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铁路信号系统新技术的发展趋势

导读: 随着铁路运输提速、重载的发展,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安全性和实时性的要求。

  近20多年来,在运输市场激烈竞争的压力下,各国铁路,特别是发达国家铁路为实现提速、高速和重载运输,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。

 

  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、日本京山公司、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。

 

  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,也就是RTOS的应用程序接口(API,Application Programming Interface)。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。在铁路这样恶劣工作环境下的计算机系统,对系统安全性、可靠性、可用性的要求更高,必须使用安全计算机,以保证系统能安全、可靠、不间断地工作。而安全计算机系统的软件核心就是RTOS。目前,英国的西屋公司(Westinghouse)已经在列车运行控制系统中采用了RTOS,瑞典也有很多铁路通信和控制系统采用OSE实时操作系统。

 

  随着铁路运输提速、重载的发展,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安全性和实时性的要求。因此,全面引进计算机技术,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 Processing)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,我国的轨道电路的信号发送、接收以及机车信号的接收普通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。

 

  随着当代铁路的发展,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GSM—R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。通信信号一体化是现代铁路信号的重要发展趋势,铁路信号技术发展所依托的新技术,如网络技术,与通信技术的技术标准是一致的,属于技术发展前沿科学,为通信信号一体化提供了理论和技术基础。在借鉴世界各国经验的基础上,结合中国国情、路情,我国已制定了中国统一的CTCS技术标准(暂行)。

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