高速铁路信号系统的设计与实施

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高速铁路与城市轨道交通信号系统的比较

作者：高晓成

来源：《科技风》2020年第16期

摘 要：介绍了我国高速铁路与城市轨道交通信号系统的发展与现状，从基本设备、停车点防护、速度监测与控制、信号系统构成与布局、车门控制等方面，对高速铁路与城市轨道交通信号系统的异同点进行了对比分析。

关键词：高速铁路;城市轨道交通;信号系统;对比分析

1 我国高速铁路与城市轨道交通信号系统的发展与现状

1.1 我国高速铁路信号系统的发展与现状

高速铁路在不同时期、不同国家有不同定义。目前，从广义上来讲，我国把列车行驶速度最高能达到200km/h以上的铁路系统称为高速铁路。高速铁路的安全运营离不开信号系统的支持。我国通过学习借鉴欧洲列车控制系统ETCS技术标准，结合自身铁路运输实际特点，研发制定出符合我国国情的中国列车运行控制系统CTCS。CTCS系统分为CTCS-0、1、2、3、4级，共5个等级[1]，其中CTCS-0级和CTCS-1级适用于普通铁路，既有线提速和新建列车运行时速达250km/h的铁路采用CTCS-2级系统，列车运行时速达300km/h及以上的铁路采用CTCS-3级系统，CTCS-4级系统是基于无线通信可实现虚拟闭塞和移动闭塞的列车运行控制系统，是高速铁路未来的发展方向。

1.2 城市轨道交通信号系统的发展与现状

城市轨道交通信号系统主要分为列车自动控制系统ATC和车辆段信号控制系统两部分[2]。ATC系统又由三个子系统组成，分别为列车自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP和列车自动运行系统ATO。其中ATS系统主要实现列车行车间隔控制、运行图管理和运行信息处理功能。ATP系统主要实现列车超速防护、联锁和闭塞功能。ATO系统实现列车自动运行功能，包括列车定位停车、自动折返和速度调整等。车辆段信号控制系统主要是通过设立一套独立联锁设备，利用ATS车辆段分机与运行控制中心进行信息交换，来控制车辆段内道岔和信号机，实现车辆段内列车进路控制。目前，基于无线通信的列车控制系统CBTC，已逐渐开始应用于城市轨道交通信号系统中。

高速铁路与城市轨道交通信号系统的比较

摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。铁路和城市轨道交通是现代社会不可避免的重要话题，是很多国家重点建设的基础设施。铁路和城市轨道交通有着许多相似之处，将这两者联合在一起对比研究，能够得到更好的效果。信号控制系统对铁路和城市轨道运行都是至关重要的，能够确保交通运输秩序的正常运行。本文就高速铁路与城市轨道交通信号系统的比较展开探讨。

关键词：高速铁路；城市轨道交通；信号系统；对比

引言

铁路与城市轨道交通是比较常见的出行工具，为社会群体交通出行带来了极大的便利，并且具有较强的快捷性和舒适性。通过对比可以发现，铁路与城市轨道交通信号控制系统之间存在一定的相同点和不同点，信号控制系统的运行与发展，直接关系着铁路与城市轨道交通的安全性，在此种情况下，对铁路与城市轨道交通信号控制系统进行比较和展望进行探究具有一定现实意义。

1铁路与城市轨道交通信号控制系统概述

1.1铁路信号控制系统的发展和现状

铁路是在近代由外国传入我国的，在生产运输领域发挥了不可替代的作用，因此获得了较快的发展。中华人民共和国成立之后，我国政府十分重视铁路建设。开始在全国范围内大兴铁路建设，试图通过铁路运输将中国各地的民众紧密联系在一起，促进经济的发展。这些铁路基础设施建设奠定了现代铁路发展的基础，在一定程度上促进了我国现在高铁的发展。在铁路刚传入我国时，我国的经济、文化、科技水平比较落后，信号控制系统基本是直接沿用国外的模式，由国外铁路承建商进行统一建设。为了适应不一样的地理气候条件，我国采用了来自许多不同国家的铁路建设方案，这样虽然能够适应全国各地不同特征带来的缺陷，但是也造成了铁路信号控制系统中存在着标准不统一的情况，甚至体现为信号显示都存在着较大的差异，并且设备极其简陋。中华人民共和国成立后，我国铁路基础设施建设主要走的是独立自主的道路。针对存在的技术难题，我国科研人员努力攻克，形成了具有我国特色的铁路信号控制系统标准。由此以来，我国基本上在全国各地铁路新建系统中都开始使用我国的建设标准，相关的施工建设体系已经逐渐完善，施工维修队伍已经掌握了丰富的理论知识和实践经验。

文章编号:1673-0291(2012)05-0090-05中国高速铁路信号系统分析与思考郭󰀁进,张亚东(西南交通大学信息科学与技术学院,四川成都610031)摘󰀁要:介绍中国高速铁路信号系统的发展历程及成果,对比分析了中国高速铁路列车运行控制系统的技术水平及特点.在总结成果的基础上,针对现有信号系统的技术标准与体系结构存在缺陷、基础研究薄弱、安全保障体系不符合高速铁路安全需求等问题进行了思考,并提出了改进建议.关键词:高速铁路;铁路信号;中国列控系统中图分类号:U284󰀁󰀁󰀁文献标志码:AStudyandconsiderationonChinesehighspeedrailwaysignalsystemGUOJin,ZHANGYadong(SchoolofInformationScienceandTechnology,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China)Abstract:ThepaperintroducedtheachievementofChinesehigh-speedrailwaysignalsystem,andthenanalyzedthetechnicalcharacteristicsofChinaTrainControlSystem(CTCS).AftersummarizingthedevelopmentofCTCS,someproblemsofthetechnicalstandardandconfigurationonCTCSweremen-tioned,andthemodificationsuggestionswereputforwardtodecreasetheriskonCTCS.Keywords:high-speedrailway;railwaysignal;ChinaTrainControlSystem󰀁󰀁收稿日期:2011-10-20基金项目:铁道部科技研究开发计划项目资助(2011X025-C,2012X007-D)作者简介:郭进(1960󰀁),男,四川成都人,教授,博士,博士生导师.研究方向为铁路信号.email:jguo-scce@.󰀁󰀁近年来,我国高速铁路建设取得了迅猛发展,截至2011年底,高速铁路营业里程达7531km(不包括台湾地区),在建高速铁路1万多千米,已成为世界高速铁路运营速度最高,运营里程最长、在建规模最大的国家[1].铁路信号系统是为了保证铁路运输安全而诞生和发展的,它的第一使命是保证行车安全,没有铁路信号,就没有铁路运输的安全[2].随着列车运行速度的提高,完全靠人工望、人工驾驶列车已经不能保证行车安全了,当列车提速到200km/h时,紧急制动距离将达到2km(常用制动距离超过3km),因此,国际上普遍认为当列车速度大于时速160km时,必须装备列车运行控制系统(简称列控系统),以实现对列车间隔和速度的自动控制,提高运输效率,保证行车安全.要实现列车自动控制,需要解决许多关键技术问题,例如:车-地之间大容量、实时和可靠信息传输,列车定位,列车精确、安全控制等,需要车载设备、轨旁设备、车站控制、调度指挥、通信传输等系统良好的配合才能实现,以现代列车运行控制技术为核心的信号系统可以称为现代铁路信号系统.高速铁路装备了列控系统后,提高了列车运行速度和行车密度,同时对中国铁路信号技术还具有积极的促进作用,但由于发展速度太快,设备、标准、管理与养护都免不了存在一些缺陷和不足.本文作者简要阐述了中国列车运行控制系统为我国铁路发展所产生的促进作用,也对现有系统存在的若干问题进行了分析,在分析的基础上,针对今后中国列车运行控制系统的建设提出了改进建议.第36卷第5期2012年10月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁北󰀁京󰀁交󰀁通󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报JOURNALOFBEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.36No.5Oct.20121󰀁中国列车运行控制系统(CTCS)2003年,铁道部参照欧洲列车运行控制系统(ETCS)相关技术[3],根据中国高速铁路建设需求制定了󰀁中国列车运行控制系统(CTCS)技术规范总则(暂行)󰀁[4],以分级的形式满足不同线路运输需求.如图1所示,CTCS系统由车载子系统和地面子系统组成.地面子系统包括:应答器、轨道电路、无线通信网络(GSM-R)、列控中心(TCC)/无线闭塞中心(RBC).车载子系统包括:CTCS车载设备、无线系统车载模块等.CTCS依次分CTCS-0~CTCS-4共5个等级,图1󰀁CTCS列控系统构成图Fig.1󰀁StructureofCTCS以满足不同线路速度需求.CTCS0级为既有线的现状;CTCS1级为面向160km/h以下的区段;CTCS2级为面向干线提速区段和200~250km/h高速铁路;CTCS3级为面向300~350km/h及以上客运专线和高速铁路;CTCS4级为面向未来的列控系统.1󰀁1󰀁CTCS-2级列控系统CTCS-2级列控系统[5]是基于轨道电路和点式应答器传输列车运行许可信息,并采用目标-距离模式监控列车安全运行的控制系统.地面一般设置通过信号机,是一种点-连式列车运行控制系统.在CTCS-2级列控系统中,用轨道电路实现列车占用及完整性检查,并连续向车载设备传送空闲闭塞分区数量等信息.用应答器向车载设备传输定位、线路参数、进路参数、临时限速等信息.列控中心具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、区间信号机点灯控制、站间安全信息传输等功能.同时,列控中心根据轨道电路、进路状态及临时限速等信息,产生行车许可,并通过轨道电路及有源应答器将行车许可传递给列控车载设备.列控车载设备根据地面设备提供的信号动态信息、线路参数、临时限速等信息,结合动车组参数,按照目标-距离模式生成控制速度,监控列车安全运行.CTCS-2列控系统设备组成见图2所示.1󰀁2󰀁CTCS-3级列控系统CTCS-3级的列控系统[6]是基于无线通信网GSM-R传输列控信息并采用轨道电路检查列车占用的连续式控制系统.CTCS-3级列控系统采取目标距离控制模式和准移动闭塞方式,地面可不设通过信号机,司机凭车载信号行车,同时具有CTCS-2级功能.其运行示意图如图3所示.CTCS-3级列控系统地面设备包括:无线闭塞中心、列控中心、轨道电路、点式应答器、GSM-R通信接口设备等.车载设备包括:车载安全计算机、GSM-R无线通信单元、轨道电路信息接收单元、应答器信息接收模块、列车接口单元等.在CTCS-3级列控系统中,无线闭塞中心根据91第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁郭󰀁进等:中国高速铁路信号系统分析与思考轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可,并通过GSM-R无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给CTCS-3级车载设备.同时,通过GSM-R无线通信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息.列控中心接收轨道电路的信息,并通过联锁系统传送给无线闭塞中心.同时,列控中心具有轨道电路编码等CTCS-2级系统列控中心功能,满足作为CTCS-3级后备系统需要.应答器向车载设备传输定位、等级转换、线路参数和临时限速等信息,满足后备系统需要.车载安全计算机根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息,结合动车组参数,按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线,监控列车安全运行.图2󰀁CTCS-2级列控系统结构图Fig.2󰀁StructureofCTCS-2图3󰀁CTCS-3级运行示意图Fig.3󰀁OperationofCTCS-32󰀁应用情况及成效高速铁路装备了CTCS-2级和CTCS-3级列控系统后,提高了列车运行速度,也大幅度提高了行车密度,CTCS-3级列控系统可实现最小追踪间隔3min,使旅客运输能力得到极大提高.高速铁路缩短了区域和城市间的时空距离,改变了人们的出行方式,对经济与社会发展产生巨大影响,同时具有显著的节能环保效果.目前,我国高速铁路日均发送旅客超过100万人次,京津、武广及沪宁高速铁路最高发送旅客分别达到12󰀁6万人次/日、12󰀁7万人次/日和29万人次/日,显著提高了客运能力.高速铁路的开通运营,为实现客货分线运输创造了条件,释放了既有线的货运能力.因此,高速铁路建设无论对提高人民生活水平及加强国民经济建设都具有重要意义.同时,CTCS-2级和CTCS-3级列控系统的发展使我国铁路信号向以列车运行控制技术为核心的现代铁路信号技术前进了一大步,具有以下积极作用.1)实现了由对地面固定信号显示的控制到面向列车移动体直接控制的转变.2)实现了由对信号显示控制而不能直接控制列车的开环控制到列车按照要求执行信号指令闭环控92北󰀁京󰀁交󰀁通󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第36卷制的转变.3)实现了由传统信号的车站分散控制到调度集中统一指挥控制的转变.因此,我国列控技术的发展方向是正确的,成绩令人瞩目,目前我国铁路信号技术水平已经达到或接近世界先进水平.3󰀁列控系统存在的问题尽管CTCS-2级和CTCS-3级列控系统的发展使我国铁路信号技术取得了长足进步,但由于从制定技术标准到大规模投入运行发展速度太快,设备、标准、安装工程、管理与养护都免不了存在一些缺陷和不足,需要认真总结、及时调整,避免酿成重大行车事故.3󰀁1󰀁技术标准与体系结构由于发展速度过快,许多重要子系统,采用边学习、边研究、边开发、边修改、边形成产品的方法,没有足够时间提前研究、编写技术规范和技术标准.如:无线闭塞中心、车载列控设备、临时限速服务器等重要子系统至今也未发布相关技术规范,因此,各个厂家的设备容易产生差别,也难以避免考虑不周、安全隐患等诸多问题.另外,已有的系统依据的许多技术标准是从既有线技术标准延续而来,对高速铁路的特点考虑不够,存在如下问题:1)尽管轨道电路用列控中心编码替代了继电器编码,但无论是CTCS-2级或CTCS-3级系统,对区间轨道状态只是沿用了自动闭塞的单区间轨道电路检查方法,没有将前后分区轨道区段联系起来,实现严格的占用出清顺序检查逻辑(三点检查),无法对区间轨道区段正常占用、故障占用,特别是分路不良进行应有的严格判断及防护,当轨道电路出现分路不良时,特别是对重量比较轻的动车组,可能造成列车追尾的事故.应当尽快修改技术条件,严格联锁逻辑,当轨道电路出现未按占用出清顺序的情况时,通过停车码序,点亮防护信号红灯及缩短RBC行车许可的方法对故障区段进行有效防护,并及时向调度员发出报警指示.2)现有列控系统是在既有线许多原有设备基础上建立的,体系结构受到原有信号系统影响,如:在原有联锁系统基础上独立设置了列控中心,尽管两个系统可以交换信息,但联锁逻辑不同,进站接口处存在补丁现象,车站区间一体化问题没有得到完善解决,两个系统执行的安全标准也有差异,如:LKD-T1型列控中心的没有实现2路独立输入采集安全比较等.3)整个系统缺乏高标准的一体化设计,各个子系统时钟不统一,不便于事故及故障分析;联锁系统与调度集中显示及操作也不统一.缺乏部分必须的冗余功能,如:一旦车站列控中心或车站CTC分机出现故障,无论是调度所还是车站都无法掌握区间设备状态及列车在区间的运行情况.缺乏信息系统必要的安全防护措施,可能受到病毒及黑客的攻击.3󰀁2󰀁基础平台及基础研究由于列控系统属于安全关键系统[7-8],许多列控设备需要以安全计算机作为基础平台,但目前我国几乎没有达到西方发达国家水平的安全计算机平台可供使用,主要采用国外厂商提供的硬件平台.另外,我国没有能够达到SIL4级或SIL3级的实时操作系统,仅通过应用层软件是不能完全保证系统安全的.同时,我国也没有可供认证的安全软件开发工具及相应的检测方法,仅通过功能测试无法避免软件故障所带来的安全风险.安全通信及安全接口技术也有待提高.3󰀁3󰀁安全管理体系针对高速铁路项目及列控新产品的上道使用,沿用传统的审查、鉴定、验收和评估方法,主要致力于功能检查与审查,没有建立基于风险的安全管理方法及体制.很难进行充分的危害识别与风险分析,没有研发、设计、生产、调试和运营过程中的隐患登记与管理制度,缺乏对风险的管控及应对措施[9-10].无法提供可信的证据与数据,证明系统及项目达到相应的安全需求,所采用的功能审查及各种检查活动,无法系统、主动的保证列控系统的安全防护达到要求.3󰀁4󰀁现场施工、安装和调试现场施工、安装和调试存在严重的抢时间、赶工期现象,缺乏精细的管理态度及管理方法,部分隐蔽工程达不到预定技术标准,如:室外电缆入室后屏蔽层接地不规范问题,影响防雷效果.部分地段还存在电力电缆与信号、通信电缆同沟现象,部分接触网杆塔地线接向综合贯通地线的连接线与信号电缆同沟等,为设备安全运营留下隐患.许多设备在线路开通、使用过程中,仍然进行软件修改与调试,缺乏严格的测试制度与测试工具,特别是软件修改及版本管理控制不够严格.3󰀁5󰀁培训与应急处置现场人员素质达不到要求,现场操作人员与维修人员存在较为普遍的培训不到位现象,容易产生使用人员在紧急情况下处置不当,维修人员在设备故障后不能准确判断问题、及时处理故障的情况.同93第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁郭󰀁进等:中国高速铁路信号系统分析与思考

高速铁路通信工程细部设计和工艺质量标准

【主题】高速铁路通信工程细部设计和工艺质量标准

【导言】

高速铁路是现代城市交通的重要组成部分，它不仅提供了高效便捷的出行方式，还为人们的生活与经济发展带来了巨大推动力。然而，要保证高速铁路的安全和可靠运行，一个重要的因素就是通信系统。本文将对高速铁路通信工程的细部设计和工艺质量标准展开探讨，并提供个人观点和理解。

【正文】

1. 高速铁路通信工程概述

高速铁路通信工程是指在高速铁路建设中使用的一套通信系统，其作用是实现高速列车与驾驶员之间的有效信息传递，为高速铁路的安全和正常运行提供支持。通信系统由多个子系统组成，包括列车通信系统、信号系统和通信网络。

2. 高速铁路通信工程细部设计内容

（1）列车通信系统设计：包括列车内部通信系统和列车与地面的通信系统。列车内部通信系统应覆盖整个列车，以确保驾驶员与列车乘务员之间的有效沟通。列车与地面的通信系统则主要用于列车与铁路运营控制中心之间的信息交互。

（2）信号系统设计：高速列车通过信号系统获取路况信息，并根据信号系统的指示进行行驶。信号系统设计应考虑恶劣天气条件下的可靠性和稳定性，以保证高速列车的安全行驶。

（3）通信网络设计：高速铁路通信网络应保证全线覆盖，能够实现高速列车间的信息交换。通信网络设计应考虑不同部分之间的互联和冗余，以提高通信系统的可靠性和鲁棒性。

3. 高速铁路通信工程工艺质量标准

（1）设计标准：高速铁路通信工程的设计应符合相关国家和行业标准，包括通信设备选用、布线方式、设备安装和调试等。

（2）技术要求：通信设备应具备高度可靠性和稳定性，能够适应高速列车的速度和振动环境。通信设备应满足高速列车的数据传输需求，保证信息准确传递。

（3）施工标准：通信工程施工应按照相关标准进行，包括设备安装、线缆布线和接口连接等。施工过程中应注意防止线缆受到损伤，保证通信系统的可靠运行。

【个人观点和理解】