文章编号:1673-0291(2012)05-0090-05中国高速铁路信号系统分析与思考郭 进,张亚东(西南交通大学信息科学与技术学院,四川成都610031)摘 要:介绍中国高速铁路信号系统的发展历程及成果,对比分析了中国高速铁路列车运行控制系统的技术水平及特点.在总结成果的基础上,针对现有信号系统的技术标准与体系结构存在缺陷、基础研究薄弱、安全保障体系不符合高速铁路安全需求等问题进行了思考,并提出了改进建议.关键词:高速铁路;铁路信号;中国列控系统中图分类号:U284 文献标志码:AStudy and consideration on Chinese high speed railwaysignal systemG UO Jin ,ZH AN G Yadong(School of Infor matio n Science and T echnology,Southw est Jiaotong U niversity,Cheng du Sichuan 610031,China)Abstract:The paper introduced the achievement of Chinese high -speed railway signal system,and then analyzed the technical characteristics of China Train Control System (CTCS).After summarizing the development of CTCS,some problems of the technical standard and config uration on CTCS w ere men -tioned,and the modification suggestions w ere put forw ard to decrease the risk on CTCS.Key words:high -speed railw ay ;railw ay sig nal;China Train Control System 收稿日期:2011-10-20基金项目:铁道部科技研究开发计划项目资助(2011X025-C,2012X007-D)作者简介:郭进(1960 ),男,四川成都人,教授,博士,博士生导师.研究方向为铁路信号.email:jguo -scce@sw .近年来,我国高速铁路建设取得了迅猛发展,截至2011年底,高速铁路营业里程达7531km(不包括台湾地区),在建高速铁路1万多千米,已成为世界高速铁路运营速度最高,运营里程最长、在建规模最大的国家[1].铁路信号系统是为了保证铁路运输安全而诞生和发展的,它的第一使命是保证行车安全,没有铁路信号,就没有铁路运输的安全[2].随着列车运行速度的提高,完全靠人工望、人工驾驶列车已经不能保证行车安全了,当列车提速到200km/h 时,紧急制动距离将达到2km (常用制动距离超过3km ),因此,国际上普遍认为当列车速度大于时速160km 时,必须装备列车运行控制系统(简称列控系统),以实现对列车间隔和速度的自动控制,提高运输效率,保证行车安全.要实现列车自动控制,需要解决许多关键技术问题,例如:车-地之间大容量、实时和可靠信息传输,列车定位,列车精确、安全控制等,需要车载设备、轨旁设备、车站控制、调度指挥、通信传输等系统良好的配合才能实现,以现代列车运行控制技术为核心的信号系统可以称为现代铁路信号系统.高速铁路装备了列控系统后,提高了列车运行速度和行车密度,同时对中国铁路信号技术还具有积极的促进作用,但由于发展速度太快,设备、标准、管理与养护都免不了存在一些缺陷和不足.本文作者简要阐述了中国列车运行控制系统为我国铁路发展所产生的促进作用,也对现有系统存在的若干问题进行了分析,在分析的基础上,针对今后中国列车运行控制系统的建设提出了改进建议.第36卷第5期2012年10月北 京 交 通 大 学 学 报JOU RNAL OF BEIJING JIA OT ON G U N IV ERSIT YVol.36No.5Oct.20121 中国列车运行控制系统(CTCS)2003年,铁道部参照欧洲列车运行控制系统(ET CS)相关技术[3],根据中国高速铁路建设需求制定了 中国列车运行控制系统(CT CS)技术规范总则(暂行)[4],以分级的形式满足不同线路运输需求.如图1所示,CTCS 系统由车载子系统和地面子系统组成.地面子系统包括:应答器、轨道电路、无线通信网络(GSM -R)、列控中心(TCC)/无线闭塞中心(RBC).车载子系统包括:CTCS 车载设备、无线系统车载模块等.CTCS 依次分CT CS -0~CT CS -4共5个等级,图1 C TC S 列控系统构成图Fig.1 Structure of CT CS以满足不同线路速度需求.CT CS0级为既有线的现状;CTCS1级为面向160km/h 以下的区段;CT CS2级为面向干线提速区段和200~250km/h 高速铁路;CTCS3级为面向300~350km/h 及以上客运专线和高速铁路;CTCS4级为面向未来的列控系统.1 1 C TC S -2级列控系统CTCS -2级列控系统[5]是基于轨道电路和点式应答器传输列车运行许可信息,并采用目标-距离模式监控列车安全运行的控制系统.地面一般设置通过信号机,是一种点-连式列车运行控制系统.在CTCS -2级列控系统中,用轨道电路实现列车占用及完整性检查,并连续向车载设备传送空闲闭塞分区数量等信息.用应答器向车载设备传输定位、线路参数、进路参数、临时限速等信息.列控中心具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、区间信号机点灯控制、站间安全信息传输等功能.同时,列控中心根据轨道电路、进路状态及临时限速等信息,产生行车许可,并通过轨道电路及有源应答器将行车许可传递给列控车载设备.列控车载设备根据地面设备提供的信号动态信息、线路参数、临时限速等信息,结合动车组参数,按照目标-距离模式生成控制速度,监控列车安全运行.CTCS -2列控系统设备组成见图2所示.1 2 CTCS -3级列控系统CTCS -3级的列控系统[6]是基于无线通信网GSM -R 传输列控信息并采用轨道电路检查列车占用的连续式控制系统.CT CS -3级列控系统采取目标距离控制模式和准移动闭塞方式,地面可不设通过信号机,司机凭车载信号行车,同时具有CT CS -2级功能.其运行示意图如图3所示.CTCS -3级列控系统地面设备包括:无线闭塞中心、列控中心、轨道电路、点式应答器、GSM -R 通信接口设备等.车载设备包括:车载安全计算机、GSM -R 无线通信单元、轨道电路信息接收单元、应答器信息接收模块、列车接口单元等.在CTCS -3级列控系统中,无线闭塞中心根据91第5期 郭 进等:中国高速铁路信号系统分析与思考轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可,并通过GSM-R 无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给CTCS -3级车载设备.同时,通过GSM -R 无线通信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息.列控中心接收轨道电路的信息,并通过联锁系统传送给无线闭塞中心.同时,列控中心具有轨道电路编码等CTCS -2级系统列控中心功能,满足作为CTCS -3级后备系统需要.应答器向车载设备传输定位、等级转换、线路参数和临时限速等信息,满足后备系统需要.车载安全计算机根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息,结合动车组参数,按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线,监控列车安全运行.图2 C TC S -2级列控系统结构图Fig.2 Str ucture of CT CS -2图3 C TC S -3级运行示意图Fig.3 Operation of CT CS -32 应用情况及成效高速铁路装备了CTCS -2级和CTCS -3级列控系统后,提高了列车运行速度,也大幅度提高了行车密度,CT CS -3级列控系统可实现最小追踪间隔3min,使旅客运输能力得到极大提高.高速铁路缩短了区域和城市间的时空距离,改变了人们的出行方式,对经济与社会发展产生巨大影响,同时具有显著的节能环保效果.目前,我国高速铁路日均发送旅客超过100万人次,京津、武广及沪宁高速铁路最高发送旅客分别达到12 6万人次/日、12 7万人次/日和29万人次/日,显著提高了客运能力.高速铁路的开通运营,为实现客货分线运输创造了条件,释放了既有线的货运能力.因此,高速铁路建设无论对提高人民生活水平及加强国民经济建设都具有重要意义.同时,CT CS -2级和CTCS -3级列控系统的发展使我国铁路信号向以列车运行控制技术为核心的现代铁路信号技术前进了一大步,具有以下积极作用.1)实现了由对地面固定信号显示的控制到面向列车移动体直接控制的转变.2)实现了由对信号显示控制而不能直接控制列车的开环控制到列车按照要求执行信号指令闭环控92北 京 交 通 大 学 学 报 第36卷制的转变.3)实现了由传统信号的车站分散控制到调度集中统一指挥控制的转变.因此,我国列控技术的发展方向是正确的,成绩令人瞩目,目前我国铁路信号技术水平已经达到或接近世界先进水平.3 列控系统存在的问题尽管CTCS-2级和CTCS-3级列控系统的发展使我国铁路信号技术取得了长足进步,但由于从制定技术标准到大规模投入运行发展速度太快,设备、标准、安装工程、管理与养护都免不了存在一些缺陷和不足,需要认真总结、及时调整,避免酿成重大行车事故.3 1 技术标准与体系结构由于发展速度过快,许多重要子系统,采用边学习、边研究、边开发、边修改、边形成产品的方法,没有足够时间提前研究、编写技术规范和技术标准.如:无线闭塞中心、车载列控设备、临时限速服务器等重要子系统至今也未发布相关技术规范,因此,各个厂家的设备容易产生差别,也难以避免考虑不周、安全隐患等诸多问题.另外,已有的系统依据的许多技术标准是从既有线技术标准延续而来,对高速铁路的特点考虑不够,存在如下问题:1)尽管轨道电路用列控中心编码替代了继电器编码,但无论是CTCS-2级或CTCS-3级系统,对区间轨道状态只是沿用了自动闭塞的单区间轨道电路检查方法,没有将前后分区轨道区段联系起来,实现严格的占用出清顺序检查逻辑(三点检查),无法对区间轨道区段正常占用、故障占用,特别是分路不良进行应有的严格判断及防护,当轨道电路出现分路不良时,特别是对重量比较轻的动车组,可能造成列车追尾的事故.应当尽快修改技术条件,严格联锁逻辑,当轨道电路出现未按占用出清顺序的情况时,通过停车码序,点亮防护信号红灯及缩短RBC行车许可的方法对故障区段进行有效防护,并及时向调度员发出报警指示.2)现有列控系统是在既有线许多原有设备基础上建立的,体系结构受到原有信号系统影响,如:在原有联锁系统基础上独立设置了列控中心,尽管两个系统可以交换信息,但联锁逻辑不同,进站接口处存在补丁现象,车站区间一体化问题没有得到完善解决,两个系统执行的安全标准也有差异,如:LKD-T1型列控中心的没有实现2路独立输入采集安全比较等.3)整个系统缺乏高标准的一体化设计,各个子系统时钟不统一,不便于事故及故障分析;联锁系统与调度集中显示及操作也不统一.缺乏部分必须的冗余功能,如:一旦车站列控中心或车站CTC分机出现故障,无论是调度所还是车站都无法掌握区间设备状态及列车在区间的运行情况.缺乏信息系统必要的安全防护措施,可能受到病毒及黑客的攻击.3 2 基础平台及基础研究由于列控系统属于安全关键系统[7-8],许多列控设备需要以安全计算机作为基础平台,但目前我国几乎没有达到西方发达国家水平的安全计算机平台可供使用,主要采用国外厂商提供的硬件平台.另外,我国没有能够达到SIL4级或SIL3级的实时操作系统,仅通过应用层软件是不能完全保证系统安全的.同时,我国也没有可供认证的安全软件开发工具及相应的检测方法,仅通过功能测试无法避免软件故障所带来的安全风险.安全通信及安全接口技术也有待提高.3 3 安全管理体系针对高速铁路项目及列控新产品的上道使用,沿用传统的审查、鉴定、验收和评估方法,主要致力于功能检查与审查,没有建立基于风险的安全管理方法及体制.很难进行充分的危害识别与风险分析,没有研发、设计、生产、调试和运营过程中的隐患登记与管理制度,缺乏对风险的管控及应对措施[9-10].无法提供可信的证据与数据,证明系统及项目达到相应的安全需求,所采用的功能审查及各种检查活动,无法系统、主动的保证列控系统的安全防护达到要求.3 4 现场施工、安装和调试现场施工、安装和调试存在严重的抢时间、赶工期现象,缺乏精细的管理态度及管理方法,部分隐蔽工程达不到预定技术标准,如:室外电缆入室后屏蔽层接地不规范问题,影响防雷效果.部分地段还存在电力电缆与信号、通信电缆同沟现象,部分接触网杆塔地线接向综合贯通地线的连接线与信号电缆同沟等,为设备安全运营留下隐患.许多设备在线路开通、使用过程中,仍然进行软件修改与调试,缺乏严格的测试制度与测试工具,特别是软件修改及版本管理控制不够严格.3 5 培训与应急处置现场人员素质达不到要求,现场操作人员与维修人员存在较为普遍的培训不到位现象,容易产生使用人员在紧急情况下处置不当,维修人员在设备故障后不能准确判断问题、及时处理故障的情况.同93第5期 郭 进等:中国高速铁路信号系统分析与思考时,各基层站、段、车间针对高铁设备故障情况下的应急处置办法与规章也普遍存在缺陷和不足.另外,现场作业人员也存在违章作业问题.应当强化现场作业人员安全意识,加强应急演练与培训.4 建议7 23 甬温线特大铁路交通事故应该让我们更加清醒的认识信号设备对高速铁路运营安全的影响.针对目前我国列控系统现状,我认为:应当充分认识技术先进与安全可靠的关系,强化信号设备安全第一的基本原则.注意协调发展速度与质量的关系,树立精品意识,对没有经过严格审核、认真评估的不成熟产品,应当坚决停止使用,确保高速铁路行车安全,建议:1)继续深入研究、完善现有系统的技术标准与体系结构,使系统更加安全,结构更加合理.2)加强基础技术研究,为各种列控系统提供安全、可靠的平台.3)改进现有鉴定、评审方式,积极开展信号系统安全工程管理活动,建立信号系统的独立第三方安全认证与评估体系.4)充分应用信息科学新技术,研究开发新型冗余的列车运行安全预警设备.参考文献(References):[1]何华武.中国高速铁路创新与发展[J].中国铁路,2010(10):5-8.HE Huaw u.T he innovation and dev elo pment of China hig h-speed railw ay[J].Chinese Railw ays,2010(10),5-8.(in Chinese)[2]郭进,王晓明.铁路信号基础[M].北京:中国铁道出版社,2010:5-7.GU O Jin,WAN G Xiaoming.Railw ay sig naling basis[M].Beijing:China Railw ay Publishing House,2010:5-7.(in Chinese)[3]唐涛,郜春海.ET CS系统分析及CT CS的研究[J].机车电传动,2004(6),1-3.T AN G T ao,GAO Chunhai.A nalysis of ET CS system and study on CT CS[J].Electric Dr ive for Locomotives,2004(6):1-3.(in Chinese)[4]中华人民共和国铁道部.科技运[2004]14号CT CS技术规范总则[S].北京:铁道部科技司,2004.M inist ry of Railways of the P eople s Republic o f China.Science and technology transportation[2004]number14g eneral 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