基于通信技術(shù)的城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)研究

黃聰

【摘要】? ? 為了解決傳統(tǒng)交通信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)行性能差、丟包率高等問題，現(xiàn)以“5G無線通信技術(shù)”應(yīng)用為例，設(shè)計(jì)一款功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)。首先，根據(jù)系統(tǒng)原理，提出自動(dòng)控制、人工信號(hào)控制、自動(dòng)進(jìn)路三種信號(hào)控制方式。其次，在完成系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從無線通信程序設(shè)計(jì)、通信信號(hào)損耗分析程序設(shè)計(jì)、列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、列車信號(hào)控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面入手，完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測試，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明：在5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用背景下，本文所設(shè)計(jì)的城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)行正常、可靠、穩(wěn)定，各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求。希望通過這次研究，為相關(guān)從業(yè)人員提供有效的借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G無線通信? ? 通信技術(shù)? ? 城市軌道? ? 交通信號(hào)? ? 控制系統(tǒng)

隨著我國城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市規(guī)模和城市人口呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，私家車被大量涌入家庭生活中，使得私家車的數(shù)量不斷增多，這無疑增加了城市交通擁堵程度。而城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用可以很好地解決這一問題，該系統(tǒng)充分利用5G無線通信技術(shù)，具有立體化、高效率和規(guī)模化等特點(diǎn)，可以有效地解決交通擁堵問題，同時(shí)，還能縮短列車運(yùn)行距離，提高列車行駛的高效性和安全性，為實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)施檢測打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，在5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計(jì)和應(yīng)用城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

一、系統(tǒng)信號(hào)控制方式

該系統(tǒng)工作原理為：通過借助列車的控制中心，自動(dòng)檢測和控制車站控制中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近車站之間信號(hào)的轉(zhuǎn)換和控制。該系統(tǒng)主要包含狀態(tài)監(jiān)控功能、列車識(shí)別功能、信號(hào)控制功能等多種功能，而信號(hào)控制方式主要包含以下三種。

1.1自動(dòng)控制

自動(dòng)控制作為系統(tǒng)正常運(yùn)行的常用的控制方式，該控制方式在具體的運(yùn)用中，需要在處理列車運(yùn)行信息的基礎(chǔ)上，執(zhí)行計(jì)算機(jī)所發(fā)出的多種控制信號(hào)指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車行駛速度和行駛路線的自動(dòng)化調(diào)整和控制。該控制方式主要用到的控制依據(jù)為：通過綜合處理列車當(dāng)前所在的軌道交通線路、各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備的連接狀態(tài)、列車時(shí)刻表、運(yùn)行速度以及列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)和列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)相關(guān)信息，然后，車站控制中心會(huì)自動(dòng)形成一系列控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的規(guī)范化、自動(dòng)化調(diào)度。

1.2人工信號(hào)控制

現(xiàn)階段，自動(dòng)控制方式盡管功能強(qiáng)大，但是仍然無法完全取代人工信號(hào)控制方式，這是由于列車在進(jìn)行交通運(yùn)行期間，經(jīng)常會(huì)遇到多種不可控因素，這些因素是自動(dòng)控制方式無法解決的，因此，人工信號(hào)控制方式在系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行中同樣發(fā)揮出重要作用。人工控制方式在具體的設(shè)計(jì)中，主要借助車站控制模式，對(duì)進(jìn)路狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，使其設(shè)置為“進(jìn)路人工控制”，只有在緊急站控制模式下，系統(tǒng)會(huì)將自動(dòng)控制方式快速轉(zhuǎn)化為人工控制方式。

1.3自動(dòng)進(jìn)路

自動(dòng)進(jìn)路作為一種常用的自動(dòng)控制方式，主要包含以下三種控制方式，分別是人工自動(dòng)進(jìn)路控制方式、計(jì)劃車自動(dòng)進(jìn)路控制方式和頭碼自動(dòng)進(jìn)路控制方式，通過運(yùn)用這三種自動(dòng)進(jìn)路控制方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的科學(xué)化、自動(dòng)化調(diào)度，為提高列車的行駛性能打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)、列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)、列車自動(dòng)交換子系統(tǒng)、列車信號(hào)控制子系統(tǒng)。其中，列車信號(hào)控制子系統(tǒng)主要用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部控制線路的科學(xué)設(shè)置或者對(duì)控制時(shí)間間隔的控制和調(diào)整[1]。此外，該系統(tǒng)通過利用UDP/IP協(xié)議，可以借助信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信信號(hào)的安全交換。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1無線通信程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件在具體的設(shè)計(jì)中，主要借助了套數(shù)字（Socket），有效地保證軟件通信功能的實(shí)現(xiàn)效果。套接字主要包含以下兩種類型：

1.數(shù)據(jù)報(bào)套接字。數(shù)據(jù)報(bào)套接字屬于一種常用的套接字，具有無連接特點(diǎn)，它主要用于對(duì)雙向數(shù)據(jù)流的全面記錄，但無法保證所傳輸信號(hào)的安全性和順序。

2.數(shù)據(jù)流套接字[2]。數(shù)據(jù)流套接字在具體的運(yùn)用中，無法對(duì)邊界雙向數(shù)據(jù)流進(jìn)行記錄，因此，可以保證信號(hào)傳輸?shù)挠行蛐院头€(wěn)定性。套數(shù)字主要用于服務(wù)器/客戶端模型，通過將應(yīng)用程序進(jìn)行科學(xué)劃分，使其被劃分為兩個(gè)組成部分，分別是客戶端和服務(wù)器，通過借助服務(wù)器，可以將處于等待狀態(tài)的客戶端進(jìn)行有效連接[3]，并將連接請(qǐng)求信號(hào)傳輸?shù)椒?wù)器端，由服務(wù)器端將最終響應(yīng)的消息返回到客戶端[4]，軟件程序發(fā)送的數(shù)據(jù)包信息如表1所示。

3.2通信信號(hào)損耗分析程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)的科學(xué)控制，技術(shù)人員還要重視對(duì)通信信號(hào)損耗分析程序設(shè)計(jì)，在這個(gè)過程中，首先，要確定出則受干擾通信信號(hào)損耗程序計(jì)算公式：

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

式（1）中的d為發(fā)送機(jī)與接收機(jī)之間的距離;f為系統(tǒng)內(nèi)部接收的電磁波;g為重力加速度;Ploss（dB）代表路徑損壞結(jié)果。

通常情況下，影響系統(tǒng)最終通信質(zhì)量的因素除了包含路徑損壞程度外，還包含快速衰竭、通信信號(hào)線纜損耗等。

3.3列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成，分別是車載單元、雷達(dá)單元、MMI單元等，其中，車載單元主要包含通信單元、應(yīng)答器單元等組成部分，主要用于對(duì)列車當(dāng)前行駛速度的測定以及行駛位置的定位[5]，同時(shí)，還能對(duì)列車的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，以保證列車行駛的安全性和可靠性l.or雷達(dá)單元主要用于對(duì)列車列車速度的測定以及停穩(wěn)狀態(tài)的檢測。而應(yīng)答器具有強(qiáng)大的信息通信功能，確保車輛與控制中心之間能夠快速進(jìn)行信息共享和交流。MMI單元作為一種常用的人機(jī)交互界面單元[6]，可以幫助司機(jī)在最短時(shí)間內(nèi)快速地了解和把握列車自檢信息、通信信息以及故障出現(xiàn)后的警告等信息。此外，該子系統(tǒng)具有強(qiáng)大的冗余配置功能，通過設(shè)計(jì)這一功能，當(dāng)某一模塊出現(xiàn)異常故障問題時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)切換操作，確保列車行駛的可靠性和安全性[7]。

3.4列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)中，為了保證列車的自動(dòng)化運(yùn)行效果，需要借助計(jì)算機(jī)命令，對(duì)列車的啟動(dòng)狀態(tài)、牽引狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，從而自動(dòng)化調(diào)整和控制列車的行駛速度，確保列車能夠準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)[8]。該子系統(tǒng)的工作原理為：通過借助速度算法信號(hào)控制模式，自動(dòng)執(zhí)行列車所發(fā)出的牽引指令以及制動(dòng)指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車行駛狀態(tài)的自動(dòng)化操控。

3.5列車信號(hào)控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

列車信號(hào)控制子系統(tǒng)主要由以下兩個(gè)部分組成，分別是軌旁設(shè)備和車載設(shè)備，通過借助列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車當(dāng)前行駛位置的自動(dòng)化、精確化定位，同時(shí)，借助信標(biāo)系統(tǒng)，可以向列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)傳輸相應(yīng)信號(hào)，由列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)對(duì)列車的停車位置信息進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷和分析。列車信號(hào)控制子系統(tǒng)內(nèi)部用到的核心單元為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（DSU），通過利用該子系統(tǒng)核心單元，可以向列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)和列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)中傳輸列車行駛所需要的固定信息和變化信息，其中，固定信息主要包含道岔的位置、信號(hào)機(jī)位置、列車線路所對(duì)應(yīng)的坡度以及車站位置等信息;變化信息主要包含列車行駛速度、列車牽引力、負(fù)載、制動(dòng)力等結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外，通過借助列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)與列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)可以借助信息交換設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元所保存的信息進(jìn)行全面記錄，這些信息主要包含故障告警信息、故障時(shí)間信息以及故障處理過程中所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變換信息等，可以最大限度地提高車輛安全驗(yàn)證結(jié)果的精確性和真實(shí)性?？傊?，列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)通過向列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)信息，如發(fā)車授權(quán)信息、停車授權(quán)信息、運(yùn)行方向信息、車站位置等信息，然后，借助列車信號(hào)控制子系統(tǒng)將這些信息全部轉(zhuǎn)化為信號(hào)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車行駛狀態(tài)以及故障信息的全面檢測和控制。

四、系統(tǒng)測試

為了更好地驗(yàn)證城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的可靠性和有效性，現(xiàn)從靜態(tài)測試、動(dòng)態(tài)測試兩個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。在靜態(tài)測試這一環(huán)節(jié)中，需要將該系統(tǒng)安排在隧道內(nèi)部進(jìn)行測試，列車的整個(gè)運(yùn)行距離為隧道起始點(diǎn)到隧道末端之間的距離，然后，根據(jù)信號(hào)點(diǎn)距離劃分結(jié)果，選用合適的信號(hào)檢測設(shè)備，對(duì)各個(gè)信號(hào)點(diǎn)的強(qiáng)弱進(jìn)行全面檢測。本文選用的信號(hào)檢測設(shè)備為NetStumbler軟件，通過利用該軟件，對(duì)不同距離的信號(hào)覆蓋強(qiáng)度進(jìn)行全面檢測后，統(tǒng)計(jì)最終的信號(hào)檢測結(jié)果，并構(gòu)建出如表2和表3所示的軌旁無線設(shè)備測試參數(shù)1和車載無線設(shè)備測試參數(shù)2。

在此基礎(chǔ)上，還要根據(jù)隧道內(nèi)部空間特點(diǎn)，選用合適的防護(hù)工具，采用防護(hù)處理的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)部測試信息的全面保護(hù)，并對(duì)隧道內(nèi)部的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)，還要根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，確定合適的檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、智能化控制，然后，將相同類型的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)于指定的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。此外，還要選取具有代表性的測試地點(diǎn)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢測，同時(shí)，還要制定和完善相應(yīng)的測試操作方案。然后，利用NetStumbler軟件，將系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算裝置與信號(hào)發(fā)送端進(jìn)行有效連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)重要數(shù)據(jù)的安全、可靠地傳輸。靜態(tài)測試模擬圖如圖2所示。通過利用數(shù)據(jù)信息層，對(duì)相應(yīng)的信號(hào)傳輸指令進(jìn)行執(zhí)行，同時(shí)，還要構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)信號(hào)，以提高交通信號(hào)控制的精確性和高效性。通過對(duì)相關(guān)模擬系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化管理，使其內(nèi)部信號(hào)由車輛軌道的一端傳輸?shù)搅硪欢?，然后，?duì)獲取的相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行檢測，最后，根據(jù)最終統(tǒng)計(jì)的信號(hào)狀況，驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。

通過將軌旁無線接人單元與車載無線設(shè)備的距離分別設(shè)置為為150m、300m、450m、700m，車載無線設(shè)備設(shè)置為99mW，根據(jù)相關(guān)操作標(biāo)準(zhǔn)和條件，借助軌旁無線接入單元，利用所檢測的結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)測試操作進(jìn)行不斷優(yōu)化和完善，然后，從測試結(jié)果中，選取比較具有代表性的數(shù)據(jù)信息，將實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)距離、軌旁無線接入單元功率分別設(shè)置為450m、2.715mW，經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)的自動(dòng)化控制。

五、結(jié)束語

綜上所述，在5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用背景下，城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，不僅可以從根本上解決傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行性能差、丟包率高、越區(qū)切換時(shí)間長等問題，還能最大限度地地縮短列車運(yùn)行距離，使得列車行駛的高效性和安全性得以全面提升，從而有效地解決交通擁堵問題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)化、智能化檢測提供重要的技術(shù)支持。由此可見，該系統(tǒng)具有非常高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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