高速鐵路信號系統發展現狀及發展趨勢分析

摘 要：隨著經濟的快速發展，鐵路作為陸上交通的重要工具在我國的經濟發展中發揮著舉足輕重的作用，尤其是近些年來，隨著我國高速鐵路網絡的逐步建成并完善使得我國各地之間的交通更為方便、聯系更為緊密。高速鐵路信號系統是確保高速鐵路能夠正常運行的重要一環。文章在分析我國高速鐵路運行控制系統技術特點的基礎上對現今高速鐵路信號系統中所采用的技術標準與體系結構中所存在的缺陷、基礎研究中的薄弱環節以及安全保障體系中所存在的一些不足進行了分析闡述，同時對主動安全控制在高速鐵路信號系統中的可行性應用進行了討論。

關鍵詞：高速鐵路信號系統；主動安全控制；列控系統

前言

高速鐵路是我國鐵路發展的又一里程碑，截止到今年，我國高速鐵路的運行及在建里程都遠超其他世界各國成為了世界上運行里程最長、在建規模最大的國家。高速鐵路信號系統是對列車安全運營的重要保證，隨著高速鐵路的運行，傳統的依靠人工來對列車進行駕駛、調度等已經無法滿足列車安全運行的需求，因此，需要在高速列車中采用列控系統來對列車的運行間隔、運行速度進行自動控制以確保列車的安全運行。我國的高速鐵路列控系統經歷了從無到有、從弱到強的發展歷程，但是由于發展過快使得高速鐵路信號系統在設備、標準、管理以及維護等都存在一定的缺陷與不足，需要在總結分析這些缺陷與不足的基礎上對高速鐵路信號系統進行改進與完善確保列車的安全、可靠的運行。

1 我國的高速鐵路信號系統

我國的高速鐵路信號系統是原鐵道部參照歐洲列車運行控制系統的相關技術標準并結合我國的高速鐵路的建設需求發展起來的。整個高速鐵路信號系統由車載和地面兩大子系統組成。其中高速鐵路信號系統中的地面子系統主要有：應答器、軌道電路、無線通信網絡等組成，而車載子系統則主要包括有：高速鐵路列車控制的車載設備、無線系統車載模塊等。我國根據線路速度將CTCS（列車運行控制系統）分為0-4共5個等級。其中CTCS-2控制系統主要應用于200-250Km/h的鐵路干線列車的控制，CTCS-3級為300-350Km/h及以上的高速鐵路的控制。CTCS-2級列車控制系統主要采用的是軌道電路和點式應答器來實現列車運行許可信息的傳輸，主要采用的是目標-距離模式監控列車安全運行的控制系統，在地面子系統中需要設置有同感信號機來對列車的通行進行檢測。在這一級系統中，軌道電路來完成列車占用及列車完整性的檢測，同使用應答器來對高速列車運行的位置、線路以及行進路線、路線限速等的列車運行的相關信息，同時列控中心能夠實現對于軌道電路編碼、應答器報文儲存和調用、區間信號機點燈控制等。列控中心通過將列車運行的相關數據使用軌道電路及臨時限速等的信息傳輸至高速列車車載設備中以實現對于列車運行的控制，確保高速列車的安全運行。

CTCS-3級的列車控制系統相較于CTCS-2系統其主要采用的是無線通信網GSM-R來實現對于列控信息的傳輸并使用軌道電路來對列車的占用進行檢查的連續式的控制系統。由于CTCS-3級控制系統采用目標距離控制模式和準移動式閉塞方式，地面中可以無需采用信號機，在列車運行的過程中列車駕駛員可以根據車載信號來對車輛進行控制。在CTCS-3級列車控制系統中通過軌道電路、聯鎖進路燈的信息來生成高速列車行車許可，并將列車運行的相關信息通過使用GSM-R無線通信系統傳輸至高速列車車載子系統中，以實現對于列車的控制，同時，GSM-R無線通信系統還能夠對列車所發出的列車位置和列車數等的信息進行接收并將數據傳輸至無線閉塞中心，列控中心能夠實現CTCS-2級系統的控制功能，能夠當CTCS-3級系統出現問題時能夠將列車的相關信息傳輸至列車車載系統中以實現對于列車的控制。CTCS-2級列車控制系統及CTCS級列車控制系統的結構圖分別如圖1、圖2所示。

2 高速鐵路信號系統的應用現狀及存在的問題

通過在高速鐵路信號系統中應用了CTCS-2和CTCS-3級列車控制系統使得高速鐵路運行的速度及運行的可靠性都大為提高，同時CTCS-3級列車控制系統能最小實現3min的高速列車間隔，從而使得列車的運行密度大為增加，單位時間內能夠投入更多的列車用以運營。相較于傳統的高速鐵路信號系統，CTCS-2與CTCS-3列車控制系統在對列車的控制上實現了由地面固定信號顯示的控制向列車移動體直接控制的轉變，同時對于列車控制由原先的開環控制向閉環控制進行轉變、在高速列車的控制上實現了集中統一調度，相較于國外同類控制產品，我國高速鐵路信號技術已經逐步追平與國外同類產品之間的差距。但是在為我國高速鐵路信號系統高速發展所感到欣喜的同時也需要注意到高速鐵路信號系統發展所存在的一些問題與缺陷：我國的高速鐵路信號系統發展的速度太快，因此在高速鐵路信號系統的設備標準的制定、相關設備安裝標準的制定以及后期的管理維護等都存在著一些不足。這些缺陷與不足會對后期高速鐵路信號系統的發展造成不小的影響。

高速鐵路信號系統基礎性研究與技術標準等存在不足：

我國的高速鐵路信號系統從研發到投入使用經歷的時間較短，因此導致高速鐵路信號系統中的一些極為重要的系統都采用的是邊研究邊開發的方式設計并最終形成產品的。在這一過程中，由于缺乏相關的基礎性的研究工作導致高速鐵路信號系統沒有足夠的時間來對相關的技術規范等進行研究、討論和邊線，從而導致高速鐵路信號系統的各生產廠家的設備在系統的兼容性等存在一定的問題，從而對高速鐵路的安全運行造成安全隱患。此外，在高速鐵路信號系統中所使用的技術標準機是建立在原先有線技術標準之上的，從而使得其與高速鐵路信號系統之間存在著一些不匹配，如：（1）在高速鐵路信號系統中軌道電路使用列控中心編碼的方式來取代原有的繼電器編碼方式，但是高速鐵路信號系統對于區間軌道狀況的檢測仍然采用的是自動閉塞的單區間檢測，而并未將區段的上、下行區段進行關聯。從而造成高速鐵路信號系統在對區段占用分析、故障占用的判斷容易出現誤差，針對這一缺陷應當建立并完善聯鎖邏輯，確保對于路段的合理安排。（2）現有的列控系統是原先有線系統的延伸和發展，從而使得高速鐵路信號系統不可避免的會受到有線信號系統的影響。比如說：高速鐵路信號系統通過設置列控中心以實現對于區段的控制，但是由于系統聯鎖邏輯的差異導致兩大子系統執行的安全標準存在較大的差異，影響列車的安全運行。同時高速鐵路信號系統中缺乏一體化的設計，高速鐵路信號系統中的時鐘、聯鎖調度等無法進行統一操作，從而嚴重影響高速鐵路信號系統運行的可靠性與安全性。在高速鐵路信號系統中所采用的安全計算機平臺、安全性等級達到SIL4級的安全實時操作系統都采用的國外廠商的設備，對于高速鐵路信號系統的開發僅僅是從應用軟件層面來對高速鐵路信號系統進行開發，從而使得高速鐵路信號系統的系統安全性存在疑問。同時對于高速鐵路信號系統中的安全軟件的開發工具及相應的檢測算法也有所不足，在高速鐵路信號系統的安全測試上僅僅使用功能測試無法發現一些隱藏較深的安全故障，從而對高速鐵路信號系統的安全使用帶來了一定的風險。同時，在高速鐵路信號系統的安裝調試、后期的操作維護也需要加強對于人員的培訓力度，確保高速鐵路信號系統的使用安全。為確保高速鐵路的安全運行，應當加強對于高速鐵路列控系統主動安全控制的分析與思考，提高高速鐵路對于故障的主動預測從而實現對于高速列車的智能性和自主性的控制，確保高速鐵路的安全運行。

3 我國高速鐵路信號系統列車安全運行控制分析

我國在高速鐵路列車的運行控制中采用的是CTCS-3級列控系統以實現對于高速列車的上、下行線的運行控制，其中，CTCS-3級列控系統兼容CTCS-2級列控系統實現對于提速干線、高速新線和特殊線路的列車控制，在高速列車的安全運行上，CTCS-3級列控系統通過采用車載設備來接收RBC傳輸來的列車運行許可、列車臨時限速等信息的傳輸，同時通過使用車載設備來向無線閉塞中心傳輸高速列車的位置、列車運行速度等的信息以實現對于高速列車的安全控制。現今我國的列車控制系統采用的區間不設地面通過信號機，采用自律分布式、模塊化的高速鐵路信號系統的結構形式以適應我國不同速度段列車的運行方式，同時在高速列車的安全控制方面，通過在高速列車的控制中加裝了自動控制系統，高速列車的車載設備根據接收到的列車行駛速度、位置等的信息來對區段列車行駛的目標速度等信息來供列車駕駛員進行參考，當高速列車的行駛速度超出列車行駛的速度范圍時，高速列車的車載設備將會對列車進行自動制動，以實現對于列車行駛速度的控制，從而確保高速列車的形式安全。

4 高速鐵路列車安全控制研究發展歷程

為實現對于高速列車的安全控制，國內外先后啟動了對于高速列車安全控制的研究，其中，在上世紀80年代，北美鐵路部門從消除鐵路系統控制信號盲區、減少地面信號設備分布的目標出發展開了使用無線信號方式實現對于列車的控制。而后，加拿大和美國共同提出了使用數字數據通信手段來實現對于列車位置、速度等信息的傳輸并實現對于列車的控制。這一系統通過利用車地間雙向信息通道以實現對于運行列車的閉環控制，從而使得列車運行的安全性與可靠性大為提高。無線通信的高速鐵路信號系統是現今高速鐵路信號系統發展的重點，相較于原先所使用的CTC列車控制系統TBS列車控制系統對于列車運行的位置、速度等的相關信息都有著明確的顯示，同時通過使用無線通信的方式與高速列車的車載設備進行數據交換與控制，從而實現對于列車運行狀態的實時監控，在列車安全運行的前提線以最大限度的提升列車運行的密度。

主動安全控制這一控制理念在鐵路領域還是一個新興的話題，其在鐵路控制系統中并未被明確的提出，相較于傳統的鐵路運行控制方式，主動安全控制的核心是在列車運行的過程中通過對故障等的提前判斷并對列車運行加以控制以防止和避免列車運行事故的發生。現今在汽車中所使用的ABS系統、ASR系統以及汽車主動安全系統等都是基于這一理念所研發并在汽車上予以應用的，其通過提高汽車運行的平穩性以及控制、制動的平穩性來提高汽車安全運行的能力。在汽車的安全控制系統中，汽車ABS系統和驅動力控制主要是用來對汽車運行中的縱向力來予以控制，并輔助以其他的控制系統來實現對于汽車運行時的組合控制。

通過主動安全控制在汽車控制中的成功應用可以看出主動安全在高速列車控制中有著廣泛的應用前景，在提高高速列車運行的安全性方面，需要將主動安全與被動安全進行有機的結合，確保高速列車安全運行的可靠性與穩定性。在列車的運行過程中會面臨著各種復雜的自然環境的影響，如：列車運行過程中的強風、雨雪、地震、雷電等都會對對高速列車的控制運行系統造成一定的干擾，尤其是地震，盡管其發生的幾率較低，但是其一旦發生將會對高速列車的安全運行產生致命的危害，在以往列車運行速度較低的時代，地震對列車所造成的影響還不是首位的，而在高速列車時代，不論是何種規模的地震都會對高速列車線路的地基、軌道以及橋梁產生一定的沖擊，這些沖擊輕則導致列車停運嚴重的則會造成高速列車重大安全事故的發生。因此，在高速列車的控制中通過對各種控制方式進行比選研究以便對地震等自然災害對高速鐵路運行所造成的影響進行研究，從而實現對于各種自然災害下鐵路線路故障情況的主動探測，以實現對于列車安全運行的控制。此外在列車運行的過程中，強風會導致高速列車的空氣動力模型產生較大的變化，尤其是在強側風的影響下，會導致高速運行的列車傾覆與脫軌的風險大幅增加，通過開展列車主動安全控制的研究，對于列車在運行過程中所遭遇的強風情況進行分析并做好對于力學模型的建立，做到主動監測、主動應對，提高高速列車運行時的穩定性以提高高速列車運行的安全性。同時在高速列車主動安全的研究中還注重對于異常線路條件下的安全研究，在列車控制系統的實際設計、施工過程中會遇到各種復雜的狀況，需要結合具體的實際情況來對列車的安全控制進行不斷的分析與完善，采用合理的方式予以解決。同時要注意主動安全控制在列車控制中的應用，提高列車運行的安全性與可靠性。

在現今的高速列車的控制中主要使用的是車地無線通道的控制方式以實現對于列車信息的交互。在列車的運行過程中，車載設備將高速列車的速度、位置等的運行信息通過使用GSM-R無線網絡傳輸至無線閉塞中心中，無線閉塞中心通過對接收到的信息數據對比前車的占用信息來對當前列車的行車許可進行計算，待到計算符合要求后再將許可通過使用GSM-R無線網絡發送至車載設備中。在這一高速列車的控制系統中，采用的是集中控制，無線閉塞中心通過聯鎖設備和列控設備對軌道的占用情況進行分析判斷來對列車發出運行許可。由于在列車運行控制中采用的集中控制方式，不論控制中的任何一個環節出現故障都會導致高速列車行車許可計算失敗從而造成安全事故的發生。為提高列車的安全運行，需要在對現今采用的車地信息交換的基礎上研發出更為自主智能的通信方式，從而使得高速列車運行中的前后車的通信可以繞開列控中心，通過高速列車自身的自主定位和前后車之間的自主傳遞等的方式進行，從而進一步由車載設備自主計算列車的行車許可，自主實現高速列車超速緊急預警的方式控制高速列車的運行。通過構建車、車之前的信息傳遞，實現前后車之間的位置、速度等信息的傳遞，此外，在高速列車的運行過程中，前車還可以通過主動發送追尾碰撞警告、緊急事件預警以及道路信息通告等的信息以實現高速鐵路運行的自主智能控制，確保列車的安全運行。

5 結束語

高速鐵路信號系統是鐵路控制中的重要設備，也是確保列車安全運行的重要環節之一。文章在分析我國高速鐵路信號系統發展現狀及特點的基礎上對我國高速鐵路信號系統發展中所存在的一些不足進行了分析闡述，并就如何做好高速鐵路信號系統的改進提出了幾點建議。高速鐵路主動安全控制主要研究通過對高速列車運行過程中的運行狀態進行控制以確保高速列車的運行安全，是今后高速鐵路列車安全控制發展的一個重要方向。

參考文獻

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