城市轨道交通信号系统迎接新时代发展的一些思考

截至2017年12月31日，我国开通运营城市轨道交通的内地城市已达31个，运营线路总长度达到4 396.7 km，开通运营线路139条，运营车站2 899座；其中上海以628.3 km的运营里程排名第一，北京以591.7 km排名第二，依次为广州、深圳、南京。全国城市轨道交通的快速发展必然涌现各个专业新技术的运用，带动了列车运行自动控制技术（信号系统）的不断进步。随着城市轨道交通的快速发展，信号系统的“运行命令信息”传送，已由“轨道电路”发展为“无线通信”。下面以上海轨道交通为例，对城市轨道交通信号系统的发展历程做一个分析。

1 早期的信号系统模式

上海轨道交通1号线信号系统采用的是当时最为先进的“基于速度信息的列车运行自动控制（ATC）系统”，也是全国城市轨道交通线路第一次采用完整的ATC系统，该系统包括列车自动监控（ATS）、列车自动防护（ATP）、列车自动运行（ATO）三个子系统。ATC系统的“速度命令信息”是三个子系统中最为重要的ATP防护信息，通过“轨道电路”传送。也就是说，将线路电气分割成不同长度的轨道区段，每个轨道区段的出口端是轨道电路的发送端口，平时轨道电路发送轨道电路的“检测”信息，轨道区段入口端收到“检测”信息，证实该轨道区段空闲；列车进入该轨道区段后，轨道电路列车入口端接收不到“检测”信息，证实列车已经占用该轨道区段；这时轨道区段的出口端改发“速度命令”信息，该命令信息指示列车抵达轨道区段出口端的最高速度。这些信息都是通过“模拟电路”实现的。随着数字技术的发展，上海轨道交通2号线采用了数字轨道电路，ATP子系统向列车传送的是“速度+距离”的信息；上海轨道交通3、4号线也采用了数字轨道电路，其传送的ATP信息是列车运行进路的“地图（奇点）信息”。一般将基于数字轨道电路的ATC系统归于“准移动闭塞”之列。

ATS子系统是列车运行的控制、监督设备；基于计算机网络的ATS子系统，由控制中心的ATS设备（CATS）、联锁集中站ATS设备（LATS）和车载ATS设备组成。主要完成列车的调度和跟踪、运行时刻表的调整控制和监督、列车进路的控制和表示、系统状况及报警信息的显示和记录，以及统计汇编、系统仿真和诊断。当列车处在ATO操作模式下，车载ATO子系统才能发挥作用，子系统自动履行司机操作功能，自动完成列车的加、减速等速度调节控制，自动完成列车在车站的程序对位停车，实现列车车门和站台屏蔽门的联动。

ATC系统是我国早期运用的列车运行自动控制系统的主要模式。从闭塞的概念分析，上述模式都可以归属于“准移动闭塞”的范畴，后续列车与先行列车之间的行车间隔都与“闭塞分区”的划分有关。也就是说，后续列车与先行列车不可能运行在同一个闭塞分区，后续列车必须确保在先行列车所占用的闭塞分区的分界点前停车。

2CBTC信号系统应用发展

移动闭塞是缩小行车间隔、提高行车效率的有效途径。采用移动闭塞，列车运行的安全保证不再依赖轨道电路的划分，因此不需要设置轨道电路；而是基于列车与地面的双向通信，后续列车与先行列车之间始终保持的距离是制动距离+动态安全保护距离。移动闭塞系统相比原有的ATC系统，可以缩小列车之间的行车间隔；车-地之间的信息交换不再依赖于轨道电路；控制中心掌握在线运行各次列车的精确位置和速度，列车位置由列车自动测定；列车与控制中心之间保持不间断的双向通信；不同编组（不同长度）的列车，可以以最高的密度运行于同一条线路；信号系统从以硬件为基础的系统，向以软件为基础的系统演变。基于通信的列车运行控制（CBTC）系统，便是支持移动闭塞的列车运行控制系统。CBTC系统不仅适用于新建的各种城市轨道交通线路，也适用于旧线改造、不同编组列车以及不同线路列车的跨线运行。

随着通信技术的发展，尤其是无线通信、计算机网络技术和数字信号处理技术的迅速发展，以及信号系统的冗余、容错技术的不断完善，在信号这个传统领域，为CBTC系统的发展奠定了基础。CBTC系统已逐渐被信号界所认可，基于感应环线通信的移动闭塞CBTC系统先在城市轨道交通得到运用；其后基于无线（Radio）通信的虚拟闭塞CBTC系统得到推广，并将成为今后城市轨道交通信号系统的发展方向。

上海轨道交通8号线决定选用CBTC技术，这一决定对于推动我国城市轨道交通CBTC的发展无疑有着积极的意义。CBTC系统是通过无线通信方式（而不是轨道电路）来确定列车位置和实现车-地双向实时通信，自动控制列车运行的信号系统。列车上的车载控制器，通过探测轨道上的应答器，查找这些应答器在数据库中的方位，以此确定列车绝对位置；而且列车本身自动测量、计算自前一个探测到的应答器起已行驶的距离，来确定列车的相对位置。列车车载控制器，通过列车与轨旁设备的双向无线通信，向轨旁CBTC设备报告本列车的精确位置。轨旁CBTC设备根据各列车的当前位置、运行方向、速度等要素，同时考虑列车运行进路、道岔状态、线路限速以及其它障碍物的条件，向所管辖的列车发送“移动授权极限”，即向列车传送运行的距离、最高的运行速度，从而保证列车间的安全间隔距离。

CBTC信号系统得到广泛运用，而且已有多个城市轨道交通线路决定选用全自动运行。北京机场线、上海轨道交通10号线等均采用全自动驾驶技术建设，但其核心技术仍由国外引进。北京燕房线为我国首条自主研发的全自动运行示范线路，标志着我国轨道交通全自动运行技术不再依赖进口。

3 城市轨道交通信号系统发展建议

上文回顾了城市轨道交通信号系统的发展历程和技术特性，现就新时期业界所关心的城市轨道交通信号系统发展的一些议题，谈点想法。

3.1 早期建设的信号系统“大修”时信号系统的选择

上个世纪90年代前后建设的城市轨道交通线路，已经运营了15～20年，其信号系统都已经进入“大修”期限。上海轨道交通1号线由于经历多次延伸，最晚的延伸段与先前建设的区段时间跨度达10年以上，这条线路的ATC系统尽管使用了这么多年，但故障率相对较低，也利于维护。因此，先前建设的区段进行大修时，还是沿用原来的ATC系统，只是更新了相应的硬件和软件。这里要说明的是，这条线路选择沿用原来的ATC系统，不一定适应于其他的城市轨道交通线路。

上海轨道交通2、3、4号线采用的都是ATC信号系统，都将进入“大修更新”时期。当时，ATC信号系统都由国外引进，其轨旁设备及车载外挂硬件设备较多，经长年运用后，锈蚀严重，故障频发，亟待更新。然而，当年的供应商都不再供应这些设备，只能“定制”。如果采用“定制”，不仅供货周期长，而且板卡还无检测装置，导致不少的“定制”设备不能使用，而国内又没有“替代品”，因此这些线路“大修更新”时选用新的CBTC信号系统已是大势所趋。

线路一般都有延伸区段，到“大修更新”时，后建区段的轨旁设备还可以运用。有的技术人员建议，大修以后，CBTC系统与原来信号系统（ATC系统）并用；也有技术人员建议将原来轨道电路保留，用于后备系统的列车检测。但时，同一条运营线路兼用不同的信号系统，会导致设施成本和维护成本提高，车载设备也必须切换；两套系统并用在技术上也许可以实现，但势必对会今后的运营和维护造成难以预期的压力，对此必须深入研讨。

3.2 关于CBTC系统设置“后备-计轴系统”的问题

当初之所以会设置CBTC系统后备系统，实际上是选用CBTC系统时，供应商所提供的CBTC系统，并没有在大运量地铁运用的成熟经验，导致到了应该开通的时间点，信号系统还不能用。作为权宜之计，借鉴铁路“计轴-自动闭塞”的概念，用“计轴器”检测轨道区段的“列车占用”和“空闲”，列车根据区间和车站设置的“地面信号机”显示运行，以确保线路如期开通运营。

“后备-计轴”系统，在CBTC系统还不能运用的阶段，为确保运营安全起了很好的作用。当然也出现诸如“计轴干扰”、“不能重启”等故障，给运营调度人员带来诸多不便。然而在CBTC系统开通以后，经多次软件升级，运用“后备-计轴”系统的次数越来越少，已经失去了其存在的价值；但已经设置于车站和区间的“计轴器”、“信号机”还要维护保养，因其故障还会影响正常运行。

当初，由于某条线路的信号系统没有配置“不间断”的电源系统，所以信号系统不能确保列车运行安全间隔，导致后续列车与先行列车相撞的事故。为此，后来建设的一些线路增加了“计点系统”，甚至还在研究“防撞系统”。信号系统有完善的运营记录功能，每天还可以绘制“运行图”，信号系统的作用就是确保列车运行安全，具备防止列车追尾和正面相撞的功能。列车相撞事故是在信号系统断电、列车在没有信号控制的情况下，由“人工”控制列车运行造成的，不知道什么原因会开发“计点系统”和“防撞系统”，难道这些系统不需要“电源”吗？系统越多，建设成本越高，故障也就越多。只要选择成熟可靠的CBTC系统，就可以不再设置“后备系统”。

3.3 抓紧进行CBTC系统的实时数据分析、预警系

统和维护保障系统的开发研究

CBTC系统已积累了10年以上的运用经验，应该说已经成熟了，CBTC系统的供应厂商也为信号设备的维护及安全运营提供了维护手段。然而，随着网络化运营规模的不断扩大，行车间隔缩短和运营时间延长导致维护保障的难度和复杂度不断增大，目前配置的信号设备维护系统已无法满足实际的维护保障和管理需求。比如：对各种监测系统的数据不能进行综合分析，对各类监测设备采集的大量数据不能进行关联分析，室外设备的监测项目不完善，采集的数据不能及时传输到维护部门，不支持采集相关专业（如车辆、屏蔽门等）的接口数据，不能实时采集车载信号设备的故障数据，等等。这些情况导致维护保障的难度和复杂度不断增大，因而对维护人员的要求越来越高。

研究一套针对城市轨道交通信号设备状态监测和智能预警的主动维护保障系统，实现设备故障自动发现并报警，将故障处理在萌芽状态，进而实现状态修的需求已变得极为迫切。

已经运营的线路，供应商应配合完善“实时数据分析功能、预警系统和维护保障系统”；新建线路应在CBTC系统内，增加一项试运营评审的内容。

3.4 制定中国版的CBTC系统建设标准

我国已是城市轨道交通选用CBTC信号系统最多的国家，当年讨论要不要采用CBTC信号系统时，一个重要的理由是：基于轨道电路的ATC信号系统，线路间不可能做到“互联互通”，而CBTC系统可以实现“互联互通”。这么多年的实践证明，要实现“互联互通”，必须采用同一个厂商的CBTC系统，并与同一种列车车辆系统配套。有的城市，正在进行两条轨道交通线路的“跨线运营”，在一条线路上运营的列车转到另外一条线路后，就立即投入运营，并实现“快、慢车”运营。“跨线运营”的前提是，这两条线路采用的时同一厂商的CBTC信号系统和相同的车辆系统。

上海轨道交通运用的CBTC系统主要选用泰雷兹公司和卡斯柯公司的设备，这两家公司都在做“自主开发”的努力，但其开发的CBTC系统的各个子系统没有统一的标准，其系统结构、功能、冗余方式都不尽相同，现有的CBTC系统不可能做到“互联互通”。将来，随着运营城市轨道交通网络的不断扩大，换乘车站的客流组织越趋复杂，线路间的“互联互通”必会提到议事日程。因此制定中国版的CBTC系统建设标准势在必行。