邱鵬 樊軍艷

摘 要：該文結(jié)合現(xiàn)有軌道交通信號系統(tǒng)的運營狀況，考慮基于這些信號系統(tǒng)的列車運行所遇到的危及行車安全的系統(tǒng)故障及其他危險源，針對性地提出了進(jìn)一步改進(jìn)和完善現(xiàn)有信號系統(tǒng)功能的想法，及些可能應(yīng)用的科學(xué)理論和技術(shù)手段。該文描述了基于前述理念提出的新一代智能化列車控制系統(tǒng)ITC（Intelligent train control）的技術(shù)方向和預(yù)研管理，主要從人工智能、障礙物探測、災(zāi)害應(yīng)對處理、資產(chǎn)管理等技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行舉例說明，最后描述了該信號系統(tǒng)預(yù)先研究的科學(xué)管理理念與模式。

關(guān)鍵詞：軌道交通 新一代信號系統(tǒng) 智能化 ITC 預(yù)研 方向與管理

中圖分類號：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0181-03

軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了模擬軌道電路系統(tǒng)、數(shù)字軌道電路系統(tǒng)、基于通信的列車運行控制系統(tǒng)CBTC（Comm

unication Based Train Control）三個重要階段，現(xiàn)階段 CBTC系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，列車自動控制系統(tǒng)ATC（Automatic train control）有望升級至列車智能控制系統(tǒng)ITC（Intelligent train control），且將成為新一代軌道交通信號控制系統(tǒng)的主要研究方向。

對于新一代軌道交通信號系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)需要啟動預(yù)先研究，首先應(yīng)明確其研究方向，即智能化；其次是基于運營需求，明確哪些方面需要進(jìn)行智能化，以期解決實際運營中的問題；最后應(yīng)是討論如何進(jìn)行智能化，應(yīng)以怎樣的方式方法去組織預(yù)先研究與設(shè)計活動，以達(dá)到設(shè)計最大限度滿足需求的目的。

1 ITC系統(tǒng)預(yù)研方向主要技術(shù)的設(shè)定及其用例

1.1 人工智能技術(shù)

基于對自己所處專業(yè)領(lǐng)域的透徹了解，人類技術(shù)專家表現(xiàn)出了很高的推理水平。以信號系統(tǒng)基本概念與規(guī)則為前提依據(jù)，設(shè)想應(yīng)用人工智能中的知識密集型方法建立智能算法來求解一些軌道交通信號系統(tǒng)問題。該算法的優(yōu)點包括：其一，從人類專家那里獲取的經(jīng)驗知識能夠被高度直接使用，這在軌道交通信號系統(tǒng)這種高度依賴規(guī)則來管理安全苛求及復(fù)雜性信息的自動控制領(lǐng)域非常重要；其二，預(yù)使用的規(guī)則可以被映射為狀態(tài)空間搜索；其三，具有良好的解釋機制，能夠應(yīng)用基于信號系統(tǒng)規(guī)則的框架針對性地解釋信號系統(tǒng)問題。這些優(yōu)點使得將該算法應(yīng)用于新一代軌道交通信號系統(tǒng)智能控制成為可能，為實現(xiàn)智能控制的技術(shù)手段提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

信號系統(tǒng)在控制與維護(hù)等多個方面實現(xiàn)智能化，能有效減少信號設(shè)備設(shè)置，從而降低系統(tǒng)整體故障率，提高其安全可用性，并減少運維成本支出。以下舉例說明。

1.1.1 控制智能化

智能化算法除了能很好地實現(xiàn)無人駕駛運營外，還能根據(jù)運營中系統(tǒng)設(shè)備的各項狀態(tài)數(shù)據(jù)，加以智能判斷處理。例如，速度傳感器PG作為測速以及信號系統(tǒng)車載里程計算的主要原件，其測速的準(zhǔn)確性對定位停車控制以及行車安全有直接重大影響。當(dāng)受到運營環(huán)境中的某種瞬間干擾，導(dǎo)致由PG輸入的脈沖波形發(fā)生異常（包括空轉(zhuǎn)）時，信號系統(tǒng)檢測到的速度瞬間急劇增大，很可能在設(shè)備沒有故障時觸碰緊急制動曲線而導(dǎo)致緊停。作為對策，信號系統(tǒng)考慮列車實際加減速度，包括考慮車軸的打滑或空轉(zhuǎn)而發(fā)生檢測到的速度急劇變化等情況，首先對檢測出的速度按照列車運行防護(hù)曲線以下一定值進(jìn)行智能修正，得到一個修正速度，并將此修正速度作為系統(tǒng)認(rèn)識速度，從而有效減少PG檢測速度瞬間異常對ATO控車平穩(wěn)度的影響。當(dāng)然這種處理上的智能化是考慮在一定的控制周期間隙并結(jié)合運營經(jīng)驗值，在安全容忍范圍內(nèi)實施的。

根據(jù)上述控制規(guī)則，可應(yīng)用智能化模糊關(guān)系矩陣通過求小、求大運算，離線生成模糊關(guān)系矩陣，實現(xiàn)智能化模糊推理。其實現(xiàn)過程的實質(zhì)是將模糊合成向量、模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行合成求小、求大運算生成一個模糊輸出向量，最后主要利用加權(quán)對該模糊輸出向量進(jìn)行求解即可。

1.1.2 維護(hù)智能化

現(xiàn)有ATC系統(tǒng)在設(shè)備維護(hù)方面，已經(jīng)能夠做到直觀反映故障至機柜級，維護(hù)人員可通過機柜面板工作指示燈顯示判斷柜內(nèi)是否發(fā)生故障。對于柜內(nèi)具體板卡或控制模塊的數(shù)據(jù)傳輸故障、采集故障等，可以通過讀取特定故障顯示板卡上的等位組合代碼來判斷。但此種判斷更面向開發(fā)者而不是用戶。

ITC系統(tǒng)考慮一種故障定位顯示方法，對柜內(nèi)板卡按照一定常規(guī)認(rèn)識規(guī)律編號，這種認(rèn)識規(guī)律面向用戶，將故障信息與之關(guān)聯(lián)對應(yīng)。用戶通過數(shù)碼管顯示的故障編號直接查找故障，具體到故障板卡。

為實現(xiàn)上述設(shè)想，考慮將teleo-reactive技術(shù)[1]應(yīng)用于ITC信號控制系統(tǒng)。teleo-reactive控制組合了基于反饋控制和離散動作規(guī)劃的特征，它不對動作的離散性和不中斷性以及每個動作效果的完全可預(yù)測性做出任何假定，只要teleo-reactive動作的前提條件是被滿足且與其關(guān)聯(lián)的目標(biāo)還沒有實現(xiàn)，那么這個動作是持續(xù)的?？沙掷m(xù)動作可以在某個其他的更靠近頂層目標(biāo)的動作被激活時打斷，一個很短的感知——反應(yīng)循環(huán)保證了當(dāng)環(huán)境變化時控制動作也會迅速改變以反映問題解的最新狀態(tài)。以上所述的動作序列可用一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，可稱其為條件——動作TR（Tree），規(guī)則如圖1所示。

其中Ci是條件，Ai是與之關(guān)聯(lián)的動作。C0為TR最頂層目標(biāo)，A0為空動作。若最頂層目標(biāo)已實現(xiàn)，則不必再做任何事。在teleo-reactive系統(tǒng)的每次循環(huán)中從TR的最頂層向下評估每隔Ci直至找到第一個成立的條件，之后執(zhí)行與之對應(yīng)的動作。

這與信號控制系統(tǒng)中的ATS（Automa

tic Train Supervision列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)）自排進(jìn)路原則是一致的。ATS自排進(jìn)路機制是列車壓入設(shè)定觸發(fā)軌道開始觸發(fā)進(jìn)路，當(dāng)進(jìn)路中所涉元素不滿足進(jìn)路建立條件時，會每隔一定時間再次觸發(fā)，直至進(jìn)路建立。而當(dāng)進(jìn)路建立過程中已經(jīng)滿足條件的某個元素突然不在既定狀態(tài)，也會停止進(jìn)路的繼續(xù)建立。

一個簡單的評估原理示意TR如圖2所示。

這個評估會被循環(huán)執(zhí)行，頻率接近于電路控制頻率。就像ATS觸發(fā)進(jìn)路時一樣，在設(shè)定觸發(fā)軌道上會循環(huán)執(zhí)行檢測進(jìn)路元素，直至檢測到所有元素均在滿足進(jìn)路建立的狀態(tài)，則觸發(fā)進(jìn)路，該進(jìn)路相當(dāng)于一個滿足條件Ci的動作Ai。

滿足上述解釋機制的teleo-reactive技術(shù)被應(yīng)用于ITC系統(tǒng)控制是可能的。

1.2 障礙物探測技術(shù)

現(xiàn)有信號系統(tǒng)主要通過檢測裝備列車的位置來進(jìn)行安全防護(hù)，若為基于軌道電路的信號系統(tǒng)還能檢測到部分小型施工軌道車、搭接兩軌間的金屬物件、道床的較深積水等造成的軌道區(qū)段非正常占用。但當(dāng)高架線路出現(xiàn)不明物體墜落懸空于軌道上方、正線隔離墻及各類隔斷門發(fā)生坍塌但卻不壓實軌道等狀況時，現(xiàn)階段的信號系統(tǒng)由于判斷不出軌道占用而無法進(jìn)行安全防護(hù)。因而，有效的列車防撞系統(tǒng)應(yīng)增加安裝于列車端頭的障礙物探測設(shè)備，而目前最具先進(jìn)性、實用性的障礙物探測裝備當(dāng)屬雷達(dá)（毫米波雷達(dá)）。

障礙物探測系統(tǒng)應(yīng)能探測到列車運行前方一定距離范圍（一定距離范圍指列車行駛限界范圍內(nèi)、保證最壞情況下列車能夠在障礙物前停下的距離）內(nèi)的障礙物，判斷對列車運行安全的危害程度并對駕駛?cè)藛T發(fā)出聲光報警。雷達(dá)作為該系統(tǒng)的主要功能實現(xiàn)裝備，對障礙物的探測功能可包括直線段靜態(tài)與動態(tài)目標(biāo)識別與判斷、架空障礙物識別處理、彎道障礙物識別處理等。雷達(dá)對障礙物探測的一般性原理示意圖如圖3所示。

毫米波雷達(dá)探測技術(shù)屬成熟技術(shù)，為將其應(yīng)用于軌道交通信號系統(tǒng)裝備列車上作為提高行車安全的技術(shù)手段之可行性提供了研究基礎(chǔ)。

1.3 災(zāi)害應(yīng)對處理技術(shù)

為進(jìn)一步確保行車安全，尤其是發(fā)生地震、強風(fēng)等破壞性極強的地質(zhì)與自然災(zāi)害時，能夠使列車以最快反應(yīng)速度減速制動以避免或盡量減小人員傷亡，是新一代軌道交通智能控制系統(tǒng)ITC應(yīng)該重點考慮的課題。

1.3.1 抗震設(shè)計

抗震設(shè)計基于首先考慮地震動和評估構(gòu)造物（如鋼軌、道床等）的重要程度以及對行車安全系數(shù)的影響程度，據(jù)此考慮其應(yīng)具備的抗震性能。地震作用下構(gòu)造物的響應(yīng)值可通過動態(tài)解析法或非線性頻譜法來計算，之后再通過檢算響應(yīng)值來判斷構(gòu)造物的抗震性能是否能夠達(dá)到要求。

1.3.2 地震預(yù)警系統(tǒng)

地震預(yù)警系統(tǒng)通過由地震動加速度傳感器和相關(guān)記錄傳輸裝置構(gòu)成的地震計來檢測超出規(guī)定值范圍的地震波，并據(jù)此判斷震情并發(fā)送電波。相關(guān)區(qū)段線路的牽引供電系統(tǒng)接收到該報警電波后即切斷該區(qū)供電，列車ITC控制系統(tǒng)的停電檢測裝置檢測到牽引停電后即輸出緊急制動，最大限度制動列車。地震預(yù)警系統(tǒng)及ITC響應(yīng)示意圖分別如圖4與圖5所示。

1.4 全生命周期的資產(chǎn)管理技術(shù)

信號系統(tǒng)的成功管理不僅依賴于系統(tǒng)設(shè)備本身的高可靠性，還與系統(tǒng)資產(chǎn)的高效管理息息相關(guān)。應(yīng)用科學(xué)的智能手段建立順暢的管理系統(tǒng)，對于系統(tǒng)及設(shè)備全生命周期內(nèi)的可靠運行、故障恢復(fù)、運維養(yǎng)護(hù)具有重大意義，從技術(shù)方面為運營方降低運營成本、提高企業(yè)利潤提供支持。

1.4.1 板卡生命周期的延長

智能納米電路的自組裝是實現(xiàn)有效納米電子的關(guān)鍵技術(shù)，自組裝能夠自動剔除錯誤形成的元件，并使眾多的電路元件自行組織起來，相當(dāng)于納米電路能主動地自我配置。大量的電路元件及其尺寸太小造成的脆弱性，若僅僅因為眾多電路元件中的一小部分不能正常工作而拋棄整個電路，在可靠性和經(jīng)濟(jì)性上都是不可取的。為了解決這一問題，智能納米電路將會不斷地檢查自身性能和周圍的路由信息，繞過不可靠的連接部分，就像互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)上路由信息繞過周圍無法工作的節(jié)點一樣。智能納米技術(shù)將極大提升信號系統(tǒng)設(shè)備板卡的可用年限。

1.4.2 定義至板卡級的資產(chǎn)管理

普遍的，城軌運營方在資產(chǎn)管理方面過多地依賴人工操作，比如為機柜、板卡、各子系統(tǒng)模塊甚至連接纜線等制作一些自定義標(biāo)識或標(biāo)簽。這些標(biāo)識或標(biāo)簽在設(shè)備運維過程中容易受到損壞，且損壞后若不能及時采取措施，則將給后續(xù)運維工作帶來不便。設(shè)想應(yīng)用一種非接觸式自動識別技術(shù)—RFID射頻識別，制作一種電子標(biāo)簽。該標(biāo)簽?zāi)芡ㄟ^射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，后期采用智能分析方式處理，識別無需人工干預(yù)。將其內(nèi)置于信號設(shè)備板卡之后，用于記錄板卡從生產(chǎn)制造、驗收運輸、調(diào)試上線、維護(hù)管理、資產(chǎn)報廢的全過程信息數(shù)據(jù)。基于這些信息數(shù)據(jù)的實時更新，電子標(biāo)簽最終實現(xiàn)對信號系統(tǒng)設(shè)備至板卡級的視聽化監(jiān)控與管理，如使用和流動情況、當(dāng)前位置等的報表查詢以及不合理移動、擺放等的跟蹤記錄與報警。只有將資產(chǎn)智能管理定義至板卡級，才能真正意義上建立起一套規(guī)范、先進(jìn)的信號系統(tǒng)設(shè)備資產(chǎn)管理機制。

2 新一代軌道交通信號系統(tǒng)預(yù)研的科學(xué)管理

預(yù)研是新型系統(tǒng)設(shè)備研制之前開展的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)活動，是科研的前期部分。能提前評定技術(shù)的成熟程度、生產(chǎn)能力、可靠性、維修性和實際使用能力，為型號研制和生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。建立起較為完善的信號系統(tǒng)預(yù)研管理體制和運行機制，將促進(jìn)信號系統(tǒng)研發(fā)工作的順利開展，為國產(chǎn)化信號系統(tǒng)趕超外商提供了途徑，并為信號系統(tǒng)發(fā)展提供雄厚的技術(shù)儲備。

2.1 預(yù)研管理階段

基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、先期技術(shù)發(fā)展是預(yù)研過程中密切相關(guān)的三個階段。基礎(chǔ)研究著眼于信號系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展，旨在為新型系統(tǒng)設(shè)備提供理論依據(jù)和基本知識，增強原始創(chuàng)新能力；應(yīng)用研究著重于探索新思想、新概念、新原理用于系統(tǒng)設(shè)備的可行性，為新型系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)儲備；先期技術(shù)發(fā)展著重于為新型系統(tǒng)設(shè)備和改進(jìn)現(xiàn)役系統(tǒng)設(shè)備提供實用的技術(shù)成果。

2.2 預(yù)研管理設(shè)定

2.2.1 注重結(jié)合需求牽引與技術(shù)推動的原則

一方面，突出需求牽引，研發(fā)戰(zhàn)略與預(yù)研規(guī)劃的編制，需要以聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)制定的能力需求為基礎(chǔ)；另一方面，突出技術(shù)推動，研發(fā)戰(zhàn)略與預(yù)研規(guī)劃要充分考慮技術(shù)發(fā)展情況，客觀評價信號系統(tǒng)的科技基礎(chǔ)。在制定預(yù)研規(guī)劃的過程中，應(yīng)堅持規(guī)劃決策部門、技術(shù)開發(fā)部門、采辦管理部門、銷售部門聯(lián)合參加，注重聽取各部門意見，并始終堅持技術(shù)評估和技術(shù)演示政策，緊密結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)能力設(shè)定未來發(fā)展目標(biāo)。在預(yù)研規(guī)劃制定后，還要注重結(jié)合地鐵公司需求，依據(jù)技術(shù)開發(fā)進(jìn)展，滾動式調(diào)整研發(fā)戰(zhàn)略與預(yù)研規(guī)劃。

2.2.2 注重結(jié)合系統(tǒng)性與獨立性的模式

一方面，系統(tǒng)性要求較強，強化頂層指導(dǎo)和集中統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，采用“基于能力”編制思路，通過戰(zhàn)略指導(dǎo)、規(guī)劃、計劃加強對各子系統(tǒng)科技戰(zhàn)略與預(yù)研規(guī)劃計劃的集中指導(dǎo)和總體協(xié)調(diào)，增強全系統(tǒng)預(yù)研計劃的系統(tǒng)性、全局性；另一方面，有較強的獨立性，各子系統(tǒng)在預(yù)研規(guī)劃計劃編制上，應(yīng)加以區(qū)別，具體做法和程序也各不相同，發(fā)揮各部門管理人員和專家的主動性、創(chuàng)造性和業(yè)務(wù)判斷能力。

2.2.3 注重結(jié)合時限性與靈活性的程序

建立起一套編制程序，這套程序應(yīng)體現(xiàn)時限性與靈活性相結(jié)合的特點。一方面，時限性要求較強，規(guī)范各階段的責(zé)任主體和任務(wù)要求，規(guī)定了各階段的開始或結(jié)束時間；另一方面體現(xiàn)靈活性要求，實行預(yù)研規(guī)劃計劃定期滾動制定。

2.2.4 注重結(jié)合專家判斷與定量分析的方法

在預(yù)研規(guī)劃計劃制定中，采用的模型方法多種多樣，注重加強專家經(jīng)驗判斷與模型定量分析的結(jié)合。一方面主要采用專家經(jīng)驗判斷法，每次預(yù)研規(guī)劃計劃的編制，需要充分借助各方面專家的經(jīng)驗、智慧和專業(yè)知識，增強戰(zhàn)略規(guī)劃的科學(xué)性、合理性；另一方面，充分應(yīng)用各類模型、工具和定量分析方法，在編制時，采用大量的數(shù)據(jù)分析，對項目進(jìn)行估算。

2.3 預(yù)研管理組織

2.3.1 加強系統(tǒng)工程管理

如果預(yù)研時系統(tǒng)設(shè)計上存在不足，就會給生產(chǎn)和使用帶來隱患，將造成研發(fā)出的信號系統(tǒng)可靠性差、使用壽命短、無故障時間短、維修困難，且使用后期費用較高。所以單體設(shè)備在制定技術(shù)指標(biāo)時，就要有可靠性指標(biāo)和維修性要求，做好系統(tǒng)的可靠性和維修性的論證、設(shè)計。

2.3.2 加強對技術(shù)成熟度的審查評估

技術(shù)成熟度評估需要建立衡量技術(shù)成熟情況的一套評價體系。

由硬件、軟件、制造技術(shù)這三類組成，每類的各級技術(shù)成熟度的定義可分為：第1級，發(fā)現(xiàn)基本原理并形成報告；第2級，形成技術(shù)概念和/或應(yīng)用設(shè)想；第3級，關(guān)鍵功能和/或概念的特性得到分析驗證和實驗室驗證；第4級，組件和/或分系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下得到驗證；第5級，組件和/或試驗?zāi)Ｐ驮诜抡姝h(huán)境下得到驗證；第6級，系統(tǒng)/分系統(tǒng)模型或原型在仿真環(huán)境下得到演示驗證；第7級，系統(tǒng)原型在使用環(huán)境下得到演示驗證；第8級，成品系統(tǒng)完成，并通過試驗和演示證明符合要求；第9級，成品系統(tǒng)在實際任務(wù)中得到成功應(yīng)用。

2.3.3 實施顛覆性技術(shù)倡議

顛覆性技術(shù)概念描繪了一種新產(chǎn)品。這種產(chǎn)品不一定會比現(xiàn)有產(chǎn)品或/和技術(shù)先進(jìn)，并不一定提供給客戶更高的質(zhì)量，但卻具有成本優(yōu)勢。在ITC系統(tǒng)預(yù)先研究時，在安全容忍范圍內(nèi)加強顛覆性技術(shù)實施倡議，以期縮短研發(fā)周期，降低ITC系統(tǒng)生產(chǎn)成本，從而達(dá)到一種資源節(jié)約的目的。

2.4 預(yù)研管理中需關(guān)注的問題

首先，項目設(shè)置應(yīng)注重專業(yè)穩(wěn)定性和創(chuàng)新性的平衡，在信號系統(tǒng)功能多年來相對穩(wěn)定的同時，在每年研發(fā)項目的選擇時，特別注重創(chuàng)新發(fā)展的項目，加強顛覆性技術(shù)項目激勵力度。

其次，應(yīng)加強預(yù)研項目成本估算，建立成本估算分析方法、模型，建立各類成本數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步提高預(yù)研成本估算的準(zhǔn)確率。

最后，應(yīng)注重預(yù)研管理部門對項目實施部門的技術(shù)支持，在系統(tǒng)全生命周期內(nèi)，預(yù)研管理部門通過展會推介、技術(shù)交流、訪問互動、合同談判、設(shè)計聯(lián)絡(luò)、工廠監(jiān)造、出廠檢驗等工作，為項目實施部門提供全面的技術(shù)支持。

3 結(jié)語

預(yù)研是科技長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略行為，具有重要的戰(zhàn)略意義。預(yù)研的突破能使技術(shù)格局發(fā)生轉(zhuǎn)變，并可能帶來技術(shù)理論、系統(tǒng)觀念的根本性變革。對于軌道交通信號系統(tǒng)而言，只有采用跨越式的預(yù)先研發(fā)，才會結(jié)束對國外廠商技術(shù)升級的亦步亦趨，才能在國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先及產(chǎn)業(yè)超越。

參考文獻(xiàn)

[1] Luger，G.F..人工智能：復(fù)雜問題求解的結(jié)構(gòu)和策略[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 郜春海.自主創(chuàng)新CBTC系統(tǒng)的核心技術(shù)研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2014（1）：7-10.

[3] 劉金葉，鞏林玉.信號設(shè)備智能診斷系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2014（7）：11-15.

[4] 宋丹.新型軌道交通信號系統(tǒng)展望[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2013（3）：62-63.