海外信號(hào)系統(tǒng)需求分析研究

黃 蔚

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

我國(guó)近十幾年來(lái)已經(jīng)成為世界上高速鐵路發(fā)展較快的國(guó)家。在高速鐵路建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)實(shí)踐逐步形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的中國(guó)信號(hào)系統(tǒng)，信號(hào)裝備也隨之進(jìn)入到高速發(fā)展的時(shí)期。隨著裝備的不斷進(jìn)步和發(fā)展，企業(yè)也在不斷尋求海外鐵路市場(chǎng)的機(jī)遇。

對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要進(jìn)入海外鐵路市場(chǎng)，首先就要了解海外市場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)的需求有什么不同。幾年來(lái)對(duì)海外鐵路項(xiàng)目的摸索陸陸續(xù)續(xù)開(kāi)展，先后接觸了亞洲、非洲、獨(dú)聯(lián)體、南美、北美及歐洲等地區(qū)部分國(guó)家鐵路的招投標(biāo)項(xiàng)目。從技術(shù)要求的角度看，共通點(diǎn)很多，但差異性也很明顯，主要可以歸類(lèi)為英標(biāo)（歐標(biāo)）、美標(biāo)、以及獨(dú)聯(lián)體標(biāo)準(zhǔn)等。另外，除了技術(shù)體制的不同外，在這些工程項(xiàng)目的招投標(biāo)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)雖然運(yùn)營(yíng)概念類(lèi)似，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)一致，基礎(chǔ)系統(tǒng)組成相同，但在管理體制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注點(diǎn)、設(shè)計(jì)理念等方面的需求與國(guó)內(nèi)存在諸多的差異。本文主要從海外鐵路發(fā)展、海外項(xiàng)目特點(diǎn)、設(shè)計(jì)理念等方面進(jìn)行分析。

1 海外鐵路及信號(hào)裝備發(fā)展

1.1 普速鐵路

世界鐵路的發(fā)展已有百余年的歷史。從19 世紀(jì)下半葉至20 世紀(jì)初，是海外鐵路建設(shè)的高潮階段，這個(gè)階段的鐵路主要集中在英國(guó)、美國(guó)、俄羅斯，以及德國(guó)、法國(guó)等幾個(gè)國(guó)家。20 世紀(jì)20 ～60年代，由于公路、航空運(yùn)輸發(fā)展，英國(guó)、美國(guó)、及法國(guó)等歐美國(guó)家鐵路營(yíng)運(yùn)線路均有大幅萎縮。與此同時(shí)，殖民地及發(fā)展中國(guó)家鐵路營(yíng)運(yùn)里程呈快速上升態(tài)勢(shì)。至20 世紀(jì)60 年代，世界各國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到130 余萬(wàn)km，其中歐美占比超過(guò)70%。

這個(gè)時(shí)期，鐵路信號(hào)裝備主要是保證列車(chē)基本運(yùn)行安全的繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)和閉塞系統(tǒng)，軌旁裝配軌道電路、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備，列車(chē)安裝機(jī)車(chē)信號(hào)或自停設(shè)備。英國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家在早期鐵路建設(shè)中先后形成了各自的技術(shù)體系，并在實(shí)踐中不斷完善，殖民地半殖民地國(guó)家鐵路信號(hào)則承襲上述國(guó)家的技術(shù)體系，如：南亞印度、孟加拉等國(guó)家采用英國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。上述信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)體系之間的差異除聯(lián)鎖電路差異外，信號(hào)顯示、軌道電路制式等方面均存在差異。

1.2 高速鐵路

20 世紀(jì)60 ～80 年代，日本、法國(guó)、德國(guó)先后建成了各自早期的高速鐵路。21 世紀(jì)初，我國(guó)的高速鐵路建設(shè)使世界高速鐵路營(yíng)運(yùn)里程迅速增長(zhǎng)，至2018 年，我國(guó)高速鐵路營(yíng)運(yùn)里程已占全球總里程的60%之多。

這個(gè)階段是計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的階段，傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)最大變化就是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的出現(xiàn)，并逐漸在新建和改造項(xiàng)目中取代既有繼電聯(lián)鎖。

此外，傳統(tǒng)的地面信號(hào)已無(wú)法滿(mǎn)足高速列車(chē)的運(yùn)行安全，因此出現(xiàn)了高速列控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車(chē)的超速防護(hù)，保證列車(chē)運(yùn)行安全。

海外主要市場(chǎng)列控技術(shù)的發(fā)展如圖1 所示。

圖1 海外列控技術(shù)的發(fā)展Fig.1 Ovreseas train control technology development

當(dāng)前互聯(lián)互通的需求已經(jīng)成為各國(guó)鐵路的共識(shí)，基于互聯(lián)互通建設(shè)的成熟列控系統(tǒng)主要有ETCS、我國(guó)的CTCS 系統(tǒng)。

2 海外項(xiàng)目的特點(diǎn)

2.1 項(xiàng)目特點(diǎn)

海外鐵路招投標(biāo)項(xiàng)目新建較少，主要為既有線改造項(xiàng)目，包括線路及裝備改造，部分增建復(fù)線，部分進(jìn)行電氣化改造。在這些既有路網(wǎng)的改造項(xiàng)目中，有些裝備是20 世紀(jì)70 ～90 年代建設(shè)的，有些裝備的年代更為久遠(yuǎn)。

由于國(guó)外人口密度不大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展平緩，無(wú)論是客運(yùn)還是貨運(yùn)量需求都不高，因此對(duì)速度的要求也不高。低運(yùn)量、低速度的特點(diǎn)決定了海外鐵路項(xiàng)目招標(biāo)多以保障運(yùn)輸安全的基礎(chǔ)裝備為主，包括聯(lián)鎖、轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、列車(chē)占用檢查設(shè)備，以及提高道口通過(guò)車(chē)輛和行人安全的道口控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上要求實(shí)現(xiàn)CTC 調(diào)度集中控制。部分地區(qū)的既有線路有機(jī)車(chē)信號(hào)的需求。

由以上招標(biāo)內(nèi)容可以看出，海外項(xiàng)目重點(diǎn)在基礎(chǔ)設(shè)備。

2.2 技術(shù)要求特征

如前所述，海外很多國(guó)家具有相當(dāng)長(zhǎng)的鐵路發(fā)展史，有自己的運(yùn)輸管理體制和工程應(yīng)用習(xí)慣，技術(shù)體系受英國(guó)（歐洲）影響最大，其次美國(guó)和俄羅斯技術(shù)體系覆蓋面也較廣。

海外招投標(biāo)主要技術(shù)特征如下。

1）符合既有運(yùn)營(yíng)習(xí)慣以及工程應(yīng)用習(xí)慣，滿(mǎn)足既有技術(shù)體系要求。

2）與既有系統(tǒng)兼容，比如：獨(dú)聯(lián)體國(guó)家的鐵路項(xiàng)目，無(wú)論新建還是改造，都需要兼容既有機(jī)車(chē)信號(hào)；英聯(lián)邦或過(guò)去的英殖民地國(guó)家的鐵路項(xiàng)目，需要與TPWS（一種英制的列車(chē)防護(hù)系統(tǒng)）系統(tǒng)接口；美國(guó)聯(lián)鎖設(shè)備需包含與其既有軌道電路兼容的軌道電路及其控制模塊。

3）經(jīng)濟(jì)性改造的需求，這是海外項(xiàng)目的一個(gè)重要特征，在滿(mǎn)足基本安全保障前提下，不僅要求建設(shè)成本低，而且要求低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，即系統(tǒng)的全生命周期成本要有競(jìng)爭(zhēng)力。

4）設(shè)備運(yùn)行環(huán)境差異大，維護(hù)人員技術(shù)素質(zhì)不同，對(duì)產(chǎn)品可靠性要求高，免維護(hù)、少維護(hù)要求高。

由以上技術(shù)特征可以看出，信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)既有的工程進(jìn)行深入調(diào)查，基礎(chǔ)產(chǎn)品應(yīng)具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)和低成本的特點(diǎn)，以滿(mǎn)足海外市場(chǎng)需求。

3 信號(hào)設(shè)計(jì)理念

海外項(xiàng)目設(shè)計(jì)最根本的設(shè)計(jì)理念是按需求設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)體系的符合性

符合標(biāo)準(zhǔn)是所有項(xiàng)目的基本要求。

招投標(biāo)中提出的信號(hào)系統(tǒng)符合性標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)方面：產(chǎn)品設(shè)計(jì)的通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以及應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要包括電子設(shè)備設(shè)計(jì)中要遵循的環(huán)境和防雷電磁兼容等電氣標(biāo)準(zhǔn)、信號(hào)安全標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)等，關(guān)于電氣和安全的通用標(biāo)準(zhǔn)主要見(jiàn)于IEEE、EN 等國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)。此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)有對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)，要求是等同的。

應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容比較寬泛，例如國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)ETCS 互聯(lián)互通規(guī)范。但對(duì)于聯(lián)鎖等基礎(chǔ)設(shè)備，不同地區(qū)或國(guó)家通常有各自的標(biāo)準(zhǔn)或者文件規(guī)定。

應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)典型的如北美的AREMA 標(biāo)準(zhǔn)，英標(biāo)BS 的部分標(biāo)準(zhǔn)等。與國(guó)內(nèi)的XX 技術(shù)條件類(lèi)似，標(biāo)準(zhǔn)通常包含了產(chǎn)品的通用標(biāo)準(zhǔn)符合性要求，也包含了信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)定、產(chǎn)品技術(shù)條件和安裝等的專(zhuān)用要求。以北美的AREMA 標(biāo)準(zhǔn)為例，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信號(hào)設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試、安全保證等各方面做了詳細(xì)規(guī)定：

1）工程設(shè)計(jì)規(guī)定：包括信號(hào)設(shè)計(jì)原則、電路設(shè)計(jì)、安裝設(shè)計(jì)；

2）各系統(tǒng)功能、設(shè)計(jì)原則、技術(shù)條件，包含聯(lián)鎖繼電電路；

3）主要器材材料的電氣、機(jī)械特性和安裝要求，包括：繼電器、信號(hào)機(jī)、軌道電路相關(guān)器材、道岔轉(zhuǎn)換、機(jī)械安裝裝置等；

4）計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的軟硬件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子接口設(shè)計(jì)，電路防護(hù)要求、安裝及測(cè)試要求；

5）電源設(shè)計(jì)，包括蓄電池、充電裝置等的設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試要求；

6）安全保證程序及技術(shù)要求

……

由于應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容多，涵蓋范圍廣，因此海外主要技術(shù)體系的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)需要細(xì)致對(duì)標(biāo)，并在實(shí)施中嚴(yán)格執(zhí)行。

3.2 成本最優(yōu)設(shè)計(jì)

成本最優(yōu)控制是海外項(xiàng)目的重要設(shè)計(jì)理念。降低成本涉及多方面，包括信號(hào)系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)，也包括房屋配套要求，電源能耗，還有后期維護(hù)成本等等，需要綜合考量。

信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)在滿(mǎn)足用戶(hù)運(yùn)營(yíng)習(xí)慣的前提下，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置。產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)成本優(yōu)化有很大影響，如：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝方式等。通過(guò)方案優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、安裝方式優(yōu)化以及配置優(yōu)化以達(dá)到降低成本的目的。

1)軌旁安裝方式設(shè)計(jì)

目前海外項(xiàng)目的聯(lián)鎖系統(tǒng)招標(biāo)均要求對(duì)軌旁控制對(duì)象的控制接口取消繼電器，即采用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大減小設(shè)備房的空間要求。同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟應(yīng)用，智能化網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)控制器可方便的支持分布式軌旁安裝方式。小站以及線路所，采用軌旁安裝方式，可節(jié)省設(shè)備用房投資。在控制對(duì)象集中區(qū)域采用軌旁控制箱，可有效減少電纜使用量，信號(hào)項(xiàng)目中電纜及其敷設(shè)投資占比是很大的，減少電纜用量是降低成本的一個(gè)重要手段。

另外在幾乎每個(gè)海外項(xiàng)目中都存在大量道口，且道口一般沒(méi)有設(shè)備用房，因此道口控制設(shè)備需適應(yīng)軌旁安裝方式。

2)增強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性需求

提高設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性是成本優(yōu)化設(shè)計(jì)要考慮的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

海外項(xiàng)目地域分布廣，不同地區(qū)溫度差異大，且聯(lián)鎖設(shè)備用房通常不設(shè)空調(diào)等機(jī)房設(shè)施，這樣做一方面減少建設(shè)投資，另一方面降低運(yùn)營(yíng)能耗，減少設(shè)備維護(hù)成本。因此海外項(xiàng)目對(duì)聯(lián)鎖設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求較高，需要設(shè)備能適應(yīng)更寬的工作溫度范圍。

與聯(lián)鎖位于同一設(shè)備房?jī)?nèi)的其他設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性需求容易被忽視，典型的如區(qū)間點(diǎn)的維護(hù)監(jiān)測(cè)顯示器，在沒(méi)有空調(diào)且環(huán)境溫度條件很差的情況下，就需要考慮替代方案。

3)配置優(yōu)化

在海外項(xiàng)目招投標(biāo)中，信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、供貨是作為整包發(fā)包的，這給在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行配置優(yōu)化提供了可能。

以監(jiān)測(cè)為例，目前各系統(tǒng)設(shè)備均配置監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)還有信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備都可以提供圖表形式的功能完善的監(jiān)測(cè)查詢(xún)，車(chē)站機(jī)械室可能同時(shí)存在多個(gè)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備。如果采用綜合維修監(jiān)測(cè)替代，既實(shí)現(xiàn)了配置優(yōu)化，同時(shí)也降低了能耗，如圖2 所示。

圖2 多個(gè)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備與綜合維修監(jiān)測(cè)對(duì)比圖Fig.2 Comparison of maintenance equipment configuration

4)產(chǎn)品工廠化安裝調(diào)試設(shè)計(jì)

海外項(xiàng)目由于有雇傭當(dāng)?shù)毓と耸┕さ囊?，所以施工的人工成本很高，有些還面臨不可控的風(fēng)險(xiǎn)，因此減少施工量、采用標(biāo)準(zhǔn)化施工，以降低對(duì)施工人員技術(shù)要求，是降低成本的一個(gè)重要方面。

海外出差成本很高，工廠化測(cè)試調(diào)試可有效減少現(xiàn)場(chǎng)人員需要。

3.3 符合運(yùn)營(yíng)需求的設(shè)計(jì)

與信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)需求主要包括：功能性需求、操作性需求，以及運(yùn)營(yíng)和維護(hù)體制。

1)與運(yùn)營(yíng)需求相適應(yīng)的設(shè)計(jì)

從設(shè)備配置角度看，在成本最優(yōu)的前提下，提供超出基本運(yùn)營(yíng)需求的增強(qiáng)功能是好的設(shè)計(jì)，反之應(yīng)避免提供非招標(biāo)要求的功能而造成成本上升。

信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)與運(yùn)營(yíng)體制和運(yùn)營(yíng)人員配置相適應(yīng)。

以CTC 系統(tǒng)為例，國(guó)內(nèi)采用分散自律CTC 系統(tǒng)，與車(chē)站設(shè)置行車(chē)人員是相適應(yīng)的。海外由于人工成本較高，很多地區(qū)或項(xiàng)目只有集中控制，在車(chē)站沒(méi)有本地運(yùn)營(yíng)控制操作，只有應(yīng)急操作。兩種方式對(duì)比如圖3 所示。這種情況下，自律機(jī)的配置將導(dǎo)致項(xiàng)目成本的上升。

圖3 自律方式和集中控制方式對(duì)比圖Fig.3 Comparison of decentralized autonomous CTC and centralized CTC equipment configuration

另如聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，海外項(xiàng)目很多中間站規(guī)模很小，有些中間站沒(méi)有配置生活設(shè)施，當(dāng)運(yùn)營(yíng)方?jīng)]有本地操作控制要求的情況下，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，采用集中控制，方便運(yùn)營(yíng)的同時(shí)，減少設(shè)備投入，降低后期維護(hù)成本。

2)與維修體制相適應(yīng)的設(shè)計(jì)

海外大部分地區(qū)的鐵路維護(hù)人員配置很少，多數(shù)車(chē)站內(nèi)沒(méi)有維護(hù)人員。這種情況下，集中維護(hù)監(jiān)測(cè)就顯得很重要，車(chē)站則以數(shù)據(jù)記錄功能為主。維護(hù)終端應(yīng)僅在維修人員的工作點(diǎn)進(jìn)行配置，減少車(chē)站維護(hù)工作。

除集中維護(hù)監(jiān)測(cè)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)考慮維護(hù)人員的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)操作需要，提供方便的故障報(bào)警提示，使板件更換操作一目了然。

4 結(jié)束語(yǔ)

海外市場(chǎng)對(duì)企業(yè)充滿(mǎn)機(jī)會(huì)，也充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。在向世界力推中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，只有深入了解海外市場(chǎng)需求，適應(yīng)需求變化，才能在海外市場(chǎng)走得更遠(yuǎn)。