城市軌道交通信號系統迎接新時代發展的一些思考

截至2017年12月31日，我國開通運營城市軌道交通的內地城市已達31個，運營線路總長度達到4 396.7 km，開通運營線路139條，運營車站2 899座；其中上海以628.3 km的運營里程排名第一，北京以591.7 km排名第二，依次為廣州、深圳、南京。全國城市軌道交通的快速發展必然涌現各個專業新技術的運用，帶動了列車運行自動控制技術（信號系統）的不斷進步。隨著城市軌道交通的快速發展，信號系統的“運行命令信息”傳送，已由“軌道電路”發展為“無線通信”。下面以上海軌道交通為例，對城市軌道交通信號系統的發展歷程做一個分析。

1 早期的信號系統模式

上海軌道交通1號線信號系統采用的是當時最為先進的“基于速度信息的列車運行自動控制（ATC）系統”，也是全國城市軌道交通線路第一次采用完整的ATC系統，該系統包括列車自動監控（ATS）、列車自動防護（ATP）、列車自動運行（ATO）三個子系統。ATC系統的“速度命令信息”是三個子系統中最為重要的ATP防護信息，通過“軌道電路”傳送。也就是說，將線路電氣分割成不同長度的軌道區段，每個軌道區段的出口端是軌道電路的發送端口，平時軌道電路發送軌道電路的“檢測”信息，軌道區段入口端收到“檢測”信息，證實該軌道區段空閑；列車進入該軌道區段后，軌道電路列車入口端接收不到“檢測”信息，證實列車已經占用該軌道區段；這時軌道區段的出口端改發“速度命令”信息，該命令信息指示列車抵達軌道區段出口端的最高速度。這些信息都是通過“模擬電路”實現的。隨著數字技術的發展，上海軌道交通2號線采用了數字軌道電路，ATP子系統向列車傳送的是“速度+距離”的信息；上海軌道交通3、4號線也采用了數字軌道電路，其傳送的ATP信息是列車運行進路的“地圖（奇點）信息”。一般將基于數字軌道電路的ATC系統歸于“準移動閉塞”之列。

ATS子系統是列車運行的控制、監督設備；基于計算機網絡的ATS子系統，由控制中心的ATS設備（CATS）、聯鎖集中站ATS設備（LATS）和車載ATS設備組成。主要完成列車的調度和跟蹤、運行時刻表的調整控制和監督、列車進路的控制和表示、系統狀況及報警信息的顯示和記錄，以及統計匯編、系統仿真和診斷。當列車處在ATO操作模式下，車載ATO子系統才能發揮作用，子系統自動履行司機操作功能，自動完成列車的加、減速等速度調節控制，自動完成列車在車站的程序對位停車，實現列車車門和站臺屏蔽門的聯動。

ATC系統是我國早期運用的列車運行自動控制系統的主要模式。從閉塞的概念分析，上述模式都可以歸屬于“準移動閉塞”的范疇，后續列車與先行列車之間的行車間隔都與“閉塞分區”的劃分有關。也就是說，后續列車與先行列車不可能運行在同一個閉塞分區，后續列車必須確保在先行列車所占用的閉塞分區的分界點前停車。

2CBTC信號系統應用發展

移動閉塞是縮小行車間隔、提高行車效率的有效途徑。采用移動閉塞，列車運行的安全保證不再依賴軌道電路的劃分，因此不需要設置軌道電路；而是基于列車與地面的雙向通信，后續列車與先行列車之間始終保持的距離是制動距離+動態安全保護距離。移動閉塞系統相比原有的ATC系統，可以縮小列車之間的行車間隔；車-地之間的信息交換不再依賴于軌道電路；控制中心掌握在線運行各次列車的精確位置和速度，列車位置由列車自動測定；列車與控制中心之間保持不間斷的雙向通信；不同編組（不同長度）的列車，可以以最高的密度運行于同一條線路；信號系統從以硬件為基礎的系統，向以軟件為基礎的系統演變。基于通信的列車運行控制（CBTC）系統，便是支持移動閉塞的列車運行控制系統。CBTC系統不僅適用于新建的各種城市軌道交通線路，也適用于舊線改造、不同編組列車以及不同線路列車的跨線運行。

隨著通信技術的發展，尤其是無線通信、計算機網絡技術和數字信號處理技術的迅速發展，以及信號系統的冗余、容錯技術的不斷完善，在信號這個傳統領域，為CBTC系統的發展奠定了基礎。CBTC系統已逐漸被信號界所認可，基于感應環線通信的移動閉塞CBTC系統先在城市軌道交通得到運用；其后基于無線（Radio）通信的虛擬閉塞CBTC系統得到推廣，并將成為今后城市軌道交通信號系統的發展方向。

上海軌道交通8號線決定選用CBTC技術，這一決定對于推動我國城市軌道交通CBTC的發展無疑有著積極的意義。CBTC系統是通過無線通信方式（而不是軌道電路）來確定列車位置和實現車-地雙向實時通信，自動控制列車運行的信號系統。列車上的車載控制器，通過探測軌道上的應答器，查找這些應答器在數據庫中的方位，以此確定列車絕對位置；而且列車本身自動測量、計算自前一個探測到的應答器起已行駛的距離，來確定列車的相對位置。列車車載控制器，通過列車與軌旁設備的雙向無線通信，向軌旁CBTC設備報告本列車的精確位置。軌旁CBTC設備根據各列車的當前位置、運行方向、速度等要素，同時考慮列車運行進路、道岔狀態、線路限速以及其它障礙物的條件，向所管轄的列車發送“移動授權極限”，即向列車傳送運行的距離、最高的運行速度，從而保證列車間的安全間隔距離。

CBTC信號系統得到廣泛運用，而且已有多個城市軌道交通線路決定選用全自動運行。北京機場線、上海軌道交通10號線等均采用全自動駕駛技術建設，但其核心技術仍由國外引進。北京燕房線為我國首條自主研發的全自動運行示范線路，標志著我國軌道交通全自動運行技術不再依賴進口。

3 城市軌道交通信號系統發展建議

上文回顧了城市軌道交通信號系統的發展歷程和技術特性，現就新時期業界所關心的城市軌道交通信號系統發展的一些議題，談點想法。

3.1 早期建設的信號系統“大修”時信號系統的選擇

上個世紀90年代前后建設的城市軌道交通線路，已經運營了15～20年，其信號系統都已經進入“大修”期限。上海軌道交通1號線由于經歷多次延伸，最晚的延伸段與先前建設的區段時間跨度達10年以上，這條線路的ATC系統盡管使用了這么多年，但故障率相對較低，也利于維護。因此，先前建設的區段進行大修時，還是沿用原來的ATC系統，只是更新了相應的硬件和軟件。這里要說明的是，這條線路選擇沿用原來的ATC系統，不一定適應于其他的城市軌道交通線路。

上海軌道交通2、3、4號線采用的都是ATC信號系統，都將進入“大修更新”時期。當時，ATC信號系統都由國外引進，其軌旁設備及車載外掛硬件設備較多，經長年運用后，銹蝕嚴重，故障頻發，亟待更新。然而，當年的供應商都不再供應這些設備，只能“定制”。如果采用“定制”，不僅供貨周期長，而且板卡還無檢測裝置，導致不少的“定制”設備不能使用，而國內又沒有“替代品”，因此這些線路“大修更新”時選用新的CBTC信號系統已是大勢所趨。

線路一般都有延伸區段，到“大修更新”時，后建區段的軌旁設備還可以運用。有的技術人員建議，大修以后，CBTC系統與原來信號系統（ATC系統）并用；也有技術人員建議將原來軌道電路保留，用于后備系統的列車檢測。但時，同一條運營線路兼用不同的信號系統，會導致設施成本和維護成本提高，車載設備也必須切換；兩套系統并用在技術上也許可以實現，但勢必對會今后的運營和維護造成難以預期的壓力，對此必須深入研討。

3.2 關于CBTC系統設置“后備-計軸系統”的問題

當初之所以會設置CBTC系統后備系統，實際上是選用CBTC系統時，供應商所提供的CBTC系統，并沒有在大運量地鐵運用的成熟經驗，導致到了應該開通的時間點，信號系統還不能用。作為權宜之計，借鑒鐵路“計軸-自動閉塞”的概念，用“計軸器”檢測軌道區段的“列車占用”和“空閑”，列車根據區間和車站設置的“地面信號機”顯示運行，以確保線路如期開通運營。

“后備-計軸”系統，在CBTC系統還不能運用的階段，為確保運營安全起了很好的作用。當然也出現諸如“計軸干擾”、“不能重啟”等故障，給運營調度人員帶來諸多不便。然而在CBTC系統開通以后，經多次軟件升級，運用“后備-計軸”系統的次數越來越少，已經失去了其存在的價值；但已經設置于車站和區間的“計軸器”、“信號機”還要維護保養，因其故障還會影響正常運行。

當初，由于某條線路的信號系統沒有配置“不間斷”的電源系統，所以信號系統不能確保列車運行安全間隔，導致后續列車與先行列車相撞的事故。為此，后來建設的一些線路增加了“計點系統”，甚至還在研究“防撞系統”。信號系統有完善的運營記錄功能，每天還可以繪制“運行圖”，信號系統的作用就是確保列車運行安全，具備防止列車追尾和正面相撞的功能。列車相撞事故是在信號系統斷電、列車在沒有信號控制的情況下，由“人工”控制列車運行造成的，不知道什么原因會開發“計點系統”和“防撞系統”，難道這些系統不需要“電源”嗎？系統越多，建設成本越高，故障也就越多。只要選擇成熟可靠的CBTC系統，就可以不再設置“后備系統”。

3.3 抓緊進行CBTC系統的實時數據分析、預警系

統和維護保障系統的開發研究

CBTC系統已積累了10年以上的運用經驗，應該說已經成熟了，CBTC系統的供應廠商也為信號設備的維護及安全運營提供了維護手段。然而，隨著網絡化運營規模的不斷擴大，行車間隔縮短和運營時間延長導致維護保障的難度和復雜度不斷增大，目前配置的信號設備維護系統已無法滿足實際的維護保障和管理需求。比如：對各種監測系統的數據不能進行綜合分析，對各類監測設備采集的大量數據不能進行關聯分析，室外設備的監測項目不完善，采集的數據不能及時傳輸到維護部門，不支持采集相關專業（如車輛、屏蔽門等）的接口數據，不能實時采集車載信號設備的故障數據，等等。這些情況導致維護保障的難度和復雜度不斷增大，因而對維護人員的要求越來越高。

研究一套針對城市軌道交通信號設備狀態監測和智能預警的主動維護保障系統，實現設備故障自動發現并報警，將故障處理在萌芽狀態，進而實現狀態修的需求已變得極為迫切。

已經運營的線路，供應商應配合完善“實時數據分析功能、預警系統和維護保障系統”；新建線路應在CBTC系統內，增加一項試運營評審的內容。

3.4 制定中國版的CBTC系統建設標準

我國已是城市軌道交通選用CBTC信號系統最多的國家，當年討論要不要采用CBTC信號系統時，一個重要的理由是：基于軌道電路的ATC信號系統，線路間不可能做到“互聯互通”，而CBTC系統可以實現“互聯互通”。這么多年的實踐證明，要實現“互聯互通”，必須采用同一個廠商的CBTC系統，并與同一種列車車輛系統配套。有的城市，正在進行兩條軌道交通線路的“跨線運營”，在一條線路上運營的列車轉到另外一條線路后，就立即投入運營，并實現“快、慢車”運營。“跨線運營”的前提是，這兩條線路采用的時同一廠商的CBTC信號系統和相同的車輛系統。

上海軌道交通運用的CBTC系統主要選用泰雷茲公司和卡斯柯公司的設備，這兩家公司都在做“自主開發”的努力，但其開發的CBTC系統的各個子系統沒有統一的標準，其系統結構、功能、冗余方式都不盡相同，現有的CBTC系統不可能做到“互聯互通”。將來，隨著運營城市軌道交通網絡的不斷擴大，換乘車站的客流組織越趨復雜，線路間的“互聯互通”必會提到議事日程。因此制定中國版的CBTC系統建設標準勢在必行。