我國城市軌道交通信號技術自主化發展策略探討

郜洪民 賓海豐 付連著

(中國鐵道科學研究院，100081，北京∥第一作者，副研究員)

目前，我國城市軌道交通(以下簡為“城軌”)進入發展的高峰時期，部分城市已進入網絡化運營階段，通車里程接近發達國家城市水平?！笆晃濉逼陂g，全國特大城市的地鐵和輕軌通車里程超過了1 500 km。據不完全統計，目前國家批復的25個軌道交通建設規劃城市至2016年將新建軌道交通線路89條，總建設里程達到2 500 km，投資超過9 000億元。我國業已成為當今世界最大的城軌市場，因此，以信號、車輛為代表的核心裝備技術自主化對于支撐行業未來的健康可持續發展尤為關鍵。

1 我國城軌信號自主化發展現狀

信號系統主要由ATS(列車自動監視)、ATP(列車自動保護)、ATO(列車自動運行)、CI(計算機聯鎖)、DCS(數據通信)、信號基礎設備等多個子系統組成，其設備遍布于全線各處和所有列車，是城軌列車安全運行的控制中樞，具有數字化、一體化、網絡化的技術特點。

我國城軌的蓬勃發展，為信號系統提供了廣闊的應用市場。與之相對應，我國城軌信號系統的自主研發工作卻長期嚴重滯后于城軌建設的發展。目前，國內尚無供貨商可以獨立提供整套與國外同類產品具有競爭力的信號系統，在城軌建設中信號系統只能整系統進口或者關鍵子系統進口，國內供貨商僅提供配套設備和部分技術服務。

國外信號技術的引進，一方面暫時滿足了國內城軌行業的發展需要，另一方面也使得我們有機會接觸到國外城軌信號前沿技術和發展趨勢。然而，毫無疑問，國外廠商沒有動力和義務把核心技術轉讓進來?，F實情況是，國內城軌信號系統設備的引進過程，似乎成為了國外信號技術的試驗過程，很多在國外尚未有成熟應用業績的新技術、新系統被引進，為日后運營帶來了不穩定因素。

目前我國城軌信號系統基本以西門子、阿爾斯通、泰雷茲、安薩爾多等國外廠商為主。在建設運營過程中，這種現狀暴露出以下弊端:

(1)建設階段，信號核心技術掌握在外商手里，用戶處于弱勢地位，只能被動接受進口信號系統高昂的造價和較長的調試工期。

(2)運營階段，采用進口設備對系統維護和服務造成了巨大困難，甚至一些輕微的系統故障都難以得到及時處理;此外，備品備件長期依賴于國外供應商也導致了維護成本增加。

(3)更新擴容階段，對于系統的更新改造或延長線建設，受既有信號制式的制約，難以實現多個廠家競爭，無法有效管控工程造價;對于建設有多條地鐵(輕軌)線路的城市，多種信號制式間難以實現資源共享、互聯互通，造成了資源浪費。

由此可見，必須盡快擺脫長期依賴國外設備的局面，探索一條符合我國國情的城軌信號系統自主化發展道路。

2 自主化發展路線圖

我國城軌建設項目急切需要安全、先進、經濟、適用的國產信號系統，包括政府主管部門、建設運營單位以及科研院校在內的我國軌道交通信號業界為此也做出了諸多努力和嘗試?；仡櫸覈擒壭盘栂到y自主化發展進程，大致可劃分為以下三個階段。

2.1 國內企業牽頭，整套引進國外信號系統

為提高信號系統自主化水平，滿足國內城軌項目建設的需要，國家政策規定:城軌信號系統必須以國內企業總包或中外聯合體的形式承擔項目。2006年以來，已建和再建的城軌項目大多采用這種形式。此種方式的優點是:暫時規避國內尚不能提供整套城軌信號系統技術解決方案的短處，滿足了工程建設現實需要，鍛煉培養了一批眼界開闊的工程技術人員。不足之處是:核心技術由外方掌控，信號系統真正的自主化程度很低;國內企業為總包或聯合體牽頭方承擔項目，投入人力大，承擔了大量事務性、重復性、協調性工作，客觀上也造成工程和自主研發工作的脫節，牽制了自主研發工作的進程，無法從根本上改善我國城軌信號系統技術發展緩慢的現狀。

2.2 采用國產ATS、CI子系統配套集成

近幾年，根據國內信號技術的實際水平，為進一步促進信號技術自主化發展，國家通過在城軌信號系統招標中給予加分等扶持政策，鼓勵掌握ATS和CI系統技術的國內企業實行項目總承包，進一步提高信號系統自主化率，降低工程造價和運營維護成本。據不完全統計，采用國產ATS系統和CI系統的線路見表1。

表1 采用國產ATS系統和CI系統的線路統計表

采取這種拆分方式的優點顯而易見:打破了國外廠商的技術壁壘，最大限度地應用了國產成熟的信號技術，使分階段、分系統實施信號技術自主化發展成為可能。不足之處在于:由于無法全面掌握信號系統技術，國內企業處于弱勢被動地位;采用國內外設備結合的方式拼湊而成的信號系統，其技術平臺難以統一，接口設計繁雜。這種層次的自主化僅僅是適應現階段發展需求的過渡方案，也是促進信號系統全面自主化的一個必然要經歷的中間階段。

2.3 國內企業提供完整的信號系統

多年的建設實踐已經證明，國內企業通過項目合作引進獲得國外廠家的核心技術是不現實的，只有國內企業提供完整的信號系統設備和所有技術服務，特別是最為關鍵的系統設計和ATP、ATO等關鍵技術，才能打破壟斷，實現信號系統真正的自主化。

在國家裝備自主化政策指引下，通過不懈努力，我國信號技術完全自主化工作已取得階段性進展，進入從點到面集合突破的關鍵時期。北京交通大學已研發出 CBTC關鍵的 ATP、ATO子系統，并獲得在實際工程中應用的機會;中國鐵道科學研究院與廣州地下鐵道總公司聯合研發的整套CBTC系統已于2010年完成現場測試，即將開始依托工程應用。

3 自主化發展的要素分析

3.1 提供完整信號系統方案是平等參與市場競爭的立足點

實現真正意義的自主化，就必須培育和發展若干家能提供完整城軌信號系統解決方案的國內企業，參與市場競爭。

信號項目的實施貫穿于系統設計、設備生產、軟件編制、接口協調、安裝調試、使用操作、維修維護、更新擴能改造等系統的全生命周期過程中，客觀上要求供方主體提供產品和服務全程覆蓋。國外信號廠商都能夠提供完整的信號系統技術解決方案，除了實現利潤最大化外，還能夠保障系統的完整性和安全性。因此，只有國內信號廠商也能夠提供完整的信號系統，才能和國外廠商平等參與項目競爭，具有話語權，否則信號系統自主化就只能依附于他人，難以聚集合力實現突破。

提供完整方案的優勢還在于:

(1)可精簡各子系統間的接口。隨著信號技術向一體化、數字化、網絡化方向發展，各子系統和設備間的接口復雜，難以拆分，如果無法實現一家單位或固定組合提供完整的信號系統，則在系統設計和不同項目執行過程中勢必存在大量重復性的開發工作，也很難實現接口設計的標準化和規范化，甚至有可能影響系統RAMS(可靠性、可用性、可維護性、安全性)指標。

(2)采用同一技術平臺，技術優勢明顯。從國外成熟經驗看，城軌信號系統包括多個子系統，如果能由一家單位提供，就可以有條件實現多項設備，如軌旁CI和ZC(區域控制器)子系統，車載ATP與ATO子系統等，采用統一技術平臺，從而有效縮短開發周期、減少開發成本、提高系統安全性和可靠性，并減少未來用戶備品備件的數量和種類，降低系統的運營維護成本。

3.2 借鑒先進經驗，建立城軌信號技術標準和產品

制約我國城軌信號技術發展的因素之一，就是信號系統技術標準及準入程序陳舊，尚未建立與國際接軌的產品和工程獨立認證體系。技術標準是統領行業發展的基石，標準制定更是被看成行業競爭的戰略性行為。CENELEC(歐洲電工標準委員會)制定了一系列EN(歐盟標準)，其中與信號相關的標準譜系見圖1。它們中的多數已經被IEC(國際電工技術委員會)采納，上升為引領和評測世界城軌信號技術發展的國際標準。我國作為IEC/TC9專業委員會(IEC內專門負責審議和頒布鐵路電氣設備(包括信號設備)的國際標準的機構)的具有投票權的成員國，應重點做好以下幾方面工作:

(1)應積極參與并跟蹤國際標準制定、頒布和變更進程，充分利用GB(國家標準)和TB(鐵路行業標準)體系引入國際標準和規范。

(2)培育建立符合我國國情和國際行規的認證體系，尊重信號系統生命周期的基本規律，全程引入國際通行的獨立第三方安全評估和認證，改變以往信號領域傳統落伍的科研立項—專家評審—技術鑒定—推廣應用的自主化應用模式，克服一味追求速度的浮躁心態，從根源上杜絕人為安全隱患。

(3)在工程實施階段可效仿工程監理模式，改變目前信號工程安全評估由供貨商出資被動主導的現狀，采用由用戶出資主導，設備方和評估方相互制衡的方式，真正實現認證過程的獨立與公正。

圖1 CENELEC鐵路應用主要標準譜系

3.3 CBTC系統主流化趨勢為城軌信號技術自主化提供黃金機遇期

CBTC(基于無線通信的列車控制)系統摒棄了傳統的軌道電路，以無線網絡通信平臺作為車地通信媒介，實現車對地高精度列車位置報告以及地對車LMA(移動授權)安全數據通信。它具有靈活的系統分級控制架構、運營效率高、便于維修、易于延伸和改造升級等眾多技術優勢，日漸成為城軌信號技術的發展方向及城軌信號系統的首選制式。CBTC的技術原理如圖2所示。

圖2 CBTC原理框圖

選擇CBTC做為城軌信號系統自主化突破口，可最大限度地節約資源，實現我國城軌信號技術的跨越式發展。

(1)CBTC系統大量采用了目前先進、成熟的COTS(商務現貨供應)信息技術，而近年來我國在無線通信、網絡通信技術方面的飛躍發展為方案選型提供了多樣選擇。

(2)CBTC技術在國內外建設中已有了成功的工程實例，主流廠商的CBTC系統在國內均有在建項目實施，為自主創新創造了有利條件。

(3)采用CBTC技術，能夠破除軌道電路復雜的數學模型、有限的數據流量、受環境影響的不確定性等不利因素局限。特別是近年來我國在信號理論研究、CTCS(中國列車運行控制系統)體系、基礎性設備研制(如歐標應答器、計軸、安全計算機平臺、計算機聯鎖、列車調度指揮等)等方面成果顯著，構成CBTC系統的設備(見圖3)除ATP和ATO子系統外，其他均可利用既有成熟設備加以適應性開發完成。

圖3 CBTC系統組成

3.4 集成與創新相結合，規避技術風險

雖然我國信號供貨商目前尚不能提供完整的系統，但其許多子系統和關鍵設備已在軌道交通行業得到了廣泛應用，一些產品還通過了獨立第三方安全認證。城軌信號技術的自主創新需要采取系統集成與創新相結合的研發思路，最大化地借鑒和移植既有成熟可靠的信號安全技術和設備，規避技術風險。如德國西門子信號系統的車載VE5系列ATP控制單元以及軌旁ECC(元素控制計算機)聯鎖控制平臺等核心安全設備累計應用年限已超過15年，在其多種制式信號系統中仍在廣泛引用。

信號系統的首要任務是確保列車運行安全，設備研發和生產中的“求新、求快”，都有可能帶來嚴重后果。近年來，國內外發生的軌道交通事故教訓是極其慘痛的。安全、可靠、適用是信號技術自主化發展的基本準則。

3.5 貫徹“官、產、學、研、用”協同推進的創新原則

城軌信號系統自主研發是一項高投入、高風險的工作，貫徹“官、產、學、研、用”協同推進的創新原則，才有可能實現突破。一個可行的方法是:在國家有關部門的協調和指導下，選擇國內2～3家具有規?；\營城軌線路的運營單位，與國內2～3個有實力的信號科研單位簽署“責、權、利”清晰的合作協議，形成2～3家城軌信號系統自主創新科研聯盟，在制定的統一技術標準的框架下，共同推進信號系統自主化工作。通過運營單位和科研單位雙方資源及技術的互補性合作，科研和工程一體化實施，將有力推動城軌信號系統自主化進程。目前北京地鐵與北京交通大學、廣州地鐵與中國鐵道科學研究院的合作，均已取得階段性成果就是很好的例證。

3.6 國家政策扶植為信號技術自主化發展提供有效保證

城軌信號系統事關運營安全，準入門檻很高，在工程招投標工作中通常會對信號系統的開通業績做出明確規定，無形中為信號系統的自主化發展工作設置了障礙。這也是長期以來國產設備難以取得有效突破的瓶頸。近年來，國家制定了包括《首臺(套)重大技術裝備試驗、示范項目管理辦法》、《自主創新產品認定管理辦法》等在內的多項政策措施，鼓勵自主創新，加大扶持力度。客觀上，城軌信號系統自主化發展初期，需要國家在科研立項審批、審查鑒定，以及工程招投標、市場準入條件等方面制定有進入和退出機制的具體扶植政策。信號產業的良性發展壯大，離不開政府管理部門、科研單位、用戶單位等多方的協同努力，共同培育。

4 結語

城軌信號系統自主化發展的最終目標并不是狹隘地把國外廠商拒之門外，而是要營造一個公開、公正、公平的市場環境，形成國產信號系統蓬勃發展與國外企業踴躍參加的良性互動。以融洽的“研發－工程”關系為基礎，以若干自主創新示范工程為引導，以明確的國家技術政策為扶持，在不遠的將來，我國自主化的城軌信號系統一定可以同國外廠商的設備平等地參與市場競爭，為推動我國城軌可持續發展做出貢獻。

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