新一代智能化轨道交通信号系统ITC的预研方向与管理The Proposed Research Direction and Management of the New Generation Intelligent TrainControl（ITC）System《科技创新导报》文章编号：1674-098X(2015)09(b)-0181-03南京恩瑞特实业有限公司Nanjing NRIET Industrial Co., Ltd.邱鹏、樊军艳摘要：本文结合现有轨道交通信号系统的运营状况，考虑基于这些信号系统的列车运行所遇到的危及行车安全的系统故障及其他危险源，针对性地提出了进一步改进和完善现有信号系统功能的想法，并一些可能应用的科学理论和技术手段。
本文描述了基于前述理念提出的新一代智能化列车控制系统ITC(Intelligent train control)的技术方向和预研管理，主要从人工智能、障碍物探测、灾害应对处理、资产管理等技术发展方向进行举例说明，最后描述了该信号系统预先研究的科学管理理念与模式。
关键词：轨道交通；新一代信号系统；智能化；ITC；预研；方向与管理Abstract：Combined with the existing rail transit signal system operating state, considering some system faults and any other hazards that will affect the train running security based on these existing signal system, this paper targeted puts forward ideas to improve the function of these signal system. Some scientific theories and technical means may be applied are referred as well. The paper describes the technical direction and the proposed research management of the new generation rail transit signal system ITC (Intelligent train control) which was introduced based on the concept mentioned above. The technology development direction of the artificial intelligence, obstacle detection, disaster response and processing, assets management and so on is specially presented, and based on which the scientific management conception and mode of the proposed research of the ITC is described.Keywords：Rail transit, New generation signal system, Intelligent, ITC, Proposed research, Directions and management1、概述轨道交通信号系统的发展主要经历了模拟轨道电路系统、数字轨道电路系统、基于通信的列车运行控制系统CBTC(Communication Based Train Control）三个重要阶段，现阶段CBTC系统被广泛应用。
随着科学技术的快速发展，列车自动控制系统ATC（Automatic train control）有望升级至列车智能控制系统ITC（Intelligent train control），且将成为新一代轨道交通信号控制系统的主要研究方向。
对于新一代轨道交通信号系统技术的开发需要启动预先研究，首先应明确其研究方向，即智能化；其次是基于运营需求，明确哪些方面需要进行智能化，以期解决实际运营中的问题；最后应是讨论如何进行智能化，应以怎样的方式方法去组织预先研究与设计活动，以达到设计最大限度满足需求的目的。
2、ITC系统预研方向主要技术的设定及其用例2.1 人工智能技术基于对自己所处专业领域的透彻了解，人类技术专家表现出了很高的推理水平。
以信号系统基本概念与规则为前提依据，设想应用人工智能中的知识密集型方法建立智能算法来求解一些轨道交通信号系统问题。
该算法的优点包括：其一，从人类专家那里获取的经验知识能够被高度直接使用，这在轨道交通信号系统这种高度依赖规则来管理安全苛求及复杂性信息的自动控制领域非常重要；其二，预使用的规则可以被映射为状态空间搜索；其三，具有良好的解释机制，能够应用基于信号系统规则的框架针对性地解释信号系统问题。
这些优点使得将该算法应用于新一代轨道交通信号系统智能控制成为可能，为实现智能控制的技术手段提供了基础和依据。
信号系统在控制与维护等多个方面实现智能化，能有效减少信号设备设置，从而降低系统整体故障率，提高其安全可用性，并减少运维成本支出。
以下举例说明。
2.1.1 控制智能化智能化算法除了能很好地实现无人驾驶运营外，还能根据运营中系统设备的各项状态数据，加以智能判断处理。
例如，速度传感器PG作为测速以及信号系统车载里程计算的主要原件，其测速的准确性对定位停车控制以及行车安全有直接重大影响。
当受到运营环境中的某种瞬间干扰，导致由PG输入的脉冲波形发生异常(包括空转)时，信号系统检测到的速度瞬间急剧增大，很可能在设备没有故障时触碰紧急制动曲线而导致紧停。
作为对策，信号系统考虑列车实际加减速度，包括考虑车轴的打滑或空转而发生检测到的速度急剧变化等情况，首先对检测出的速度按照列车运行防护曲线以下一定值进行智能修正，得到一个修正速度，并将此修正速度作为系统认识速度，从而有效减少PG检测速度瞬间异常对ATO控车平稳度的影响。
当然这种处理上的智能化是考虑在一定的控制周期间隙并结合运营经验值，在安全容忍范围内实施的。
根据上述控制规则，可应用智能化模糊关系矩阵通过求小、求大运算，离线生成模糊关系矩阵，实现智能化模糊推理。
其实现过程的实质是将模糊合成向量、模糊关系矩阵进行合成求小、求大运算生成一个模糊输出向量，最后主要利用加权对该模糊输出向量进行求解即可。
2.1.2 维护智能化现有ATC系统在设备维护方面，已经能够做到直观反映故障至机柜级，维护人员可通过机柜面板工作指示灯显示判断柜内是否发生故障。
对于柜内具体板卡或控制模块的数据传输故障、采集故障等，可以通过读取特定故障显示板卡上的等位组合代码来判断。
但此种判断更面向开发者而不是用户。
ITC系统考虑一种故障定位显示方法，对柜内板卡按照一定常规认识规律编号，这种认识规律面向用户，将故障信息与之关联对应。
用户通过数码管显示的故障编号直接查找故障，具体到故障板卡。
为实现上述设想，考虑将teleo-reactive技术[1]应用于ITC信号控制系统。
teleo-reactive 控制组合了基于反馈控制和离散动作规划的特征，它不对动作的离散性和不中断性以及每个动作效果的完全可预测性做出任何假定，只要teleo-reactive动作的前提条件是被满足且与其关联的目标还没有实现，那么这个动作是持续的。
可持续动作可以在某个其他的更靠近顶层目标的动作被激活时打断，一个很短的感知——反应循环保证了当环境变化时控制动作也会迅速改变以反映问题解的最新状态。
以上所述的动作序列可用一种数据结构来实现，可称其为条件——动作TR （Tree ），规则如下图1所示：图 1 条件-动作TR其中C i 是条件，A i 是与之关联的动作。
C 0为TR 最顶层目标，A 0为空动作。
若最顶层目标已实现，则不必再做任何事。
在teleo-reactive 系统的每次循环中从TR 的最顶层向下评估每隔C i 直至找到第一个成立的条件，之后执行与之对应的动作。
这与信号控制系统中的ATS （Automatic Train Supervision 列车自动监控子系统）自排进路原则是一致的。
ATS 自排进路机制是列车压入设定触发轨道开始触发进路，当进路中所涉元素不满足进路建立条件时，会每隔一定时间再次触发，直至进路建立。
而当进路建立过程中已经满足条件的某个元素突然不在既定状态，也会停止进路的继续建立。
一个简单的评估原理示意TR 如图2所示：图 2 一个简单的TR这个评估会被循环执行，频率接近于电路控制频率。
就像ATS 触发进路时一样，在设定触发轨道上会循环执行检测进路元素，直至检测到所有元素均在满足进路建立的状态，则触发进路，该进路相当于一个满足条件C i 的动作A i 。
满足上述解释机制的teleo-reactive 技术被应用于ITC 系统控制是可能的。
2.2 障碍物探测技术C 0C 1C 2C n A 0 A 1 A 2A n ···现有信号系统主要通过检测装备列车的位置来进行安全防护，若为基于轨道电路的信号系统还能检测到部分小型施工轨道车、搭接两轨间的金属物件、道床的较深积水等造成的轨道区段非正常占用。
但当高架线路出现不明物体坠落悬空于轨道上方、正线隔离墙及各类隔断门发生坍塌但却不压实轨道等状况时，现阶段的信号系统由于判断不出轨道占用而无法进行安全防护。
因而，有效的列车防撞系统应增加安装于列车端头的障碍物探测设备，而目前最具先进性、实用性的障碍物探测装备当属雷达（毫米波雷达）。
障碍物探测系统应能探测到列车运行前方一定距离范围（一定距离范围指列车行驶限界范围内、保证最坏情况下列车能够在障碍物前停下的距离）内的障碍物，判断对列车运行安全的危害程度并对驾驶人员发出声光报警。
雷达作为该系统的主要功能实现装备，对障碍物的探测功能可包括直线段静态与动态目标识别与判断、架空障碍物识别处理、弯道障碍物识别处理等。
雷达对障碍物探测的一般性原理示意图如下图3所示。
图 3 ITC装备列车运行前方障碍探测原理示意图毫米波雷达探测技术属成熟技术，为将其应用于轨道交通信号系统装备列车上作为提高行车安全的技术手段之可行性提供了研究基础。
2.3 灾害应对处理技术为进一步确保行车安全，尤其是发生地震、强风等破坏性极强的地质与自然灾害时，能够使列车以最快反应速度减速制动以避免或尽量减小人员伤亡，是新一代轨道交通智能控制系统ITC应该重点考虑的课题。