智能高速鐵路信號系統一體化技術發展方向探討

李紅俠

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司 電化通號設計研究院，北京 100055）

智能高速鐵路（簡稱：高鐵）是我國乃至世界高鐵的發展方向。智能高鐵建設中，通過廣泛應用云計算、大數據、人工智能（AI，Artificial Intelligence）、建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）、第5代移動通信（5G，Generation Mobile Communication）等新一代信息技術，實現全生命周期的一體化管理。信號系統智能化程度是高鐵智能化水平的重要體現。采用新一代信息技術提升高鐵信號系統的智能化、一體化水平，可在提高運輸能力和服務水平的同時，有效降低運營成本；通過將智能高鐵信號系統與相關專業系統進行一體化融合，可更好地實現智能高鐵運輸綜合管控的目標。作為我國智能高鐵的示范工程，京張（北京—張家口）高鐵于2019年12月30日開通運行。以京張高鐵為依托，中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）制定了《智能高速鐵路體系架構1.0》（鐵科信[2020]159號）[1]（簡稱：體系架構），從頂層設計的角度進一步規范了智能高鐵的建設與運營，明確了智能高鐵的建設內容及其相互關系，為智能高鐵建設和規劃，以及和既有高鐵智能化升級提供了總體藍圖和規格說明。

現階段，高鐵信號系統已不是單純地由幾種信號設備組成，而是通過較為復雜的網絡化結構，來實現信號系統內部及與相關專業系統間信息的交換。為在保證安全的前提下降低維護成本，高鐵信號系統智能化發展越來越重視通過一體化技術來簡化系統結構、提高系統性能、減少維護工作量。

1 體系架構中信號系統相關內容

體系架構包括智能建造、智能裝備和智能運營3大板塊和1個AI平臺。智能建造板塊包含BIM建模、協同設計、數字化交付及信號工程智能施工創新等[2]內容，信號系統的相關內容作為智能建造板塊的有機組成部分，未單獨體現。體系架構中與高鐵信號系統相關的內容主要包括：（1）智能裝備板塊：通信信號領域中的信號方向；（2）智能運營板塊：運輸組織領域中的智能行車調度方向、養護維修領域中的工（務）電（務）供（電）一體化運營維護（簡稱：運維）方向，如圖1所示。

圖1 體系架構中信號系統的相關內容

現階段，還未統籌打造統一的智能高鐵AI平臺，智能建造板塊的協同設計平臺、智能裝備板塊的動車組智能監控平臺及智能運營板塊的客站旅客服務與生產管控平臺等均為獨立部署。智能高鐵體系架構還未制定云平臺、大數據等新一代信息技術的相關標準規范及近、遠期發展規劃。

2 我國智能高鐵信號系統一體化現狀

高鐵信號系統主要包括調度集中（CTC，Centralized Traffic Control）、區間自動閉塞、列車運行控制（簡稱：列控）、車站聯鎖、電源屏、信號集中監測等系統。京張高鐵的信號系統采用了智能CTC、中國列車運行控制系統（CTCS，Chinese Train Control System）+列車自動駕駛（ATO，Automatic Train Operation）[3-4]、智能電源屏及電務維護作業管理系統，為加強CTC系統與客運、供電、施工、防災等系統的信息共享和實時交互，提供列車運行綜合展示、線路停送電的自動化卡控、防災限速信息自動提取等功能。智能CTC系統設置了行車信息大數據綜合平臺，ATO系統采用了應答器、速度傳感器等定位方式，車—地雙向通信應用鐵路綜合數字移動通信/通用無線分組業務（GSM-R/GPRS，Global System for Mobile Communications-Railway/General Packet Radio Service）來實現，尚未應用云計算、北斗衛星導航、5G等新一代信息技術。

2.1 列控聯鎖一體化現狀

列控中心和車站聯鎖設備是鐵路信號系統中涉及行車安全的關鍵設備[5]，實現列車在區間和車站的運行安全控制，安全完整性等級（SIL，Safety Integrity Level）均為4級。目前，列控中心和聯鎖獨立設置，通過接口傳遞大量的列車運行相關信息。國內科研單位研發的列控聯鎖一體化系統取得了階段性成果，已在低密度線路上進行了相關試驗驗證工作。

2.2 高鐵正線與動車段（所）ATO系統一體化現狀

高鐵CTCS+ATO系統運用范圍僅為高鐵正線，尚沒有高鐵正線與動車段（所）的ATO系統一體化設計。列車進出動車段（所）在列車自動防護（ATP，Automatic Train Protection）安全監控下，采用司機人工駕駛模式。

2.3 信號智能電源屏一體化現狀

為高鐵信號設備提供電源的電源屏系統，通過采用模塊化的結構，已實現了適用于鐵路調度集中、區間自動閉塞、列控、車站聯鎖等高鐵信號設備的一體化智能電源屏系統。

2.4 工電供一體化運維現狀

在運維管理體系方面，京張高鐵已初步實現了工電供一體化運維管理模式，嘗試了工電供跨專業部分數據的共享，共享數據來自工電供監測檢測和作業管理系統。這些信息系統產生的數據是進行智能工電供一體化綜合運維工作的基礎。

3 我國智能高鐵信號系統一體化發展方向探討

智能高鐵信號系統的一體化發展可借鑒歐洲列車運行控制系統（ETCS，European Train Control System）和城市軌道交通（簡稱：城軌）CBTC（Communication Based Train Control System）標準。ETCS-2、ETCS-3的主要特點是實現了列控聯鎖一體化；城軌廣泛應用基于CBTC、核心為一體化的ATP /ATO系統，其中，ATP為包含聯鎖的列控聯鎖一體化模式，ATO覆蓋范圍包含城軌正線與車輛段（停車場）。

智能高鐵信號系統一體化發展主要分為信號系統內部、信號系統與相關專業系統（如站臺門）、信號系統與新一代信息技術融合3個方面。

3.1 智能高鐵信號系統內部一體化發展方向探討

3.1.1 智能高鐵新型列控系統一體化發展方向探討

高鐵新型列控系統技術應用原則堅持CTCS列控技術體系，發展方向為融合基于北斗衛星導航系統（簡稱：北斗導航）、ATO、移動閉塞等技術的一體化，把減少軌旁設備配置，降低軌旁設備維護工作量作為系統設計的主要考慮因素。

（1）基于北斗導航實現列車自主定位的多源融合定位技術，融合了北斗導航、車輪速度傳感器和無源應答器3種定位方式。在衛星信號接收良好的地區，列車主要靠北斗衛星定位與測速；在衛星信號遮擋地區（如隧道、有頂棚車站等），主要依靠車輪速度傳感器+無源應答器校準方式進行精確定位。

（2）城軌普遍采用一體化的ATP /ATO系統，高鐵列控系統整體實施列控、聯鎖、ATO一體化在技術上是可行的，可提高系統的總體性能，例如，在地面未配置ATO系統的既有高鐵線路[6]，若車載一體化設備具備ATO功能，既有的車站股道和正反向出站應答器（組）增加發送停車位置信息包，即可實現站間車站自動發車、區間自動運行（按照默認駕駛策略或由司機人工選擇預選駕駛策略自動運行）、車門開門防護和車站自動停車等功能，有利于減輕高鐵司機勞動強度。

（3）在新基建背景下，我國鐵路GSM-R 標準有望加速向基于5G的下一代鐵路移動通信（5G-R）轉換。國務院印發的《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》中明確要“實施新一代鐵路移動通信專網工程”。2020年，國鐵集團決策發展鐵路5G技術，推進鐵路5G-R專網建設，發布了《鐵路5G技術應用科技攻關三年行動計劃》，提出到2023年完成鐵路5G-R專網關鍵技術攻關和主要專用設備研制，完成5G-R專網主要技術標準制定，為高鐵基于北斗導航、移動閉塞和自動駕駛技術的一體化應用提供技術支撐。

3.1.2 高鐵正線與動車段（所）的ATO系統一體化發展探討

動車段（所）是保障高鐵正常運營的后勤基地，若將動車段（所）作為高鐵線路正線自動駕駛的延伸，實現動車組自動休眠、自動喚醒、自動出入段、自動清洗等功能，則可有效縮短動車段（所）內調車作業時間、提升作業效率。動車組庫內轉線作業結合部多、效率低、耗費人力，是動車段（所）作業組織的一個短板。若實現動車段（所）庫內動車的自動轉線作業，則可有效減少庫內停時、優化生產力布局、提高勞動效率。因此，很有必要開展高鐵正線與動車段（所）的ATO一體化發展的相關研究。

3.2 智能高鐵信號系統與相關專業系統一體化發展探討

3.2.1 智能CTC系統、智能綜合調度系統及智能供電調度系統一體化發展探討

體系架構中明確了智能運營板塊運輸組織領域的智能行車調度方向中的智能CTC系統（信號專業），智能綜合調度系統即運輸調度管理系統（TDMS，Transportation Dispatching Management System）（信息專業）和智能裝備板塊牽引供電領域智能牽引供電方向的智能供電調度系統（電氣化專業）是我國鐵路運輸調度領域3個重要信息系統，均由國鐵集團、鐵路局集團公司和車站（或所亭）3層架構構成。3個系統設備由不同的服務商提供，軟硬件資源相對獨立，均為獨立專網運行。目前，采用鐵路運輸管理信息系統（TMIS，Transportation Management Information System）與鐵路運輸調度指揮管理信息系統（DMIS，Dispatching Management Information System）相結合（即T/D結合）的方式，實現CTC系統與TDMS間的資源共享；智能CTC系統還構建了系統間資源共享的行車信息大數據綜合平臺。

綜合調度系統擔負著運輸組織、保障重點運輸、提高客運服務質量、確保運輸安全的重要責任，對鐵路運輸企業完成鐵路運輸生產經營任務、提高運輸效益起著重要作用。鑒于綜合調度系統在高鐵運輸領域主要用于運輸、計劃等信息的處理和控制，結合高鐵已嘗試的工電供一體化綜合運維的管理模式，建議先進行智能CTC系統和智能供電調度系統的一體化，在行車調度和供電調度一體化系統成熟運用的基礎上，再規劃實施行車調度、供電調度和綜合調度的一體化，分步實現方式可有效提升方案的可實施性，有利于確保運輸安全。

智能運營板塊中智能客運系統的客站旅客服務與生產管控平臺創新應用實現了鐵路旅客服務系統集成管理平臺、客運管理信息系統、鐵路客運設備管理應用和客運站應急指揮應用等的一體化部署。借鑒上述一體化方式，智能CTC系統、智能供電調度系統、智能綜合調度系統實現一體化融合發展在技術上是可行，可有效打破運輸組織領域的信息孤島，實現計劃協同編制，保障運輸計劃編制的同步性、準確性，全面提升運輸組織整體管理水平，減員增效，節省投資成本，實現在國鐵集團、鐵路局集團公司和車站（或所亭）3個層級的一體化。

3.2.2 CTCS+ATO系統與站臺門控制系統一體化發展探討

目前，一些高鐵、城際車站由機械專業設置了站臺門[6]，多采用人工控制方式。京張高鐵、崇禮鐵路及珠三角城際鐵路的莞惠、佛肇、廣清站通過ATO系統實現了對車門和站臺門的聯動控制。保障列車安全運行的CTCS+ATO系統[7-8]的SIL比站臺門控制系統等級高，通過提升站臺門控制系統的SIL，實現CTCS+ATO系統與站臺門控制系統的一體化，最大程度地保障乘客上下車安全和列車運行安全。

3.2.3 信號、通信、信息智能電源屏系統一體化發展探討

按照資源共享、集約高效的原則，國鐵集團發布的《鐵路房屋建筑設計標準補充規定》中對高鐵通信、信號、信息專業的房屋設計進行了規定，要求通信、信號設備房屋應合并設置為綜合機房，設備按功能分區設置，當信息設備房屋與通信、信號在同一建筑物內時，應合并設置為綜合機房。同時，結合逐步推廣的工電供一體化運維管理模式的新要求，有必要進行通信、信號及信息專業電源系統的一體化發展研究。通信、信號電源系統均采用模塊化結構，信號智能電源屏系統供電回路模塊種類較多，而通信系統僅設置48 V直流電源，通信、信號、信息專業均有不間斷電源（UPS，Uninterruptible Power Supply）設備需求。通過設計綜合一體化智能電源屏系統，同時滿足3個專業的設備供電需求，在技術上是可行的，需要對維護管理制度稍加修改，在綜合機房內統籌設置一套電源屏系統（含UPS），符合新形勢下鐵路生產力的發展需求。

3.3 智能高鐵信號系統與云計算、大數據一體化發展探討

體系架構是從頂層設計出發制定的，尚需制定一系列相關標準、規范來指導智能高鐵的建設和運維。體系架構采用分類分層設計原則，對板塊、領域、方向、創新4個層面的應用進行了梳理歸納，但缺少對支持平臺的技術及應用的梳理歸納，建議對智能建造、智能裝備、智能運營3個板塊的各項創新進行適合云計算、大數據應用的研究梳理。

研究云計算技術基礎設施即服務（IaaS，Infrastructure as a Service）、平臺即服務（PaaS，Platform as a Service）、軟件即服務（SaaS，Software as a Service）模式在智能高鐵領域的創新應用及發展規劃，可實現高鐵信息化建設理念從以“應用”為中心向以“數據”為中心的轉變。

對大數據平臺技術的研究，應以最大程度降低大數據平臺對安全生產和運營管理的影響為原則，建議初期可采用大數據應用不改變生產系統的調度、控制模式的策略，主要側重于數據的獲取、存儲、治理及價值挖掘，而生產運營系統間的控制指令、生產系統與管理系統間的業務聯動，均不通過大數據平臺進行，系統間可直接互聯，進行信息交互。

建議近、遠期穩妥推進云計算、大數據的創新應用，做好生產系統與維護系統的信息平臺整合及數據共享，實施信號系統全生命周期的信息維護，為實現高水平地管理、運維打好基礎，并進行云計算、大數據應用初、近、遠期的統籌規劃，盡快組織編制智能高鐵云計算、大數據平臺等新一代信息技術標準。

4 結束語

本文結合《智能高速鐵路技術體系架構1.0》中信號系統相關內容，對我國智能高鐵主要信號系統與相關專業系統的一體化發展進行了探討；結合云計算、大數據技術的發展[9]，為規范智能高鐵的建設和運維，僅有體系架構頂層設計這一標準是不夠的，亟需制定云計算、大數據等新一代信息技術的相關標準，以期為智能高鐵信號系統一體化方案更好地應用新一代信息技術提供支撐。