁道出版社, 1998. 阮春欣 铁路信号容错技术 北京：中国铁道出版社，1997：5065 摘要铁路为实现高速、高密度和重载运输的需要，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。 关键词故障-安全技术、 实时操
14、作系统开发平台、数字信号处理、计算机网络技术的应用、通信技术与控制技术的结 合、通信信号一体化 近 10 多年来，运输市场竞争激烈，各国铁路，特别是我国 铁路为实现高速、高密度和重载运输的需要，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。
15、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。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
16、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。 三、数字信号处理新技术的应用 随着 铁路运输发展，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 路运输的安全性和实时性。因此，引进计算机技术，利用计算机的高速分析计算功能，来提 高
