劉伯鴻
(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,副教授,甘肅 蘭州 730070)
鐵路信號(hào)的作用是保證鐵路列車運(yùn)行安全,提高鐵路運(yùn)輸效率,及時(shí)和準(zhǔn)確地提供鐵路列車運(yùn)行信息等。就鐵路信號(hào)的學(xué)科定位而言,鐵路信號(hào)是以電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等為手段,根據(jù)鐵路的特點(diǎn)而形成的一門應(yīng)用性極強(qiáng)的綜合性學(xué)科。同時(shí),鐵路信號(hào)技術(shù)的發(fā)展也是隨著鐵路運(yùn)輸發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展的。鐵路信號(hào)的發(fā)展與鐵路運(yùn)輸模式有關(guān),特別與鐵路提速休戚相關(guān)〔1-4〕。
1.1 鐵路信號(hào)的組成 鐵路信號(hào)包括信號(hào)顯示、信號(hào)設(shè)備和信號(hào)系統(tǒng)等,如圖1所示。
圖1 鐵路信號(hào)示意圖
1.2 鐵路信號(hào)的發(fā)展回顧 根據(jù)鐵路信號(hào)的發(fā)展,按時(shí)間可分為以下3個(gè)階段。
1.2.1 第1階段 第1階段以20世紀(jì)80年代至90年代(“六五”、“七五”期間)內(nèi)涵式發(fā)展為主的擴(kuò)大再生產(chǎn)方式階段。
“八五”期末鐵路通信信號(hào)裝備率,除電氣集中、無(wú)線機(jī)車電臺(tái)等裝備率有了大幅度的提高外,自動(dòng)閉塞占營(yíng)業(yè)線比重也提高不少。與此同時(shí),電務(wù)技術(shù)裝備的發(fā)展,產(chǎn)生了顯著的宏觀效益。
1.2.2 第2階段 第2階段為20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初期間。為了實(shí)現(xiàn)鐵路從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變,加快了鐵路信息化進(jìn)程,而實(shí)現(xiàn)鐵路信息化必須首先實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)的現(xiàn)代化。
回顧改革開放以來(lái)信號(hào)專業(yè)的發(fā)展,鐵路在信號(hào)安全技術(shù)裝備方面有了很大的改善和提高。在普及車站電氣集中技術(shù)的基礎(chǔ)上,計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖逐步完善,以外鎖閉為代表的提速道岔控制技術(shù)的應(yīng)用取得成功;以運(yùn)輸調(diào)度指揮管理信息系統(tǒng)(DMIS)為代表的傳統(tǒng)鐵路信號(hào)3段式結(jié)構(gòu)(車站、區(qū)間、編組場(chǎng))向網(wǎng)絡(luò)信號(hào)3層式結(jié)構(gòu)(調(diào)度指揮中心、域控制中心、遠(yuǎn)端控制模塊)轉(zhuǎn)軌;以頻率優(yōu)化為代表的軌道電路技術(shù)和微機(jī)計(jì)軸技術(shù)等鐵路信號(hào)傳感技術(shù)向多元、多手段發(fā)展。
這一時(shí)期鐵路信號(hào)、信息技術(shù)、通信技術(shù)發(fā)展很快。就鐵路信號(hào)而言,計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、站內(nèi)電碼化、新型移頻自系統(tǒng)動(dòng)閉塞、機(jī)車信號(hào)車載裝置、調(diào)度集中、信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面,發(fā)展迅速。就信息技術(shù)而言,TIMS、DIMS工程建設(shè)相繼啟動(dòng)。
1.2.2.1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng) 在車站聯(lián)鎖領(lǐng)域,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,尤其是對(duì)于可靠性技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)的深入研究,計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)正趨成熟并大力推廣使用。
1.2.2.2 站內(nèi)電碼化 20世紀(jì)80年代,開始實(shí)施“25 Hz交流技術(shù)電碼化”技術(shù)。1991年,“車站股道電碼化”通過(guò)部級(jí)鑒定。車站股道電碼化技術(shù)這一安全措施的實(shí)施,實(shí)現(xiàn)正線、側(cè)線股道電碼化,使運(yùn)輸安全情況大大好轉(zhuǎn),全路“兩冒”事故率連年大幅下降。
1.2.2.3 新型移頻自系統(tǒng)動(dòng)閉塞 為了適應(yīng)電氣化鐵路的需要,鐵道部采用引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的政策。1989年,在京廣線鄭武段電氣化工程中引進(jìn)了法國(guó)的UM 71和TVM 300。并在UM 71國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程中,我國(guó)自行開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的WG-21 A和ZPW-2 000A、ZPW-2 000 R無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)。
1.2.2.4 機(jī)車信號(hào)車載裝置
自動(dòng)停車裝置、機(jī)車信號(hào)、列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置、列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在不同階段的應(yīng)用推廣,使列車運(yùn)行安全效果逐步提高。
1.2.2.5 調(diào)度集中 20世紀(jì)90年代引進(jìn)美國(guó)的調(diào)度集中系統(tǒng),并開始研制適合我國(guó)國(guó)情的調(diào)度集中系統(tǒng)。但由于我國(guó)鐵路客貨混運(yùn),交放權(quán)頻度過(guò)多等原因,傳統(tǒng)調(diào)度集中發(fā)展緩慢。
1.2.2.6 信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的,是經(jīng)過(guò)十幾年艱苦探索發(fā)展起來(lái)的。1997年鐵道部組織專家對(duì)信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了大規(guī)模的調(diào)查研究,并在此基礎(chǔ)上,制定了技術(shù)原則,組織了聯(lián)合攻關(guān),研制開發(fā)了第一代TJWX信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
1.2.3 第3階段 第3階段為21世紀(jì)初至今期間。21世紀(jì)初,以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、新一代調(diào)度集中、列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS、信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等為代表的鐵路信號(hào)新技術(shù)分進(jìn)入快速的發(fā)展時(shí)期。
1.2.3.1 以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖 目前,國(guó)內(nèi)干線鐵路主要以二乘二取二計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖及三取二計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、雙機(jī)熱備型的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖為主。
1.2.3.2 分散自律調(diào)度集中 根據(jù)鐵道部大發(fā)展的總體思路,我國(guó)鐵路以TDCS為平臺(tái),以調(diào)度集中(FZ-CTC)為核心,構(gòu)建現(xiàn)代化的調(diào)度指揮管理信息系統(tǒng),以現(xiàn)代運(yùn)輸?shù)睦砟畲笸苿?dòng)鐵路運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)建設(shè)。
2003年,為了滿足我國(guó)鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需要,提高鐵路運(yùn)輸調(diào)度自動(dòng)化水平,鐵道部組織有關(guān)單位制定了《分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)條件(暫行)》。
2002年,新一代調(diào)度集中系統(tǒng)在青藏線西寧-哈爾蓋開通運(yùn)行。2007年結(jié)合我國(guó)鐵路第六次大面積提速,在膠濟(jì)、龍海、滬昆線等提速干線和其他干線推廣應(yīng)用。目前,分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)已經(jīng)作為客運(yùn)專線信號(hào)集成的主要子系統(tǒng)之一廣泛使用。
1.2.3.3 列車運(yùn)行控制系統(tǒng) 中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CTCS),是借鑒國(guó)內(nèi)外信號(hào)新技術(shù)的基礎(chǔ)上,自主建立而成。CTCS分為CTCS-0、CTCS-1、CTCS-2、CTCS-3、CTCS-4五個(gè)等級(jí)。
在建立CTCS過(guò)程中,鐵道部領(lǐng)導(dǎo)高瞻遠(yuǎn)矚,在科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下,運(yùn)用現(xiàn)代知識(shí)工程,首先組織專家多次論證,建立CTCS技術(shù)路線,宣貫CTCS技術(shù),然后實(shí)施CTCS技術(shù),并逐步完善和修訂CTCS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
1.2.3.4 信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)網(wǎng) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,為了更好的適應(yīng)列車提速、行車密度增加和列車運(yùn)行保障系統(tǒng)的要求,在微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電源屏監(jiān)測(cè)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等基礎(chǔ)上,鐵路局已形成了微機(jī)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
安全生產(chǎn)是鐵路永恒的主題,深化體制改革是鐵路面對(duì)的重大課題,提速是鐵路面對(duì)的又一重大課題〔5-7〕。
2.1 鐵路提速 鐵路提速包括既有線大提速和高速鐵路建設(shè)。
1)鐵路提速工作起步于90年代初開始的廣深線準(zhǔn)高速鐵路建設(shè)。1994年12月,我國(guó)第1條速度為160 km/h的廣深準(zhǔn)高速鐵路建成,為鐵路普遍提速奠定了基礎(chǔ)在此之后,沈大,滬寧,京秦鄭武等繁忙干線提速實(shí)驗(yàn)相繼取得成功。從1997年開始,全路掀起了大規(guī)模的提速熱潮。經(jīng)過(guò)1997年、1998年、2000年、2001年、2004年、2006年和2008年7次提速(如表1所示),全路提速線路延展總里程超過(guò)1萬(wàn)km,初步形成了覆蓋全國(guó)主要地區(qū)的提速網(wǎng)絡(luò)在提速的帶動(dòng)下,中國(guó)鐵路的面貌發(fā)生了深刻的變化。
表1 我國(guó)鐵路近年提速一覽表
通過(guò)提速,提升了鐵路科技創(chuàng)新的水平;通過(guò)提速,促進(jìn)了鐵路整體工作水平的提高,并初步建成以北京、上海、廣州為中心,連接全國(guó)主要城市的快速客運(yùn)網(wǎng);通過(guò)提速,鐵路在適應(yīng)市場(chǎng)需求方面取得了重大突破。鐵路部門以提速為支持,市場(chǎng)為導(dǎo)向,開發(fā)了快速列車“夕發(fā)朝至”列車、行包專列、“五定”班列等運(yùn)輸新產(chǎn)品,增強(qiáng)了鐵路運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)能力,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙豐收。鐵路這些年之所以取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,提速功不可沒。
鐵路提速推動(dòng)了信號(hào)技術(shù)的大發(fā)展,信號(hào)技術(shù)的發(fā)展堅(jiān)持了引進(jìn)、消化、吸收和自主創(chuàng)新相結(jié)合的原則,符合國(guó)際信號(hào)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),并具有我國(guó)特色。鐵路先后進(jìn)行的7次大規(guī)模提速,為鐵路信號(hào)帶來(lái)了良好的發(fā)展機(jī)遇。鐵路信號(hào)技術(shù)裝備不僅在數(shù)量上有了大幅度的增長(zhǎng),而且在技術(shù)含量上也有了明顯的提升,一定程度上實(shí)現(xiàn)了鐵路信號(hào)技術(shù)設(shè)備的更新?lián)Q代。提速道岔分動(dòng)、多點(diǎn)牽引、外鎖閉轉(zhuǎn)換設(shè)備全面上道,大號(hào)碼道岔的運(yùn)用有了信號(hào)配套,車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖得到規(guī)模發(fā)展;新一代ZPW-2000系列無(wú)絕緣軌道電路大規(guī)模應(yīng)用,四顯示自動(dòng)閉塞迅速推廣;主體機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定,全路機(jī)車信號(hào)信息定義已經(jīng)逐步統(tǒng)一,主體機(jī)車信號(hào)車載設(shè)備研制成功;我國(guó)CTCS技術(shù)規(guī)范總則和CTCS-2、CTCS-3級(jí)技術(shù)條件已經(jīng)發(fā)布,自主研制和技術(shù)引進(jìn)工作正在實(shí)施;全路運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)工程在繼續(xù)全面實(shí)施,新一代智能型調(diào)度集中(FZ-CTC)技術(shù)條件已經(jīng)發(fā)布,多段線路已經(jīng)開通。
2)自2004年《鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃》和2008年《鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃(修訂)》發(fā)布以來(lái),我國(guó)高速鐵路真正進(jìn)入實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段,先后建了成京津城際鐵路、武廣客運(yùn)專線,鄭西客專等線路,CTCS-2、CTCS-3列控系統(tǒng)逐步得到實(shí)施。
2.2 提速的技術(shù)路線 鐵路線路可分為既有線路和新建線路,新建線路又可分為常規(guī)線路和高速鐵路。因而鐵路提速可概括為兩條主線,即鐵路大提速和高速鐵路建設(shè)兩條線索(如圖2所示)。既有線路、新建常規(guī)線路,在提高設(shè)備裝備率的同時(shí),應(yīng)用新技術(shù),保證列車運(yùn)行安全。
圖2 鐵路提速的技術(shù)路線
2.3 高速鐵路信號(hào)技術(shù)大廈 雖然我國(guó)高速鐵起點(diǎn)底,但起步高。鐵道部通過(guò)組織專家多次反復(fù)論證,根據(jù)鐵路科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,前瞻性規(guī)劃了高速鐵路的發(fā)展路徑,在有能力解決好高鐵固定設(shè)施、動(dòng)車組和電氣化牽引技術(shù)的前提下,借鑒國(guó)內(nèi)外信號(hào)新技術(shù),尤其是借鑒歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(ETCS)的基礎(chǔ)上,架構(gòu)了中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS)技術(shù)體系。
高速鐵路信號(hào)技術(shù)大廈(如圖3)作為CTCS的一部分,不是空中樓閣,是在既有信號(hào)技術(shù)的基礎(chǔ)上,立足于國(guó)情,構(gòu)建而成。當(dāng)然,高速鐵路運(yùn)行管理委托鐵路局管理,其運(yùn)營(yíng)體制、維修體制也與既有線路管理大不一樣。
圖3 高速鐵路信號(hào)技術(shù)大廈
通過(guò)對(duì)鐵路信號(hào)與鐵路提速發(fā)展回顧,對(duì)我們的啟示主要有以下3點(diǎn)。
3.1 鐵路信號(hào)現(xiàn)代化是實(shí)現(xiàn)鐵路信息化的基礎(chǔ)鐵路要實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變,必須加快鐵路信息化進(jìn)程,而實(shí)現(xiàn)鐵路信息化必須首先實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)的現(xiàn)代化。因此鐵路信號(hào)現(xiàn)代化是實(shí)現(xiàn)鐵路信息化的基礎(chǔ),要通過(guò)加快電務(wù)信號(hào)技術(shù)發(fā)展以促進(jìn)鐵路信息化建設(shè)。
3.2 集信息與控制于一體是鐵路信號(hào)發(fā)展的必然從信號(hào)專業(yè)亦即信息控制專業(yè)的觀點(diǎn)看,我們首先要把行車運(yùn)輸組織的“信、聯(lián)、閉”過(guò)程既看成“物理流”過(guò)程,又看成“信息流”過(guò)程,而且是從對(duì)信息流的處理著手,完成對(duì)物理流的控制。集信息與控制于一體是現(xiàn)代鐵路信號(hào)發(fā)展的必然,因此,傳統(tǒng)信號(hào)學(xué)向現(xiàn)代信號(hào)學(xué)的轉(zhuǎn)軌,說(shuō)到底就是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信號(hào),就是鐵路運(yùn)輸列車調(diào)度指揮信息與鐵路運(yùn)輸控制技術(shù)的結(jié)合。
3.3 提速模式促進(jìn)了運(yùn)輸模式向高層次的提升傳統(tǒng)鐵路的運(yùn)輸模式的特點(diǎn)是“大重量、高密度、低速度、客貨混跑”;既有線路的運(yùn)輸模式的特點(diǎn)是“快速度、高密度、大重量、客貨混跑”;而高速鐵路的運(yùn)輸模式的特點(diǎn)是“高速、重載、高密度”。
隨著鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃和東北、西北、西南鐵路網(wǎng)“一主兩輔”的實(shí)施,我國(guó)鐵路提速正日漸步入正規(guī),對(duì)鐵路提速工程的認(rèn)識(shí)也不斷深入。
中國(guó)鐵路客貨列車共線運(yùn)行,各種列車的速度、密度、重量三者之間相互影響、相互制約的效應(yīng)十分明顯。多年的提速實(shí)踐,形成了以技術(shù)創(chuàng)新、運(yùn)輸組織創(chuàng)新、安全控制創(chuàng)新為主要手段,以“深度挖潛”為目的的“提速模式”,既實(shí)現(xiàn)了提速,又增加了客貨運(yùn)量,還提高了行車密度。也就是說(shuō),這種“提速模式”促進(jìn)了我國(guó)鐵路“運(yùn)輸模式”向更高層次—“快速度、高密度、大重量”提升。同時(shí),高速鐵路建設(shè),正在極大的提升我國(guó)鐵路運(yùn)輸自動(dòng)化技術(shù),從而有效緩解鐵路運(yùn)輸壓力。鐵路運(yùn)營(yíng)管理正在發(fā)生深刻變化,鐵路信號(hào)技術(shù)已由對(duì)信號(hào)設(shè)備的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)移動(dòng)體的控制,高鐵“提速模式”和高鐵“運(yùn)輸模式”相互對(duì)應(yīng),相互配合。
鐵路信號(hào)技術(shù)與鐵路提速二者是緊密關(guān)聯(lián)、相互促進(jìn)的。但是,更重要的是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需求,國(guó)家戰(zhàn)略的需求。離開了這些,再好的想法和技術(shù)也無(wú)濟(jì)于事的。鐵路信號(hào)技術(shù)的發(fā)展與鐵路提速,首先是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求。
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