隐形交通指挥员：浅述城市轨交信号系统
当前，我国的城市轨交正处在快速发展和建设时期。根据2021年中国城市轨道交通协会发布的《城市轨道交通年度统计分析报告》统计，截至去年年底，中国大陆地区共有50个城市开通城市轨交，运营线路283条，运营线路总长度9206.8公里。
信号系统利用列车和轨道设备之间的通信进行交通管理和基础设施控制，集行车指挥和列车运行控制为一体，是影响列车行驶安全和行驶效率的关键系统。本文将从城市轨交信号系统的系统构成入手，结合当下信号系统面临的工作难点，通过分析其各组成部分的功能，探索针对城市轨交信号系统开发维护的解决方案。
1.城市轨交信号系统的组成及功能
相较于传统信号系统，城市轨交信号系统能够更准确地知道列车的实时位置，并以更加有效、安全的方式来管理轨道交通。
城市轨交信号系统主要由列车自动控制系统（Automatic Train Control，简称ATC）、计算机联锁系统（Computer Interlocking，简称CI）、数据通信子系统（Data Communication Subsystem，简称DCS）、维护支持子系统等多个系统组成。
▲城市轨交信号系统组成示意图
其中，ATC系统包括以下三个子系统：
列车自动防护子系统（Automatic Train Protection，简称ATP）：由地面设备、车载设备组成，监督列车在安全速度下运行，确保列车一旦超过规定速度，立即施行制动。
列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，简称ATS）：由控制中心、车站、车场以及车载设备组成。ATS系统在ATP系统的支持下完成对列车运行的自动监控。
列车自动运行系统（Automatic Train Operation，简称ATO）：由车载设备和地面设备组成，是控制列车自动运行的设备。在ATP系统的保护下，ATO根据ATS的指令实现列车运行的自动驾驶、速度的自动调整、列车车门控制。
三个子系统通过信息交换网络形成闭环，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体，并由此构成一个高效综合自动化系统。
▲某地铁电动客车驾驶台
ATC系统可按闭塞布点、机车信号传输方式、设备所处地域三种分类方式进行分类：
按闭塞布点方式分类：可分为固定闭塞、移动闭塞两种类型。
①固定闭塞以固定的路面闭塞分区为单位，追踪列车间的安全间隔，可分为速度码模式（台阶式）和目标距离码模式（曲线式）；
②移动闭塞可以控制同一条铁路上多列列车的安全间隔时间，使后续列车根据与先行列车之间的距离和进路条件，自动设定运行速度的基于通信，有效防止列车追尾事故的发生，是保障铁路行车安全的重要信号控制系统。移动闭塞是闭塞技术的发展方向，正在发展完善之中，在我国城市轨交系统中已有应用，如武汉轻轨一期、广州地铁3号线、北京地铁10号线等。
按机车信号传输方式分类：可分为连续式和点式。
按各系统设备所处地域分类：可分为控制中心子系统、车站及轨旁子系统、车载设备子系统和车场子系统。
2.城市轨交信号系统的要求——以地铁为例
地铁信号系统的主要目标是通过减少车头时距来增加轨道容量。如果列车之间的任何通信线路中断，那么系统的全部或者部分必须进入故障保护状态，直至故障排除。信号设备故障一般会造成列车晚点、行车间隔较大、列车舒适度较差等问题。相较于地上交通，地下隧道空间小、行车密度大，故障种类较多、影响较大、处理较难、预见性较差，关键设备故障甚至会造成危及行车安全的大事故。
2014年5月2日下午3时32分许，韩国首尔2号线地铁去往蚕室方向的两班列车发生追尾事故，两节车厢脱轨，共造成249名乘客受伤。据报道，此次事故为信号系统的自动安全距离保持装置出现故障所致。
地铁信号系统应具备以下要求：
1、行车安全等级高；
2、设备可靠性等级高，尽可能减少维护、维修的频率；
3、通过能力强大，满足大运量运输要求；
4、信号显示质量高；
5、抗电气化干扰能力强；
6、自动化程度高。
3.城市轨交信号系统安全解决方案
根据《城市轨道交通年度统计分析报告》统计，2021年，全国城市轨交平均客运强度为0.48万人次/公里日，日均客运总量达到6711.3万人次，同比增加1579.6万人次，增长30.8%。城市轨交系统发展得越快，线路密度越强，客运量越大，对城市轨交信号系统高可用性、安全性方面的要求就越高，与之对应的设计开发复杂程度、开发周期、维护成本等呈指数级增长，对开发流程管理要求更严格，对测试验证技术要求更先进。
迪捷软件作为轨交等安全关键领域产品与解决方案提供商，通过涵盖基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，MBSE）的整个生命周期的全系列产品，为城市轨交信号系统开发提供完整的解决方案。
SkyEye天目全数字实时仿真软件，是基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，可通过应用软件仿真技术，逼真地模拟出被测软件运行的硬件环境，并动态执行被测软件进行软件确认与验证。
▲SkyEye仿真城市轨交信号系统模型图
通过SkyEye，工程师可以在几台高性能计算机上，通过分布式部署的方式，仿真出整个城市轨交信号系统组——系统组由几十个VCU（Vehicle Control Unit，整车控制单元）模块组成。SkyEye支持构建多个计算节点，搭建通信系统组用以验证多个计算节点应用系统配置的数据有效性，实现轨交信号系统的快速高效迭代开发和测试维护，实现高可靠的持续集成。
参考文献
[1]城市轨道交通车载信号系统[M]. 西南交通大学出版社，王磊，段立正，2016
[2]城市轨道交通年度统计分析报告[J].中国城市轨道交通协会，2021
[3]Communications-based train control - Wikipedia
