海外信號系統需求分析研究

黃 蔚

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

我國近十幾年來已經成為世界上高速鐵路發展較快的國家。在高速鐵路建設過程中，經過實踐逐步形成了一套標準化的中國信號系統，信號裝備也隨之進入到高速發展的時期。隨著裝備的不斷進步和發展，企業也在不斷尋求海外鐵路市場的機遇。

對于信號系統來說，要進入海外鐵路市場，首先就要了解海外市場信號系統的需求有什么不同。幾年來對海外鐵路項目的摸索陸陸續續開展，先后接觸了亞洲、非洲、獨聯體、南美、北美及歐洲等地區部分國家鐵路的招投標項目。從技術要求的角度看，共通點很多，但差異性也很明顯，主要可以歸類為英標（歐標）、美標、以及獨聯體標準等。另外，除了技術體制的不同外，在這些工程項目的招投標以及現場調查中，發現雖然運營概念類似，技術發展趨勢一致，基礎系統組成相同，但在管理體制、技術標準的關注點、設計理念等方面的需求與國內存在諸多的差異。本文主要從海外鐵路發展、海外項目特點、設計理念等方面進行分析。

1 海外鐵路及信號裝備發展

1.1 普速鐵路

世界鐵路的發展已有百余年的歷史。從19 世紀下半葉至20 世紀初，是海外鐵路建設的高潮階段，這個階段的鐵路主要集中在英國、美國、俄羅斯，以及德國、法國等幾個國家。20 世紀20 ～60年代，由于公路、航空運輸發展，英國、美國、及法國等歐美國家鐵路營運線路均有大幅萎縮。與此同時，殖民地及發展中國家鐵路營運里程呈快速上升態勢。至20 世紀60 年代，世界各國鐵路運營里程已達到130 余萬km，其中歐美占比超過70%。

這個時期，鐵路信號裝備主要是保證列車基本運行安全的繼電聯鎖系統和閉塞系統，軌旁裝配軌道電路、信號機、轉轍機等設備，列車安裝機車信號或自停設備。英國、美國、俄羅斯等國家在早期鐵路建設中先后形成了各自的技術體系，并在實踐中不斷完善，殖民地半殖民地國家鐵路信號則承襲上述國家的技術體系，如：南亞印度、孟加拉等國家采用英國技術標準。上述信號系統技術體系之間的差異除聯鎖電路差異外，信號顯示、軌道電路制式等方面均存在差異。

1.2 高速鐵路

20 世紀60 ～80 年代，日本、法國、德國先后建成了各自早期的高速鐵路。21 世紀初，我國的高速鐵路建設使世界高速鐵路營運里程迅速增長，至2018 年，我國高速鐵路營運里程已占全球總里程的60%之多。

這個階段是計算機高速發展的階段，傳統信號系統中的一個最大變化就是計算機聯鎖的出現，并逐漸在新建和改造項目中取代既有繼電聯鎖。

此外，傳統的地面信號已無法滿足高速列車的運行安全，因此出現了高速列控系統以實現對高速列車的超速防護，保證列車運行安全。

海外主要市場列控技術的發展如圖1 所示。

圖1 海外列控技術的發展Fig.1 Ovreseas train control technology development

當前互聯互通的需求已經成為各國鐵路的共識，基于互聯互通建設的成熟列控系統主要有ETCS、我國的CTCS 系統。

2 海外項目的特點

2.1 項目特點

海外鐵路招投標項目新建較少，主要為既有線改造項目，包括線路及裝備改造，部分增建復線，部分進行電氣化改造。在這些既有路網的改造項目中，有些裝備是20 世紀70 ～90 年代建設的，有些裝備的年代更為久遠。

由于國外人口密度不大，經濟發展平緩，無論是客運還是貨運量需求都不高，因此對速度的要求也不高。低運量、低速度的特點決定了海外鐵路項目招標多以保障運輸安全的基礎裝備為主，包括聯鎖、轉轍機、信號機、列車占用檢查設備，以及提高道口通過車輛和行人安全的道口控制系統，在此基礎上要求實現CTC 調度集中控制。部分地區的既有線路有機車信號的需求。

由以上招標內容可以看出，海外項目重點在基礎設備。

2.2 技術要求特征

如前所述，海外很多國家具有相當長的鐵路發展史，有自己的運輸管理體制和工程應用習慣，技術體系受英國（歐洲）影響最大，其次美國和俄羅斯技術體系覆蓋面也較廣。

海外招投標主要技術特征如下。

1）符合既有運營習慣以及工程應用習慣，滿足既有技術體系要求。

2）與既有系統兼容，比如：獨聯體國家的鐵路項目，無論新建還是改造，都需要兼容既有機車信號；英聯邦或過去的英殖民地國家的鐵路項目，需要與TPWS（一種英制的列車防護系統）系統接口；美國聯鎖設備需包含與其既有軌道電路兼容的軌道電路及其控制模塊。

3）經濟性改造的需求，這是海外項目的一個重要特征，在滿足基本安全保障前提下，不僅要求建設成本低，而且要求低運營維護成本，即系統的全生命周期成本要有競爭力。

4）設備運行環境差異大，維護人員技術素質不同，對產品可靠性要求高，免維護、少維護要求高。

由以上技術特征可以看出，信號設計應對既有的工程進行深入調查，基礎產品應具有可靠性高、適應性強和低成本的特點，以滿足海外市場需求。

3 信號設計理念

海外項目設計最根本的設計理念是按需求設計，主要體現在以下幾個方面。

3.1 標準和技術體系的符合性

符合標準是所有項目的基本要求。

招投標中提出的信號系統符合性標準主要有兩個方面：產品設計的通用國際標準，以及應用設計標準。

通用國際標準主要包括電子設備設計中要遵循的環境和防雷電磁兼容等電氣標準、信號安全標準、工業制造標準等，關于電氣和安全的通用標準主要見于IEEE、EN 等國際性標準。此類標準國內有對應的國標，要求是等同的。

應用設計標準內容比較寬泛，例如國際性標準ETCS 互聯互通規范。但對于聯鎖等基礎設備，不同地區或國家通常有各自的標準或者文件規定。

應用設計標準來源于工程實踐的經驗總結，這類標準典型的如北美的AREMA 標準，英標BS 的部分標準等。與國內的XX 技術條件類似，標準通常包含了產品的通用標準符合性要求，也包含了信號設計規定、產品技術條件和安裝等的專用要求。以北美的AREMA 標準為例，標準對信號設計、安裝、測試、安全保證等各方面做了詳細規定：

1）工程設計規定：包括信號設計原則、電路設計、安裝設計；

2）各系統功能、設計原則、技術條件，包含聯鎖繼電電路；

3）主要器材材料的電氣、機械特性和安裝要求，包括：繼電器、信號機、軌道電路相關器材、道岔轉換、機械安裝裝置等；

4）計算機產品的軟硬件設計、結構設計、電子接口設計，電路防護要求、安裝及測試要求；

5）電源設計，包括蓄電池、充電裝置等的設計、安裝、測試要求；

6）安全保證程序及技術要求

……

由于應用設計標準內容多，涵蓋范圍廣，因此海外主要技術體系的應用標準需要細致對標，并在實施中嚴格執行。

3.2 成本最優設計

成本最優控制是海外項目的重要設計理念。降低成本涉及多方面，包括信號系統本身的設計，也包括房屋配套要求，電源能耗，還有后期維護成本等等，需要綜合考量。

信號設計應在滿足用戶運營習慣的前提下，實現最優配置。產品設計對信號成本優化有很大影響，如：產品結構、安裝方式等。通過方案優化、產品結構優化、安裝方式優化以及配置優化以達到降低成本的目的。

1)軌旁安裝方式設計

目前海外項目的聯鎖系統招標均要求對軌旁控制對象的控制接口取消繼電器，即采用全電子聯鎖系統。全電子聯鎖系統的應用可以大大減小設備房的空間要求。同時由于網絡技術的成熟應用，智能化網絡化的目標控制器可方便的支持分布式軌旁安裝方式。小站以及線路所，采用軌旁安裝方式，可節省設備用房投資。在控制對象集中區域采用軌旁控制箱，可有效減少電纜使用量，信號項目中電纜及其敷設投資占比是很大的，減少電纜用量是降低成本的一個重要手段。

另外在幾乎每個海外項目中都存在大量道口，且道口一般沒有設備用房，因此道口控制設備需適應軌旁安裝方式。

2)增強的環境適應性需求

提高設備環境適應性是成本優化設計要考慮的一項重要內容。

海外項目地域分布廣，不同地區溫度差異大，且聯鎖設備用房通常不設空調等機房設施，這樣做一方面減少建設投資，另一方面降低運營能耗，減少設備維護成本。因此海外項目對聯鎖設備的環境適應性要求較高，需要設備能適應更寬的工作溫度范圍。

與聯鎖位于同一設備房內的其他設備的環境適應性需求容易被忽視，典型的如區間點的維護監測顯示器，在沒有空調且環境溫度條件很差的情況下，就需要考慮替代方案。

3)配置優化

在海外項目招投標中，信號系統的設計、供貨是作為整包發包的，這給在設計時進行配置優化提供了可能。

以監測為例，目前各系統設備均配置監測設備，同時還有信號集中監測系統，每個系統的監測設備都可以提供圖表形式的功能完善的監測查詢，車站機械室可能同時存在多個監測終端設備。如果采用綜合維修監測替代，既實現了配置優化，同時也降低了能耗，如圖2 所示。

圖2 多個監測終端設備與綜合維修監測對比圖Fig.2 Comparison of maintenance equipment configuration

4)產品工廠化安裝調試設計

海外項目由于有雇傭當地工人施工的要求，所以施工的人工成本很高，有些還面臨不可控的風險，因此減少施工量、采用標準化施工，以降低對施工人員技術要求，是降低成本的一個重要方面。

海外出差成本很高，工廠化測試調試可有效減少現場人員需要。

3.3 符合運營需求的設計

與信號系統相關的運營需求主要包括：功能性需求、操作性需求，以及運營和維護體制。

1)與運營需求相適應的設計

從設備配置角度看，在成本最優的前提下，提供超出基本運營需求的增強功能是好的設計，反之應避免提供非招標要求的功能而造成成本上升。

信號設計應與運營體制和運營人員配置相適應。

以CTC 系統為例，國內采用分散自律CTC 系統，與車站設置行車人員是相適應的。海外由于人工成本較高，很多地區或項目只有集中控制，在車站沒有本地運營控制操作，只有應急操作。兩種方式對比如圖3 所示。這種情況下，自律機的配置將導致項目成本的上升。

圖3 自律方式和集中控制方式對比圖Fig.3 Comparison of decentralized autonomous CTC and centralized CTC equipment configuration

另如聯鎖系統的設計，海外項目很多中間站規模很小，有些中間站沒有配置生活設施，當運營方沒有本地操作控制要求的情況下，可以優化設計，采用集中控制，方便運營的同時，減少設備投入，降低后期維護成本。

2)與維修體制相適應的設計

海外大部分地區的鐵路維護人員配置很少，多數車站內沒有維護人員。這種情況下，集中維護監測就顯得很重要，車站則以數據記錄功能為主。維護終端應僅在維修人員的工作點進行配置，減少車站維護工作。

除集中維護監測，產品設計應考慮維護人員的現場維護操作需要，提供方便的故障報警提示，使板件更換操作一目了然。

4 結束語

海外市場對企業充滿機會，也充滿挑戰。在向世界力推中國標準的同時，只有深入了解海外市場需求，適應需求變化，才能在海外市場走得更遠。