軌道交通信號系統發展與趨勢探討

江 明

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

軌道交通系統作為大容量公共交通工具，其安全性直接關系到廣大乘客的生命財產安全，信號系統作為保證列車安全、正點、快捷、舒適、高密度不間斷運行的重要技術裝備，在軌道交通系統中有著舉足輕重的地位，是實現軌道交通統一指揮調度、保障列車安全運行、提高運輸效率的關鍵技術裝備。隨著高速鐵路和城市軌道交通、城際/市域鐵路技術不斷發展，列車運行速度和密度不斷提高，現代復雜電子系統在信號領域的更廣泛應用，帶來我國軌道交通信號系統技術的長足進步。

本文從軌道交通系統的特點和列車運行的需求入手展開分析，圍繞安全行車這一中心，指出軌道交通信號系統對消解列車運行沖突風險所起的重要作用，結合當前技術發展階段系統梳理了軌道交通信號系統提供的5大功能，說明信號系統是使移動裝備與地面固定裝備保持協調關系、防止列車超速的重要系統，并明晰鐵路信號專業與交通運輸其他相關專業的關系與區別。最后，針對大型路網和小型線路提出軌道交通信號系統的不同發展趨勢及技術難點，并對當前一些流行的技術趨勢進行探討。

1 軌道交通系統特點分析

軌道交通是指運營車輛需要在特定軌道上行駛的一類交通工具或運輸系統，是一個涉及人口、環境、社會、經濟等眾多因素的復雜大系統。常見的軌道交通有傳統鐵路（國家鐵路、城際鐵路和市域鐵路）、地鐵、輕軌、有軌電車、磁懸浮軌道系統、單軌系統和旅客自動捷運系統等。軌道交通普遍具有運量大、速度快、班次密、安全舒適、準點率高、全天候、運費低和節能環保等優點，但同時常伴隨著較高的前期投資、技術要求和維護成本。

列車運行是一個多專業、多工種配合工作，圍繞安全行車這一中心而組成的有序聯動、時效性極強的系統。為保證列車運行安全、正點，軌道交通在運輸組織上要實行集中調度、統一指揮、按運行圖行車。為實現在有限的特定軌道上盡可能多地完成人員和貨物的位移，需要盡可能地避免發生列車運行沖突，即避免列車因同時使用某一技術設備、運行時刻或列車偏離運行計劃而產生的相互制約作用。特別需要指出的是，列車運行沖突如果未被及時合理地消解，則將發展為“沖撞”[1]。

通常情況下軌道交通行車組織實施的是無沖突運行圖，這是由于軌道交通列車運行圖編制已考慮了各類約束。在正常的運輸生產活動中，按照既定計劃和行車組織方法開展運輸生產活動，即可安全有序地完成運輸生產任務。然而在實際運輸生產過程中可能會遭遇一些非正常情況，由于運輸相關的各種技術設備故障、自然災害、事故災難、公共衛生事件或社會安全事件等不確定性因素的干擾影響，導致鐵路運輸不能按照既定組織方法和既定工作計劃組織運輸生產，列車運行時間將圍繞著運行圖作隨機波動。當行車過程中受到的隨機干擾較大，超過列車運行圖的列車運行調整彈性范圍，就將導致列車運行沖突發生，該運行沖突風險的存在將會大大提升發生事故的可能性。

軌道交通行車調度的主要任務，是對造成列車運行沖突的影響因素進行分析和控制，實現風險的消解。列車運行沖突風險來源于不確定性，而不確定性源自于信息的匱乏。列車運行是一個全局優化問題，行車調度必須掌握全局的、全時段的而非若干孤立的信息，持續監控每一列車的運行狀態。信號系統正是為了實現上述目標、用于消解列車運行沖突風險的專用系統。該系統按照調度員的意圖，按計劃切換運行方向、動作道岔，安全可靠地生成行車憑證（長度足以滿足列車運行的需要），并將行車憑證以司機能夠正確理解的方式安全可靠地傳遞給司機，指導或輔助司機安全駕駛，避免列車發生超速或沖突的事故。通過上述方式，信號系統將列車群的行車風險降到最低，實現保障列車安全運行，提高運輸效率的目標。與軌道交通運輸組織集中調度、統一指揮的要求類似，信號系統必須掌握列車運行的全局信息而非局部信息，并且能夠實現對列車群的集中管理、統一控制，否則列車運行沖突的風險將大為增加。

2 軌道交通信號系統發展過程及功能變遷

2.1 信號系統發展過程

軌道交通信號專業是故障-安全的信息化，經歷了機械、電氣、電子以及計算機應用等發展階段，從人工控制、設備控制向信息控制為主體的方向發展。車站信號、區間信號和列車運行控制技術的一體化，通信信號技術的相互融合，以及行車調度指揮自動化等技術的應用，使現代軌道交通信號系統不再是各種傳統的機械、電子類信號設備的簡單組合，而是一個包含列車追蹤、安全防護、速度控制等功能完善、層次分明、基于計算機處理技術的復雜控制系統。從而打破了鐵路信號功能單一、控制分散、相對獨立的傳統理念，發展成集信號指示、列車運行控制、調度集中、數據通信等多項功能為一體，軟件與硬件緊密結合的大型安全相關系統，具有網絡化和系統化的技術特點，且系統功能復雜多樣。

2.2 信號系統主要功能

經過一百多年的發展，鐵路信號已經從最初階段提供“視力”的傳統信號逐步演變成為一套用于消解列車運行沖突風險的專用工業控制系統，是使移動裝備與地面固定裝備保持協調關系、防止列車超速的重要系統。隨著信號系統不斷發展，其功能也在不斷擴展完善。從當前的技術發展階段來看，信號系統具有保障行車安全、提高運輸效率、提升運營管理水平、改善工作人員勞動條件、降低運行能耗等5大功能。

信號系統是保障行車安全的關鍵系統設備。保障行車安全是鐵路信號能夠成為一個獨立學科的基礎，是信號系統的核心功能。信號系統最初僅僅提供信號指示功能，但隨著其技術發展，信號系統越來越多地承擔了從其他專業轉移而來、涉及行車安全和乘客安全的安全功能。以中國鐵路使用的信號系統為例，既有線的信號系統是以地面信號顯示作為行車憑證，機車信號和LKJ設備為司機提供輔助行車信號，信號系統僅承擔道岔和信號機控制、自動停車防冒進等安全功能，其他功能由調度員和司機承擔安全責任；高速鐵路信號系統在信號指示的基礎上提供連續的速度防護，能夠有效防范列車超速和列車相撞等安全事故；高速鐵路自動駕駛系統在高速鐵路信號系統的基礎上，又增加車門開關和加減速的相關處理，更多地承擔了乘客安全相關的安全功能。

信號系統是提高運輸效率的關鍵系統設備，從支持更高的行車速度和更高的行車密度兩個方面不斷提升運能。近二十余年來，我國軌道交通閉塞方式從半自動站間閉塞、自動站間閉塞、固定閉塞發展到準移動閉塞、虛擬閉塞、移動閉塞，列車最小追蹤間隔從十幾分鐘縮短到高鐵3 min、地鐵90 s；從三顯示/四顯示、機車信號、列車運行監控記錄裝置到CTCS列控系統，信號系統支持的列車最高運行速度從120 km/h提高到350 km/h；從ATP安全防護、ATO自動駕駛到FAO全自動駕駛，確保列車運行準點率，更好滿足運營要求。

信號系統是實現行車指揮和列車運行現代化的關鍵系統設備，對提升運營管理水平起到重要作用。從繼電聯鎖到計算機聯鎖，從地車單向通信到車地雙向通信，各種分散的信號設備聯成整體網絡化結構，信號系統能夠實現行車各種信息的采集、傳輸、處理、再生和管理，調度指揮系統能夠獲得的信息越來越豐富，有效提高各個層次的輔助決策手段；從人工調度到計劃自動執行，從人工駕駛到全自動駕駛，行車指揮手段越來越智能化，能夠充分發揮信號系統的整體綜合效能，有效提升了運營管理水平。

信號系統是改善工作人員勞動條件的關鍵系統設備。信號系統的主要作用是為行車人員提供消解列車運行沖突風險的技術手段，信號系統的每一次技術革新，都為行車人員提供了更多自動化、智能化的手段，改善了行車人員的勞動條件。聯鎖系統的推出，實現進路辦理的自動化，減輕了車站值班員的勞動強度；調度指揮信息管理系統（TDCS）和調度集中系統（CTC）的推出，實現列車的自動追蹤和進路的自動觸發，減輕了列車調度員的勞動強度；自動駕駛系統（CTCS2+ATO、CTCS3+ATO、FAO CBTC）的推出，實現列車駕駛的自動化，減輕了司機的勞動強度；編組站綜合自動化系統的推出，實現列車編組的自動化，減輕了編組站工作人員的勞動強度。

隨著自動駕駛技術發展，信號系統為軌道交通系統的節能降耗做出了新的貢獻。在電氣化鐵路區段，如何有效地減少軌道交通行業的運營能耗，降低運輸成本，是軌道交通運營公司十分關注的一項課題。根據線路條件優化完善自動駕駛策略，降低列車牽引能耗，能夠有效降低軌道交通運營能耗。

2.3 鐵路信號與其他專業的關系與區別

鐵路運輸相關專業主要包括工務工程、電氣化、通信信號、機車車輛、運輸管理等。各專業均依托特定的技術手段，結合鐵路的特點而形成，是應用性極強的綜合性學科。各專業的關鍵技術不同、關注點亦不同。工務工程、電氣化、機車車輛等專業裝備提供列車運行所需的基本條件，主要目的是讓列車群運行起來，完全不考慮列車沖突的風險及風險的消解。運輸管理專業主要考慮列車運行沖突風險的消解，以安全高效地完成運輸生產活動，其主要技術手段就是鐵路信號專業提供的系統和裝備。為避免列車運行沖突，軌道交通運營對信號系統提出了高安全性、高可靠性要求，故障不能導向危險側，故障影響范圍要盡可能小，不能影響全局。事實上，鐵路信號系統廣泛采用故障-安全技術，80%以上功能都是在處理各種故障，消解運行沖突風險。

鐵路信號專業與其他專業相比有一個非常顯著的特點，即信號系統是為每條線路、每個車站單獨定制的。由于移動裝備與地面固定裝備之間缺乏直接的信息交流，移動設備無法與地面固定裝備直接進行匹配，其結果就是移動裝備無法知曉自己能跑多遠能跑多快。信號系統需要承擔車地之間的聯系，使得移動裝備與地面固定裝備保持協調關系，確保列車安全運行。為實現上述協調作用，導致信號設備每個車站、每條線路、每個調度臺的軟件都不同，而且信號設備的應用軟件與線路/配置數據高度耦合，系統的安全性既依賴于應用軟件，也依賴于線路/配置數據（如坡度、線路限速、臨時限速、車站股道、道岔位置、區段長度等）。例如，某個區段固定限速200 km/h，如果數據配置錯誤，列車可能超速行駛通過該區段，造成列車脫軌。實際上，信號設備因為數據錯誤造成的事故遠多于軟件錯誤造成的事故。對數據的管理，是信號系統需要重點考慮的一個非常重要方面，目前采用大量測試的方式來保證數據的準確性和安全性。

此外，正如2.2節所述，信號系統具有遍布中心、車站、軌旁和車上的完整傳感信息，且已形成一個整體的網絡化結構，能夠為其他專業提供信息，實現行車各種信息的采集、傳輸、處理、再生和管理。相關專業通過合理利用這些信息，將有效提高各個層次的輔助決策手段，提供更多自動化的技術手段，進一步改善工作人員的勞動條件。

3 軌道交通信號系統發展趨勢及技術難點

軌道交通信號系統下一步發展趨勢一直是理論界和工業界都很關心的問題，很多學者對其進行多方位的探討，并且提出了很多新穎的想法[2-5]。

不同形式的軌道交通系統運行模式不同，比較典型的有兩類。一類以我國高速鐵路為代表，要求能夠支持數萬公里線路、數萬列車的路網級運營，有強烈的互聯互通需求，以下簡稱高鐵信號系統；另一類以普通地鐵為代表，要求能夠支持數十公里線路、數十列車的線路級運營，以下簡稱地鐵信號系統。其他制式信號系統可視作上述兩種系統的某種組合。由于系統需求不同，高鐵信號系統和地鐵信號系統的發展趨勢存在較大的差異，以下分別討論。

3.1 高鐵信號系統

伴隨著新時代人們對高鐵出行的青睞，高鐵運營對信號系統的5大功能提出更高的要求。現有信號系統因其技術特點，在適應新需求方面遇到一些難以克服的瓶頸問題，包括無法適應500 km/h以上高速運營的需求，運輸效率進一步提升的空間有限，維護成本居高不下，智能化程度有待提高。針對上述問題，需要結合近年來城市軌道交通列控系統、北斗衛星導航系統和寬帶通信技術等領域的技術突破，攻克以考慮前行列車位置與速度的移動閉塞、地面集中控制的定制化和精細化運行控制、高速列車智能駕駛、基于北斗的高安全高精度列車定位、高可信實時寬帶無線通信為代表的關鍵技術，研制新型高速鐵路信號系統，以更好地滿足新時代下的新需求。

為進一步提高運輸效率，新型高鐵信號系統可采用考慮前行列車位置與速度的移動閉塞。當列車速度較高時，由于行車許可長度遠大于閉塞分區的長度，僅考慮前行列車位置的移動閉塞與固定閉塞相比提升效率的效果不明顯[6]。而基于前行列車位置與速度的移動閉塞將大大縮小列車運行間隔，顯著提高運輸效率，但需要引入全新的安全理念，對列車動態間隔控制建立完備的智能控制模型，提出保證安全前提下的穩定、可靠的間隔控制算法。

為了降低維護成本，提高控車精度和系統的安全性，新型高鐵信號系統應采用基于虛擬化設備、人工智能和大數據分析等技術手段實現的智能化地面集中控制模式，實現對每列車的定制化和精細化運行控制。在此模式下，由地面中心設備承擔復雜的智能化安全計算功能，地面軌旁設備和車載設備僅承擔采集、執行及安全校核功能。也有研究人員提出另一種技術趨勢，采用車車通信分散控制方式替代地面集中控制方式。但這種模式下，由于不再有地面安全設備來統一管理列車運行相關的全局信息，需要進一步克服與既有路網互聯互通、設備故障情況下的運營組織、改方和道岔操作的安全措施等技術難題，在短期內較難實現。

高速列車智能駕駛技術以安全和效率提升為目標，以替代司機操控列車為手段，控制高速列車按照運行計劃在線路上運營。實現更高自動化等級的高速列車智能駕駛，能夠進一步提高運輸能力、降低運行能耗，但需要攻克人員及車上設備狀態等大量的狀態感知和狀態檢測問題[7]。

基于北斗的高安全高精度列車定位、高可信實時寬帶無線通信在相關文獻中討論較多，本文不再贅述。

3.2 地鐵信號系統

與高鐵信號系統相比，地鐵信號系統在采用先進技術方面步伐更快，已實現互聯互通、移動閉塞和全自動駕駛功能，LTE-M系統已獲得成功應用。由于地鐵一般都在隧道中，北斗衛星信號覆蓋差，因此暫不考慮衛星定位技術的應用。

由于單線地鐵線路情況比較簡單，中間站道岔較少，全套設備一般由一個廠商提供，可以考慮基于車車通信的分散控制方式，將列控聯鎖功能集成至車載，應用在作業較簡單、站場規模較小、維修條件差的線路。

為了進一步提高運輸效率，地鐵信號系統可采用考慮前行列車位置與速度的移動閉塞（詳見3.1節）和虛擬連掛技術[8]。

4 總結

軌道交通信號系統是軌道交通系統中為保證行、調車作業安全，提高車站、區間通過能力及列車解編能力，提升綜合指揮調度及運營管理水平，改善作業人員勞動條件，降低運行能耗的技術設備的總稱，是一套用于消解列車運行沖突風險的專用工業控制系統，是使移動裝備與地面固定裝備保持協調關系、防止列車超速的重要系統。本文分析了軌道交通系統列車運行的特點和需求，討論了信號系統的發展過程、主要功能以及鐵路信號與其他專業的關系與區別，在此基礎上，針對大型路網和小型線路提出軌道交通信號系統的不同發展趨勢及技術難點，并對當前一些流行的技術趨勢進行了探討。