新一代 | 铁路信号系统
近年来信号领域内的国际性展会对信号系统发展趋势释放了大量信息，专家学者在以下新技术应用方面形成了广泛共识。建立在卫星导航技术和增强的无线通信技术基础上的移动闭塞应用；运用ATO系统，降低能耗，提高准点率；构建分布式低成本的智能化轨旁设备。由此可以看出，以保证运行安全为核心的基础信号系统的下一步发展，除安全需求这个永恒主题外，主要是通过新技术的应用，进一步达到以下几点：提高线路能力；降低建设成本和运营成本；同时，为实现跨线互联互通，需兼顾与既有系统的兼容。本文将结合当前系统和下一步发展目标，对新的信号系统的架构和对运输及成本的影响进行分析。对于卫星导航等技术此处不作讨论。CTCS-2/3是以地面控制为主的固定闭塞系统，列车占用检查由轨道电路实现，地面控制系统根据联锁进路和列车位置生成列车移动授权，并通过轨道电路/无线通信发送给列车，由车载进行列车运行安全防护控制。主要设备组成、功能，及信息流如图1所示。
基于与既有线路互联互通的考虑，信号系统的下一步发展首先应是基于地面控制为主的原则，应用新技术优化系统结构和性能。移动闭塞是下一步信号系统发展的核心要素，实现移动闭塞首先是解决列车实时定位和完整性检查，以取代当前的轨旁列车占用检查设备。应用卫星定位技术的车载定位解决方案已经为行业普遍认同。新的信号系统的最主要特征是在既有系统基础上，采用车载定位、应用ATO系统等。其功能和信息流如图2所示。
由于车载定位方式的改变，列车位置和完整性报告由车载到RBC，并由RBC处理以确定逻辑区段状态变化，联锁进路解锁依据RBC提供的逻辑区段状态信息实现。从该变化可以看到，在新系统中，车地配合更加紧密，下列技术将是系统研究的关键：车地信息传输安全性；列车定位精度；列车定位信息更新的实时性。增加列车密度，缩短列车追踪间隔是线路能力提高的直接反映。列车追踪间隔受多种因素影响，其中包括与信号系统直接相关的闭塞方式、以及控制系统反应时间等。移动闭塞是列车追踪的理想方式。下面从区间追踪和车站到达分别查看移动闭塞对线路能力的影响。固定闭塞与移动闭塞的区间追踪间隔对比如图3所示，其中L是固定闭塞和移动闭塞系统的列车追踪间隔距离的差值。极端情况下，这个差值最大可接近一个闭塞分区的长度。如果闭塞分区长度为2 000 m，当列车运行速度为300 km/h时，不考虑其他因素，理想状态列车区间追踪可缩短约24 s，当列车运行速度为200 km/h时，可缩短约36 s。从分析可以得出：移动闭塞对列车区间追踪间隔有积极的影响，既有闭塞分区越长，列车速度越低，采用移动闭塞后，其区间追踪间隔时分缩短越多。根据牵引计算定义，列车到达追踪间隔时间与列车到达作业时间直接相关，即：前行列车出清道岔区段后，系统为追踪列车办理接车进路，到追踪列车收到延伸的移动授权的时间，如图4所示。目标点的变化，即：列车出清道岔逻辑区段前，追踪列车移动授权可能向前延伸距离L，距离L为进站信号机与其内方道岔间的距离，如果该距离按50 m计算，对于200 km/h以上速度的列车，该距离走行时间不足1 s。前行列车出清道岔逻辑区段时机的变化，固定闭塞下道岔区越长，采用移动闭塞后该时间变化相对缩短越多。在实际线路中，客专小站咽喉区总长度一般在200多米，且进出站普遍为18号道岔，因此移动闭塞理想状态下，该道岔逻辑区段出清时间可提前约5 s。上述数据仅是理想状态，实际应用中还需要考虑列车定位误差、列车位置更新周期、车站线路布置，移动闭塞逻辑区段设计长度等因素。实际对列车到达间隔的影响很小。系统反应时间是系统安全分析的重要内容，也是影响追踪间隔的一个重要因素。系统环节越多，通信环节就越多，信息传输时间的不确定因素越多，反应时间越长。如图5所示，以列车区间追踪运行为例，分别给出既有系统和新的车载定位系统下，计算列车追踪间隔所需考虑的系统反应时间环节。
采用车载卫星定位方式后，对于区间追踪的情况影响如下。列车占用/出清检查延时：由卫星定位系统替代轨道电路后，系统可以获得列车在线路上的确定位置，位置数据的更新主要由车载和RBC的同步周期决定，该周期延时将对列车追踪时间产生影响。系统各环节设备处理及各环节设备间通信延时：系统信息处理环节减少，轨旁通信延时大大缩短，但同时对无线通信的可靠性要求大大提高。人工驾驶司机确认时间：采用ATO自动驾驶，消除了人工确认时间，对列车间隔起到积极的影响。如图6所示，以列车到达间隔为例，分别给出既有系统和新的车载定位系统下，计算列车追踪间隔所需考虑的系统反应时间环节。
如图6所示，既有系统和车载定位系统之间的差异主要在蓝色框架内的定位环节，轨旁系统处理环节则不能减少。对于定位环节，考虑到站内非编码轨道电路占用/出清延时大大缩短，而卫星定位受车载与轨旁定位发送周期影响，因此从反应时间，并结合站内轨道区段短的特点，移动闭塞在站内缺乏优势。从移动闭塞制式和系统反应时间两方面对线路能力的影响分析可以看到，移动闭塞对缩短列车区间追踪间隔有积极影响，但对站内到达追踪间隔没有优势。因此建议：在繁忙线路应用时，结合站内作业复杂，站内宜保持既有列车占用检查方式。在大铁项目信号系统建设中，建安工程投资比例基本在50%左右，随着人工成本的不断上升，未来这个比例可能更高。而建安工程中电缆及其敷设、继电器及其安装占据主要工程量。信号机、转辙机、轨道电路，是既有信号系统中的主要轨旁设备，其控制需要使用大量的电缆，尤其是区间应用。在仅有装备ATP车载设备动车组运行的线路上，区间信号机已经被标志牌取代，但轨道电路作为列车占用检查设备、以及地对车信息传输通道，在当前的信号系统中仍是不可取代的基础设备。系统投入运营后，运行能耗和轨旁设备维护是运营维护的主要成本因素。从成本分析可以得出，减少轨旁设备是降低建设成本，减少运营维护成本的最有效措施。而移动闭塞采用卫星定位技术取代轨旁列车占用检查设备，在区间，系统的处理环节大大减少，这些方案都吻合了降低成本的需求。轨旁系统的设备结构优化是信号系统降低成本、控制能耗的措施之一。欧洲提出的分布式低成本的智能化轨旁设备是未来发展的目标，但具体实施还需要结合我国铁路运营的调度中心、车站两级控制方式的需求逐步推进。当前，对于既有轨旁系统的设备结构优化更重要的是打破子系统边界，减少功能交叉、使信息传输路径最优，提高系统信息传输的实时性能。借助物联网的发展，未来信号轨旁系统可以通过结构优化实现全系统统一监控。当前信号系统各子系统采用独立监测，以站为单位提供监测显示的方式。这种方式设备多，功能交叉，不利于维护人员及时发现故障。下一步系统的各子系统设备应随主设备配置数据记录器，各设备数据记录器接入物联网，在维修工区统一设置监控装置，对维护数据进行收集和解析。车站操作控制层宜采取结构优化，减少CTC和联锁的操作功能交叉环节，其主要作用是减少控制显示信息传输通道的环节，增强信息传输的实时性。联锁全电子接口技术的成熟，为其在铁路的应用提供了条件。全电子接口可以使控制模块方便的实现轨旁安装，进而进一步减少站内电缆的使用。我国信号系统的下一步发展，主要是在系统稳定的前提下，采用新的定位技术，实现建设成本和运营维护成本的双降，提高边远铁路线路能力、维持既有繁忙线路的线路能力，同时逐步推进物联网技术在轨旁系统中的应用，优化轨旁设备结构，提高系统性能。由于车载定位方式的变化，新系统的研发要特别关注信息传输安全性的研究，以及传输时延的系统分析。
