從CBTC系統(tǒng)技術(shù)看鐵路信號技術(shù)的發(fā)展變化

肖培龍

（中鐵電化局集團有限公司，北京 100036）

從CBTC系統(tǒng)技術(shù)看鐵路信號技術(shù)的發(fā)展變化

肖培龍

（中鐵電化局集團有限公司，北京 100036）

鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展至今，已有長足的進步，結(jié)合城軌交通CBTC系統(tǒng)技術(shù)，對今后鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展提點個人看法。

鐵路；信號；技術(shù)；發(fā)展；變化

鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)從原始的臂板電鎖器聯(lián)鎖，經(jīng)繼電聯(lián)鎖、微機聯(lián)鎖，發(fā)展到今天的計算機聯(lián)鎖集中控制，已經(jīng)有幾十年的歷史，在這風(fēng)風(fēng)雨雨的幾十年里，鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，列車運行設(shè)計速度也提高到了380 km/h。結(jié)合近些年城軌交通信號CBTC（Communication-Based Train Control）系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，對今后鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展提點個人看法。

1 傳統(tǒng)信號系統(tǒng)技術(shù)特點

傳統(tǒng)信號系統(tǒng)技術(shù)，是在引進前蘇聯(lián)技術(shù)體制的基礎(chǔ)上，逐步改進提高發(fā)展起來的，一直以軌道電路為基礎(chǔ)確定列車占用的大致位置，以轉(zhuǎn)轍機鎖閉道岔確定列車運行線路，經(jīng)聯(lián)鎖運算以地面信號機的顯示指示司機駕駛列車運行。這3種基礎(chǔ)設(shè)備（俗稱信號三大件）構(gòu)成了鐵路信號系統(tǒng)組成的基本框架，結(jié)合繼電器邏輯電路運算，形成一個基本的信號系統(tǒng)。這已經(jīng)根深蒂固地扎根在鐵路信號技術(shù)人員的腦海里，并一直保留使用至今。

信號軌道電路是構(gòu)成信號系統(tǒng)的最基礎(chǔ)設(shè)備，也是最為重要的列車占用檢測設(shè)備。隨著列車運行速度的提高和運營密度的加大，傳統(tǒng)的以地面信號機顯示指示列車運行的做法越來越不能適應(yīng)新形勢的發(fā)展，以司機的素養(yǎng)和水平來保障行車安全的做法變得越來越不可靠，行車安全不能得到有效保障，機車信號技術(shù)也就應(yīng)運而生。從接近點式預(yù)告機車信號、接近連續(xù)式機車信號、站內(nèi)疊加機車信號、8信息移頻機車信號逐步發(fā)展到今天的ZPW-2000系列機車信號，機車信號控車模式也由速度臺階式發(fā)展到今天的一次制動連續(xù)式控車模式，這些機車信號技術(shù)的發(fā)展，均離不開傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備——地面軌道電路。故信號軌道電路設(shè)備是鐵路信號技術(shù)人員最難以割舍的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備。

電動轉(zhuǎn)轍機是鎖閉道岔的基礎(chǔ)設(shè)備,用以確定列車運行的線路和開通的方向。最原始的道岔鎖閉器是手動握柄轉(zhuǎn)換鎖閉器，完全靠人工扳動來確定道岔開向。后研制有電鎖器，在室內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)備給出允許動岔的條件時，腳踏電門方能扳動道岔，道岔被扳動到位后鎖閉并給出定、反位表示，兩者均需扳道工使用很大力氣方能扳動道岔。自從電動轉(zhuǎn)轍機問世以來，幾乎沒有大的變動，只是發(fā)展了一些電液轉(zhuǎn)轍機、三相交流電動轉(zhuǎn)轍機、單相交流電動轉(zhuǎn)轍機等，軌枕式交流轉(zhuǎn)轍機目前尚未普遍推廣應(yīng)用。

鐵路信號機經(jīng)歷了探照式和透鏡式色燈信號機兩種制式的比選應(yīng)用，由于探照式色燈信號機在使用中容易出現(xiàn)機構(gòu)卡阻問題，后均改用透鏡式色燈信號機。色燈信號機構(gòu)也經(jīng)歷了鑄鐵、復(fù)合材料、鋁合金的變化發(fā)展。信號顯示燈具也由信號燈泡發(fā)展到與LED信號燈并存使用的局面。

信號專用安全型繼電器，一直是鐵路信號的自豪，是繼電聯(lián)鎖的基礎(chǔ)條件，通過繼電器接點條件搭建的繼電邏輯電路，是聯(lián)鎖運算的核心條件。從DZ11開始，經(jīng)小站6036繼電聯(lián)鎖，中站6512繼電聯(lián)鎖，到6502繼電聯(lián)鎖的成熟，經(jīng)歷了幾代信號工程技術(shù)人員的修改、定型，是集體智慧的結(jié)晶。目前我國推廣使用的計算機聯(lián)鎖，均是在原6502繼電聯(lián)鎖的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化形成的成果，6502繼電聯(lián)鎖功不可沒。盡管目前使用繼電聯(lián)鎖的不多，但計算機聯(lián)鎖目前仍在使用繼電器作為接口驅(qū)動轉(zhuǎn)換設(shè)備，全電子化接口尚未完全推廣應(yīng)用。

2 列車定位技術(shù)的發(fā)展變化

列車定位技術(shù)是構(gòu)成信號邏輯運算的最基本條件，主要是判斷列車是否占用或出清某個軌道區(qū)段。傳統(tǒng)的列車定位技術(shù)，一直采用軌道電路來檢測列車的占用或出清，是最原始也是最可靠的檢測手段。軌道電路是利用鋼軌作為傳輸通道，利用列車輪對壓入軌道區(qū)段時短路軌道電路而產(chǎn)生的分路效果，從而形成列車占用或出清軌道區(qū)段的依據(jù)。

最早使用的軌道電路是直流軌道電路，后改用交流軌道電路。由于簡單的交、直流軌道電路僅能證明列車的占用或出清，不能向列車車載信號系統(tǒng)提供任何有用信息，故又在軌道電路基礎(chǔ)上疊加發(fā)送調(diào)制信息，形成疊加電碼化技術(shù)，進而研制出8信息移頻軌道電路、18信息移頻軌道電路、ZPW-2000系列軌道電路等。

利用軌道電路進行列車定位，只能確定列車的大致位置，即列車正在占用某個軌道區(qū)段，不能確定列車的具體位置地點，軌道區(qū)段越長，列車的定位精度越差，一般站內(nèi)軌道區(qū)段最短在30 m左右，區(qū)間軌道電路一般均超過1 000 m，大多在1 200 m至1 600 m間。很顯然，利用軌道電路進行列車定位，很難達到精確控車目的。

為了提高列車定位精度，泰雷茲公司利用列車通過電纜環(huán)線交叉時電源極性的變化，確定列車的大致位置，定位精度在6.25 m左右。阿爾斯通公司利用波導(dǎo)管裂隙計數(shù)的方式，確定列車的具體位置，定位精度在60 cm左右。日本信號公司利用兩個地面無線電臺與車載電臺通信的時差進行列車定位，定位精度大約10 m左右。GE公司利用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)確定列車具體位置，精度一般能做到2 m。利用計軸、信標(biāo)或射頻接觸器等技術(shù)，也可進行列車定位,只是定位精度要根據(jù)兩個計軸點間距、兩個信標(biāo)點間距或兩個射頻接觸點間距來確定，兩點設(shè)備間距布置得越密，定位精度也就越高。

在城軌交通目前使用的CBTC系統(tǒng)中，列車定位系統(tǒng)基本采用車載測速電機技術(shù)，利用初始點信標(biāo)開始計數(shù)，利用電子地圖累計列車運行的里程，利用固定點安裝的信標(biāo)校正列車?yán)锍逃嬘嫈?shù)的累積誤差，提高列車的定位精度。

3 信號顯示技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)信號系統(tǒng)，一直使用色燈信號機的顯示指示列車司機運行的方向、進路許可的條件及部分限制速度等。

在高速運行的客運專線區(qū)段，地面信號機的顯示也讓步于車載信號顯示屏，地面僅在進出站口設(shè)置少量的信號機，區(qū)間不設(shè)信號機，且平常信號機無顯示，司機以車載機車信號顯示屏顯示的速度指令要求駕駛列車運行，在車載信號設(shè)備故障轉(zhuǎn)為人工駕駛模式時，地面信號機才開始亮燈顯示。

目前城軌交通采用CBTC系統(tǒng)區(qū)段，信號機的設(shè)置及顯示方式與高速鐵路幾乎一致，CBTC模式時地面信號機無顯示，在無線通信設(shè)備故障或車載信號系統(tǒng)設(shè)備故障轉(zhuǎn)為降級運行模式時，才點亮地面信號機顯示。車載信號顯示屏是指示司機駕駛列車運行的主要顯示手段。

4 國外先進技術(shù)的應(yīng)用

在鄭武線引進法國UM71及TVM300技術(shù)以前，我國鐵路信號系統(tǒng)相對較為保守，一直沿用前蘇聯(lián)技術(shù)體系，非電化區(qū)段基本采用50周480軌道電路或50 Hz相敏軌道電路，電化區(qū)段采用25 Hz相敏軌道電路及8信息移頻軌道電路較多，個別區(qū)段還有使用極頻軌道電路、高壓不對稱脈沖軌道電路等，機車信號控車的信息量僅有8個，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足自動駕駛的需求，列車運行完全靠司機人工駕駛來保障行車安全。車站聯(lián)鎖基本采用繼電集中聯(lián)鎖，大站采用6502技術(shù)，中小站采用6036技術(shù)較多。

自鄭武線引進使用UM71軌道電路、TVM300機車信號技術(shù)、小李莊站試用微機聯(lián)鎖技術(shù)后，國內(nèi)掀起了消化吸收再創(chuàng)新的浪潮，秦沈線再次引進UM2000數(shù)字軌道電路及TVM430機車信號系統(tǒng)設(shè)備后，再次促進了國內(nèi)信號系統(tǒng)的變革，18信息移頻軌道電路、ZPW-2000系列軌道電路及微機組匣繼電聯(lián)鎖、微機聯(lián)鎖、計算機聯(lián)鎖、調(diào)度集中設(shè)備等應(yīng)運而生，鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)水平得到了極大提升。微機聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)也由熱備冗余、三取二冗余發(fā)展到今天的二乘二取二冗余，車載ATP系統(tǒng)設(shè)備也由依靠進口發(fā)展到完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)自行制造生產(chǎn)，客運專線也開始試用ATO系統(tǒng)技術(shù)，鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)有了長足的發(fā)展進步。

城軌交通市場信號系統(tǒng)也在引進使用準(zhǔn)移動閉塞的基礎(chǔ)上，大膽引進使用國外最為先進的CBTC移動閉塞系統(tǒng)技術(shù)，使我國城軌交通信號系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用走在了世界的前列。

國內(nèi)高校、科研機構(gòu)及信號工廠也在引進國外CBTC系統(tǒng)技術(shù)的同時，積極消化吸收，大膽研發(fā)國產(chǎn)信號CBTC系統(tǒng)設(shè)備，目前北京交控公司研發(fā)的CBTC系統(tǒng)設(shè)備已在北京、長沙、成都等多城市應(yīng)用，通號公司、鐵科研、和利時、卡斯柯等公司研發(fā)的國產(chǎn)CBTC系統(tǒng)設(shè)備，均通過了SIL4級安全認(rèn)證。

5 CBTC系統(tǒng)技術(shù)的構(gòu)成

CBTC是基于通信傳輸技術(shù)的列車控制系統(tǒng)的英文首個字母的簡寫，國內(nèi)將這一系統(tǒng)技術(shù)稱為移動閉塞。

CBTC系統(tǒng)主要由控制中心計算機設(shè)備、車載計算機設(shè)備、列車定位測速設(shè)備、DCS通信傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。控制中心設(shè)備主要負(fù)責(zé)列車運行計劃、列車進路命令下達、列車移動授權(quán)發(fā)放、列車限速、跳停、扣車等處理。車載計算機設(shè)備主要負(fù)責(zé)列車超速防護、列車自動駕駛、定點停車等，國外ATP系統(tǒng)一般含車站聯(lián)鎖設(shè)備，也即包括車站進路的建立、道岔的扳動、信號的開放、進路方向的鎖閉等。列車定位測速系統(tǒng)設(shè)備一般由車載測速電機、車載信標(biāo)接收器、地面信標(biāo)等組成，采用無線定位的CBTC系統(tǒng)含車載無線設(shè)備，為了提高測速精度，有的廠商增加使用了加速度計、多普勒雷達等設(shè)備。DCS通信傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般由地面有線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等組成。

CBTC系統(tǒng)已經(jīng)拋棄了傳統(tǒng)的軌道電路進行列車定位的概念，利用車載測速電機等技術(shù)結(jié)合電子地圖，實時記錄列車運行的具體位置，利用無線通信傳輸技術(shù)每隔0.5 s就將本車的具體位置信息發(fā)到控制中心，控制中心再將該車位置信息發(fā)給其后續(xù)跟進的列車，由車載計算機實時地計算本車運行的最大運行速度及停車距離，由此構(gòu)成車對車的連續(xù)追蹤運行，極大地提高了運行效率。

6 我國鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展展望

我國鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)，參照歐洲鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制定了CTCS系統(tǒng)系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，共分5級，目前使用的大多是CTCS-2及CTCS-3級系統(tǒng)技術(shù)，在制定CTCS-3級系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時，仍未擺脫傳統(tǒng)的軌道電路思想束縛，在建立GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)的同時，保留使用了軌道電路進行列車定位。我國CTCS系列標(biāo)準(zhǔn)基本套用歐洲ETCS系列標(biāo)準(zhǔn)，在ETCS2標(biāo)準(zhǔn)中基本上可以不再依賴地面軌道電路進行列車定位，主要是采用車載測速電機加電子地圖技術(shù)進行列車定位，但我國鐵路車載測速系統(tǒng)設(shè)備發(fā)展較晚，車載電子地圖技術(shù)也是由車輛專業(yè)根據(jù)車輛檢修作業(yè)需要逐步發(fā)展的，故制定CTCS-3級系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時沒有拋棄地面軌道電路情有可原，但隨著技術(shù)的進步發(fā)展，車載測速技術(shù)的穩(wěn)定可靠，車載電子地圖的廣泛應(yīng)用提高，GSM-R系統(tǒng)的廣泛覆蓋和性能的穩(wěn)定，已經(jīng)可以再次討論地面軌道電路的取舍問題了。

地面軌道電路利用鋼軌作為數(shù)據(jù)傳輸通道，必然有大量的電纜、變壓器、發(fā)送和接收設(shè)備以及抗干擾設(shè)備等，軌旁工作環(huán)境條件惡劣，軌道電路工作穩(wěn)定性較差，維修工作量很大，一次性投入資金較高，還需配備足夠的備品備件，若能取消軌道電路配置，必將可以節(jié)省大量的資金投入和維修成本。

目前我國制定的鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅用到CTCS-3級，CTCS-4級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚在制定過程中，CTCS-4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是參照ETCS3歐洲鐵路聯(lián)盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來制定。CTCS-4系統(tǒng)若完全參照ETCS3標(biāo)準(zhǔn)來制定的話，應(yīng)該采用車載測速電機進行列車定位，利用地面固定點安裝的信標(biāo)進行列車?yán)鄯e誤差校正，利用GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)進行車地間信息傳輸，利用RBC與控制中心間的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳遞控制中心與車輛間的信息，根據(jù)時刻表由聯(lián)鎖設(shè)備給相應(yīng)列車準(zhǔn)備進路并鎖閉，根據(jù)控制中心給定的移動授權(quán)由車載計算機設(shè)備結(jié)合車載電子地圖自動駕駛列車運行，車載計算機設(shè)備每隔0.5 s向控制中心發(fā)送列車運行里程，取消地面軌道電路配置，列車運行計劃、實跡運行圖繪制、運行計劃變更處理、進路準(zhǔn)備等由CTC調(diào)度集中設(shè)備完成。屆時，鐵路客運專線信號系統(tǒng)地面無軌道電路、無信號機配置（僅在站內(nèi)道岔區(qū)有少量的配置，供降級時指示司機人工駕駛使用），僅有無線RBC、信標(biāo)應(yīng)答器、轉(zhuǎn)轍機等少量信號系統(tǒng)設(shè)備，軌旁實物檢修工作量將會大幅降低，可實現(xiàn)車與車間的直接追蹤，提高運營效率。

ATO系統(tǒng)設(shè)備是自動駕駛、定點停車的關(guān)鍵設(shè)備，可以減輕司機勞動強度、提高準(zhǔn)點率，并能防止人為錯誤駕駛帶來的安全隱患。實現(xiàn)ATO自動駕駛應(yīng)是鐵路客運專線的終極目標(biāo)。

7 結(jié)語

我國幅員遼闊、人口眾多，人們出行一票難求的問題還沒有得到根本解決，尤其是節(jié)假日期間出行的問題更加突出，如何提高既有線運能，極大地滿足運量需求，是政府部門及鐵路工作者必須面對的難題。

我國鐵路客運專線采用的CTCS-3信號系統(tǒng)，已經(jīng)具備向CTCS-4系統(tǒng)升級的基本條件，已經(jīng)建設(shè)有完整的GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)有CTC分散自律調(diào)度集中控制系統(tǒng)及高可靠性的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備，只是車載ATP/ATO系統(tǒng)設(shè)備較弱，CTCS-4系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及運營管理模式尚未完全建立，只要加速推進，加快研發(fā)進度，借鑒城軌交通CBTC移動閉塞系統(tǒng)成熟經(jīng)驗，在國產(chǎn)CBTC系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上稍加改進，即可構(gòu)成新的鐵路信號CTCS-4系統(tǒng)。

目前我國鐵路客運專線采用的CTCS-3信號系統(tǒng)技術(shù)仍屬于固定閉塞類型中的較高級——準(zhǔn)移動閉塞，列車追蹤間隔仍受制于由地面軌道電路組成的閉塞分區(qū)的影響，閉塞分區(qū)越長追蹤間隔會越大，閉塞分區(qū)越短建設(shè)成本就會越高。若取消軌道電路束縛，采用CTCS-4系列標(biāo)準(zhǔn)，列車追蹤運行間隔可達2 min（設(shè)計間隔90 s），鐵路客運專線實現(xiàn)公交汽車式的固定點連續(xù)發(fā)車將成為可能，鐵路一票難求的難題將會迎刃而解。

[1] GB/T 12758－2004 城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件[S].

[2]各廠商CBTC系統(tǒng)技術(shù)條件

[3]原鐵道部CTCS系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

Up to now the railway signal system technologies have made a great progress, combining with the СBTС system technology for urban rail transit, the paper provides some personal points of view about the future development of the railway signal system technologies.

railway; signal; technology; development; diversifi cation

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.026

2014-07-23）