鐵路信號系統發展研究

黃 蔚

(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)

1 概述

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

近年來信號領域內的國際性展會對信號系統發展趨勢釋放了大量信息，專家學者在以下新技術應用方面形成了廣泛共識。

建立在衛星導航技術和增強的無線通信技術基礎上的移動閉塞應用；

運用ATO 系統，降低能耗，提高準點率；

構建分布式低成本的智能化軌旁設備。

由此可以看出，以保證運行安全為核心的基礎信號系統的下一步發展，除安全需求這個永恒主題外，主要是通過新技術的應用，進一步達到以下幾點：

提高線路能力；

降低建設成本和運營成本；

同時，為實現跨線互聯互通，需兼顧與既有系統的兼容。

本文將結合當前系統和下一步發展目標，對新的信號系統的架構和對運輸及成本的影響進行分析。對于衛星導航等技術此處不作討論。

2 當前系統的主要特征

CTCS-2/3 是以地面控制為主的固定閉塞系統，列車占用檢查由軌道電路實現，地面控制系統根據聯鎖進路和列車位置生成列車移動授權，并通過軌道電路/無線通信發送給列車，由車載進行列車運行安全防護控制。主要設備組成、功能，及信息流如圖1 所示。

圖1 CTCS-2/3系統設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互通的考慮，信號系統的下一步發展首先應是基于地面控制為主的原則，應用新技術優化系統結構和性能。

3 新的信號系統基本架構

移動閉塞是下一步信號系統發展的核心要素，實現移動閉塞首先是解決列車實時定位和完整性檢查，以取代當前的軌旁列車占用檢查設備。應用衛星定位技術的車載定位解決方案已經為行業普遍認同。

新的信號系統的最主要特征是在既有系統基礎上，采用車載定位、應用A TO 系統等。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 處理以確定邏輯區段狀態變化，聯鎖進路解鎖依據RBC 提供的邏輯區段狀態信息實現。

從該變化可以看到，在新系統中，車地配合更加緊密，下列技術將是系統研究的關鍵：

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直接相關的閉塞方式、以及控制系統反應時間等。

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。下面從區間追蹤和車站到達分別查看移動閉塞對線路能力的影響。

1）對區間追蹤間隔的影響

固定閉塞與移動閉塞的區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的長度。如果閉塞分區長度為2 000 m，當列車運行速度為300 k m/h 時，不考慮其他因素，理想狀態列車區間追蹤可縮短約24 s，當列車運行速度為200 km/h 時，可縮短約36 s。

圖2 新的信號系統設備功能及信息流Fig.2 Functions and information flow of new signaling system equipment

圖3 區間追蹤間隔對比Fig.3 Section tracking intervals comparison

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

2）對到達追蹤間隔的影響

根據牽引計算定義，列車到達追蹤間隔時間與列車到達作業時間直接相關，即：前行列車出清道岔區段后，系統為追蹤列車辦理接車進路，到追蹤列車收到延伸的移動授權的時間，如圖4 所示。

圖4 到達列車間隔對比Fig.4 Arrival intervals comparison

當采用移動閉塞時，對追蹤列車將會出現兩個變化。

目標點的變化，即：列車出清道岔邏輯區段前，追蹤列車移動授權可能向前延伸距離L，距離L 為進站信號機與其內方道岔間的距離，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段時機的變化，固定閉塞下道岔區越長，采用移動閉塞后該時間變化相對縮短越多。在實際線路中，客專小站咽喉區總長度一般在200 多米，且進出站普遍為18 號道岔，因此移動閉塞理想狀態下，該道岔邏輯區段出清時間可提前約5 s。

上述數據僅是理想狀態，實際應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，移動閉塞邏輯區段設計長度等因素。實際對列車到達間隔的影響很小。

因此：移動閉塞對列車到達間隔影響非常有限。

4.2 系統反應時間的影響

系統反應時間是系統安全分析的重要內容，也是影響追蹤間隔的一個重要因素。系統環節越多，通信環節就越多，信息傳輸時間的不確定因素越多，反應時間越長。

如圖5 所示，以列車區間追蹤運行為例，分別給出既有系統和新的車載定位系統下，計算列車追蹤間隔所需考慮的系統反應時間環節。

圖5 區間追蹤系統反應時間組成Fig.5 Response time composition of section tracking system

采用車載衛星定位方式后，對于區間追蹤的情況影響如下。

列車占用/出清檢查延時：由衛星定位系統替代軌道電路后，系統可以獲得列車在線路上的確定位置，位置數據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生影響。

系統各環節設備處理及各環節設備間通信延時：系統信息處理環節減少，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。

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

如圖6 所示，以列車到達間隔為例，分別給出既有系統和新的車載定位系統下，計算列車追蹤間隔所需考慮的系統反應時間環節。

如圖6 所示，既有系統和車載定位系統之間的差異主要在藍色框架內的定位環節，軌旁系統處理環節則不能減少。

對于定位環節，考慮到站內非編碼軌道電路占用/出清延時大大縮短，而衛星定位受車載與軌旁定位發送周期影響，因此從反應時間，并結合站內軌道區段短的特點，移動閉塞在站內缺乏優勢。

4.3 移動閉塞的應用建議

從移動閉塞制式和系統反應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間追蹤間隔有積極影響，但對站內到達追蹤間隔沒有優勢。因此建議：

優先應用于線路能力較低的邊遠鐵路；

在繁忙線路應用時，結合站內作業復雜，站內宜保持既有列車占用檢查方式。

5 對建設成本和運營維護成本的影響

在大鐵項目信號系統建設中，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、繼電器及其安裝占據主要工程量。

信號機、轉轍機、軌道電路，是既有信號系統中的主要軌旁設備，其控制需要使用大量的電纜，尤其是區間應用。在僅有裝備A TP 車載設備動車組運行的線路上，區間信號機已經被標志牌取代，但軌道電路作為列車占用檢查設備、以及地對車信息傳輸通道，在當前的信號系統中仍是不可取代的基礎設備。

系統投入運營后，運行能耗和軌旁設備維護是運營維護的主要成本因素。

從成本分析可以得出，減少軌旁設備是降低建設成本，減少運營維護成本的最有效措施。而移動閉塞采用衛星定位技術取代軌旁列車占用檢查設備，在區間，系統的處理環節大大減少，這些方案都吻合了降低成本的需求。

6 軌旁系統結構優化

軌旁系統的設備結構優化是信號系統降低成本、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備是未來發展的目標，但具體實施還需要結合我國鐵路運營的調度中心、車站兩級控制方式的需求逐步推進。當前，對于既有軌旁系統的設備結構優化更重要的是打破子系統邊界，減少功能交叉、使信息傳輸路徑最優，提高系統信息傳輸的實時性能。

6.1 全系統統一監控

借助物聯網的發展，未來信號軌旁系統可以通過結構優化實現全系統統一監控。

當前信號系統各子系統采用獨立監測，以站為單位提供監測顯示的方式。這種方式設備多，功能交叉，不利于維護人員及時發現故障。

下一步系統的各子系統設備應隨主設備配置數據記錄器，各設備數據記錄器接入物聯網，在維修工區統一設置監控裝置，對維護數據進行收集和解析。

6.2 車站操作控制結構優化

車站操作控制層宜采取結構優化，減少CTC 和聯鎖的操作功能交叉環節，其主要作用是減少控制顯示信息傳輸通道的環節，增強信息傳輸的實時性。

6.3 全電子接口

聯鎖全電子接口技術的成熟，為其在鐵路的應用提供了條件。全電子接口可以使控制模塊方便的實現軌旁安裝，進而進一步減少站內電纜的使用。

7 結束語

我國信號系統的下一步發展，主要是在系統穩定的前提下，采用新的定位技術，實現建設成本和運營維護成本的雙降，提高邊遠鐵路線路能力、維持既有繁忙線路的線路能力，同時逐步推進物聯網技術在軌旁系統中的應用，優化軌旁設備結構，提高系統性能。由于車載定位方式的變化，新系統的研發要特別關注信息傳輸安全性的研究，以及傳輸時延的系統分析。