鐵路信號系統(tǒng)發(fā)展研究

黃 蔚

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

近十年來，我國客運(yùn)專線和高速鐵路飛速發(fā)展，形成了成熟的CTCS-2/3 高速信號體系，成為高速鐵路安全運(yùn)營的保障。信號系統(tǒng)下一步如何發(fā)展，已成為信號研發(fā)人員廣泛關(guān)注的焦點。

近年來信號領(lǐng)域內(nèi)的國際性展會對信號系統(tǒng)發(fā)展趨勢釋放了大量信息，專家學(xué)者在以下新技術(shù)應(yīng)用方面形成了廣泛共識。

建立在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和增強(qiáng)的無線通信技術(shù)基礎(chǔ)上的移動閉塞應(yīng)用；

運(yùn)用ATO 系統(tǒng)，降低能耗，提高準(zhǔn)點率；

構(gòu)建分布式低成本的智能化軌旁設(shè)備。

由此可以看出，以保證運(yùn)行安全為核心的基礎(chǔ)信號系統(tǒng)的下一步發(fā)展，除安全需求這個永恒主題外，主要是通過新技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步達(dá)到以下幾點：

提高線路能力；

降低建設(shè)成本和運(yùn)營成本；

同時，為實現(xiàn)跨線互聯(lián)互通，需兼顧與既有系統(tǒng)的兼容。

本文將結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)和下一步發(fā)展目標(biāo)，對新的信號系統(tǒng)的架構(gòu)和對運(yùn)輸及成本的影響進(jìn)行分析。對于衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)此處不作討論。

2 當(dāng)前系統(tǒng)的主要特征

CTCS-2/3 是以地面控制為主的固定閉塞系統(tǒng)，列車占用檢查由軌道電路實現(xiàn)，地面控制系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)鎖進(jìn)路和列車位置生成列車移動授權(quán)，并通過軌道電路/無線通信發(fā)送給列車，由車載進(jìn)行列車運(yùn)行安全防護(hù)控制。主要設(shè)備組成、功能，及信息流如圖1 所示。

圖1 CTCS-2/3系統(tǒng)設(shè)備主要功能及信息流Fig.1 Main functions and information flow of CTCS-2/3 system equipment

基于與既有線路互聯(lián)互通的考慮，信號系統(tǒng)的下一步發(fā)展首先應(yīng)是基于地面控制為主的原則，應(yīng)用新技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能。

3 新的信號系統(tǒng)基本架構(gòu)

移動閉塞是下一步信號系統(tǒng)發(fā)展的核心要素，實現(xiàn)移動閉塞首先是解決列車實時定位和完整性檢查，以取代當(dāng)前的軌旁列車占用檢查設(shè)備。應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù)的車載定位解決方案已經(jīng)為行業(yè)普遍認(rèn)同。

新的信號系統(tǒng)的最主要特征是在既有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用車載定位、應(yīng)用A TO 系統(tǒng)等。其功能和信息流如圖2 所示。

由于車載定位方式的改變，列車位置和完整性報告由車載到RBC，并由RBC 處理以確定邏輯區(qū)段狀態(tài)變化，聯(lián)鎖進(jìn)路解鎖依據(jù)RBC 提供的邏輯區(qū)段狀態(tài)信息實現(xiàn)。

從該變化可以看到，在新系統(tǒng)中，車地配合更加緊密，下列技術(shù)將是系統(tǒng)研究的關(guān)鍵：

車地信息傳輸安全性；

列車定位精度；

列車定位信息更新的實時性。

4 線路能力影響分析

增加列車密度，縮短列車追蹤間隔是線路能力提高的直接反映。列車追蹤間隔受多種因素影響，其中包括與信號系統(tǒng)直接相關(guān)的閉塞方式、以及控制系統(tǒng)反應(yīng)時間等。

4.1 移動閉塞對線路能力的影響

移動閉塞是列車追蹤的理想方式。下面從區(qū)間追蹤和車站到達(dá)分別查看移動閉塞對線路能力的影響。

1）對區(qū)間追蹤間隔的影響

固定閉塞與移動閉塞的區(qū)間追蹤間隔對比如圖3所示，其中L 是固定閉塞和移動閉塞系統(tǒng)的列車追蹤間隔距離的差值。極端情況下，這個差值最大可接近一個閉塞分區(qū)的長度。如果閉塞分區(qū)長度為2 000 m，當(dāng)列車運(yùn)行速度為300 k m/h 時，不考慮其他因素，理想狀態(tài)列車區(qū)間追蹤可縮短約24 s，當(dāng)列車運(yùn)行速度為200 km/h 時，可縮短約36 s。

圖2 新的信號系統(tǒng)設(shè)備功能及信息流Fig.2 Functions and information flow of new signaling system equipment

圖3 區(qū)間追蹤間隔對比Fig.3 Section tracking intervals comparison

從分析可以得出：移動閉塞對列車區(qū)間追蹤間隔有積極的影響，既有閉塞分區(qū)越長，列車速度越低，采用移動閉塞后，其區(qū)間追蹤間隔時分縮短越多。

2）對到達(dá)追蹤間隔的影響

根據(jù)牽引計算定義，列車到達(dá)追蹤間隔時間與列車到達(dá)作業(yè)時間直接相關(guān)，即：前行列車出清道岔區(qū)段后，系統(tǒng)為追蹤列車辦理接車進(jìn)路，到追蹤列車收到延伸的移動授權(quán)的時間，如圖4 所示。

圖4 到達(dá)列車間隔對比Fig.4 Arrival intervals comparison

當(dāng)采用移動閉塞時，對追蹤列車將會出現(xiàn)兩個變化。

目標(biāo)點的變化，即：列車出清道岔邏輯區(qū)段前，追蹤列車移動授權(quán)可能向前延伸距離L，距離L 為進(jìn)站信號機(jī)與其內(nèi)方道岔間的距離，如果該距離按50 m 計算，對于200 k m/h 以上速度的列車，該距離走行時間不足1 s。

前行列車出清道岔邏輯區(qū)段時機(jī)的變化，固定閉塞下道岔區(qū)越長，采用移動閉塞后該時間變化相對縮短越多。在實際線路中，客專小站咽喉區(qū)總長度一般在200 多米，且進(jìn)出站普遍為18 號道岔，因此移動閉塞理想狀態(tài)下，該道岔邏輯區(qū)段出清時間可提前約5 s。

上述數(shù)據(jù)僅是理想狀態(tài)，實際應(yīng)用中還需要考慮列車定位誤差、列車位置更新周期、車站線路布置，移動閉塞邏輯區(qū)段設(shè)計長度等因素。實際對列車到達(dá)間隔的影響很小。

因此：移動閉塞對列車到達(dá)間隔影響非常有限。

4.2 系統(tǒng)反應(yīng)時間的影響

系統(tǒng)反應(yīng)時間是系統(tǒng)安全分析的重要內(nèi)容，也是影響追蹤間隔的一個重要因素。系統(tǒng)環(huán)節(jié)越多，通信環(huán)節(jié)就越多，信息傳輸時間的不確定因素越多，反應(yīng)時間越長。

如圖5 所示，以列車區(qū)間追蹤運(yùn)行為例，分別給出既有系統(tǒng)和新的車載定位系統(tǒng)下，計算列車追蹤間隔所需考慮的系統(tǒng)反應(yīng)時間環(huán)節(jié)。

圖5 區(qū)間追蹤系統(tǒng)反應(yīng)時間組成Fig.5 Response time composition of section tracking system

采用車載衛(wèi)星定位方式后，對于區(qū)間追蹤的情況影響如下。

列車占用/出清檢查延時：由衛(wèi)星定位系統(tǒng)替代軌道電路后，系統(tǒng)可以獲得列車在線路上的確定位置，位置數(shù)據(jù)的更新主要由車載和RBC 的同步周期決定，該周期延時將對列車追蹤時間產(chǎn)生影響。

系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)備處理及各環(huán)節(jié)設(shè)備間通信延時：系統(tǒng)信息處理環(huán)節(jié)減少，軌旁通信延時大大縮短，但同時對無線通信的可靠性要求大大提高。

人工駕駛司機(jī)確認(rèn)時間：采用A TO 自動駕駛，消除了人工確認(rèn)時間，對列車間隔起到積極的影響。

如圖6 所示，以列車到達(dá)間隔為例，分別給出既有系統(tǒng)和新的車載定位系統(tǒng)下，計算列車追蹤間隔所需考慮的系統(tǒng)反應(yīng)時間環(huán)節(jié)。

如圖6 所示，既有系統(tǒng)和車載定位系統(tǒng)之間的差異主要在藍(lán)色框架內(nèi)的定位環(huán)節(jié)，軌旁系統(tǒng)處理環(huán)節(jié)則不能減少。

對于定位環(huán)節(jié)，考慮到站內(nèi)非編碼軌道電路占用/出清延時大大縮短，而衛(wèi)星定位受車載與軌旁定位發(fā)送周期影響，因此從反應(yīng)時間，并結(jié)合站內(nèi)軌道區(qū)段短的特點，移動閉塞在站內(nèi)缺乏優(yōu)勢。

4.3 移動閉塞的應(yīng)用建議

從移動閉塞制式和系統(tǒng)反應(yīng)時間兩方面對線路能力的影響分析可以看到，移動閉塞對縮短列車區(qū)間追蹤間隔有積極影響，但對站內(nèi)到達(dá)追蹤間隔沒有優(yōu)勢。因此建議：

優(yōu)先應(yīng)用于線路能力較低的邊遠(yuǎn)鐵路；

在繁忙線路應(yīng)用時，結(jié)合站內(nèi)作業(yè)復(fù)雜，站內(nèi)宜保持既有列車占用檢查方式。

5 對建設(shè)成本和運(yùn)營維護(hù)成本的影響

在大鐵項目信號系統(tǒng)建設(shè)中，建安工程投資比例基本在50%左右，隨著人工成本的不斷上升，未來這個比例可能更高。而建安工程中電纜及其敷設(shè)、繼電器及其安裝占據(jù)主要工程量。

信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路，是既有信號系統(tǒng)中的主要軌旁設(shè)備，其控制需要使用大量的電纜，尤其是區(qū)間應(yīng)用。在僅有裝備A TP 車載設(shè)備動車組運(yùn)行的線路上，區(qū)間信號機(jī)已經(jīng)被標(biāo)志牌取代，但軌道電路作為列車占用檢查設(shè)備、以及地對車信息傳輸通道，在當(dāng)前的信號系統(tǒng)中仍是不可取代的基礎(chǔ)設(shè)備。

系統(tǒng)投入運(yùn)營后，運(yùn)行能耗和軌旁設(shè)備維護(hù)是運(yùn)營維護(hù)的主要成本因素。

從成本分析可以得出，減少軌旁設(shè)備是降低建設(shè)成本，減少運(yùn)營維護(hù)成本的最有效措施。而移動閉塞采用衛(wèi)星定位技術(shù)取代軌旁列車占用檢查設(shè)備，在區(qū)間，系統(tǒng)的處理環(huán)節(jié)大大減少，這些方案都吻合了降低成本的需求。

6 軌旁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

軌旁系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化是信號系統(tǒng)降低成本、控制能耗的措施之一。歐洲提出的分布式低成本的智能化軌旁設(shè)備是未來發(fā)展的目標(biāo)，但具體實施還需要結(jié)合我國鐵路運(yùn)營的調(diào)度中心、車站兩級控制方式的需求逐步推進(jìn)。當(dāng)前，對于既有軌旁系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化更重要的是打破子系統(tǒng)邊界，減少功能交叉、使信息傳輸路徑最優(yōu)，提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性能。

6.1 全系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控

借助物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來信號軌旁系統(tǒng)可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)全系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控。

當(dāng)前信號系統(tǒng)各子系統(tǒng)采用獨立監(jiān)測，以站為單位提供監(jiān)測顯示的方式。這種方式設(shè)備多，功能交叉，不利于維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)故障。

下一步系統(tǒng)的各子系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)隨主設(shè)備配置數(shù)據(jù)記錄器，各設(shè)備數(shù)據(jù)記錄器接入物聯(lián)網(wǎng)，在維修工區(qū)統(tǒng)一設(shè)置監(jiān)控裝置，對維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和解析。

6.2 車站操作控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車站操作控制層宜采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少CTC 和聯(lián)鎖的操作功能交叉環(huán)節(jié)，其主要作用是減少控制顯示信息傳輸通道的環(huán)節(jié)，增強(qiáng)信息傳輸?shù)膶崟r性。

6.3 全電子接口

聯(lián)鎖全電子接口技術(shù)的成熟，為其在鐵路的應(yīng)用提供了條件。全電子接口可以使控制模塊方便的實現(xiàn)軌旁安裝，進(jìn)而進(jìn)一步減少站內(nèi)電纜的使用。

7 結(jié)束語

我國信號系統(tǒng)的下一步發(fā)展，主要是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，采用新的定位技術(shù)，實現(xiàn)建設(shè)成本和運(yùn)營維護(hù)成本的雙降，提高邊遠(yuǎn)鐵路線路能力、維持既有繁忙線路的線路能力，同時逐步推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在軌旁系統(tǒng)中的應(yīng)用，優(yōu)化軌旁設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能。由于車載定位方式的變化，新系統(tǒng)的研發(fā)要特別關(guān)注信息傳輸安全性的研究，以及傳輸時延的系統(tǒng)分析。