轨道交通信号系统发展与趋势探讨

江 明

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

轨道交通系统作为大容量公共交通工具，其安全性直接关系到广大乘客的生命财产安全，信号系统作为保证列车安全、正点、快捷、舒适、高密度不间断运行的重要技术装备，在轨道交通系统中有着举足轻重的地位，是实现轨道交通统一指挥调度、保障列车安全运行、提高运输效率的关键技术装备。随着高速铁路和城市轨道交通、城际/市域铁路技术不断发展，列车运行速度和密度不断提高，现代复杂电子系统在信号领域的更广泛应用，带来我国轨道交通信号系统技术的长足进步。

本文从轨道交通系统的特点和列车运行的需求入手展开分析，围绕安全行车这一中心，指出轨道交通信号系统对消解列车运行冲突风险所起的重要作用，结合当前技术发展阶段系统梳理了轨道交通信号系统提供的5大功能，说明信号系统是使移动装备与地面固定装备保持协调关系、防止列车超速的重要系统，并明晰铁路信号专业与交通运输其他相关专业的关系与区别。最后，针对大型路网和小型线路提出轨道交通信号系统的不同发展趋势及技术难点，并对当前一些流行的技术趋势进行探讨。

1 轨道交通系统特点分析

轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统，是一个涉及人口、环境、社会、经济等众多因素的复杂大系统。常见的轨道交通有传统铁路（国家铁路、城际铁路和市域铁路）、地铁、轻轨、有轨电车、磁悬浮轨道系统、单轨系统和旅客自动捷运系统等。轨道交通普遍具有运量大、速度快、班次密、安全舒适、准点率高、全天候、运费低和节能环保等优点，但同时常伴随着较高的前期投资、技术要求和维护成本。

列车运行是一个多专业、多工种配合工作，围绕安全行车这一中心而组成的有序联动、时效性极强的系统。为保证列车运行安全、正点，轨道交通在运输组织上要实行集中调度、统一指挥、按运行图行车。为实现在有限的特定轨道上尽可能多地完成人员和货物的位移，需要尽可能地避免发生列车运行冲突，即避免列车因同时使用某一技术设备、运行时刻或列车偏离运行计划而产生的相互制约作用。特别需要指出的是，列车运行冲突如果未被及时合理地消解，则将发展为“冲撞”[1]。

通常情况下轨道交通行车组织实施的是无冲突运行图，这是由于轨道交通列车运行图编制已考虑了各类约束。在正常的运输生产活动中，按照既定计划和行车组织方法开展运输生产活动，即可安全有序地完成运输生产任务。然而在实际运输生产过程中可能会遭遇一些非正常情况，由于运输相关的各种技术设备故障、自然灾害、事故灾难、公共卫生事件或社会安全事件等不确定性因素的干扰影响，导致铁路运输不能按照既定组织方法和既定工作计划组织运输生产，列车运行时间将围绕着运行图作随机波动。当行车过程中受到的随机干扰较大，超过列车运行图的列车运行调整弹性范围，就将导致列车运行冲突发生，该运行冲突风险的存在将会大大提升发生事故的可能性。

轨道交通行车调度的主要任务，是对造成列车运行冲突的影响因素进行分析和控制，实现风险的消解。列车运行冲突风险来源于不确定性，而不确定性源自于信息的匮乏。列车运行是一个全局优化问题，行车调度必须掌握全局的、全时段的而非若干孤立的信息，持续监控每一列车的运行状态。信号系统正是为了实现上述目标、用于消解列车运行冲突风险的专用系统。该系统按照调度员的意图，按计划切换运行方向、动作道岔，安全可靠地生成行车凭证（长度足以满足列车运行的需要），并将行车凭证以司机能够正确理解的方式安全可靠地传递给司机，指导或辅助司机安全驾驶，避免列车发生超速或冲突的事故。通过上述方式，信号系统将列车群的行车风险降到最低，实现保障列车安全运行，提高运输效率的目标。与轨道交通运输组织集中调度、统一指挥的要求类似，信号系统必须掌握列车运行的全局信息而非局部信息，并且能够实现对列车群的集中管理、统一控制，否则列车运行冲突的风险将大为增加。

2 轨道交通信号系统发展过程及功能变迁

2.1 信号系统发展过程

轨道交通信号专业是故障-安全的信息化，经历了机械、电气、电子以及计算机应用等发展阶段，从人工控制、设备控制向信息控制为主体的方向发展。车站信号、区间信号和列车运行控制技术的一体化，通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术的应用，使现代轨道交通信号系统不再是各种传统的机械、电子类信号设备的简单组合，而是一个包含列车追踪、安全防护、速度控制等功能完善、层次分明、基于计算机处理技术的复杂控制系统。从而打破了铁路信号功能单一、控制分散、相对独立的传统理念，发展成集信号指示、列车运行控制、调度集中、数据通信等多项功能为一体，软件与硬件紧密结合的大型安全相关系统，具有网络化和系统化的技术特点，且系统功能复杂多样。

2.2 信号系统主要功能

经过一百多年的发展，铁路信号已经从最初阶段提供“视力”的传统信号逐步演变成为一套用于消解列车运行冲突风险的专用工业控制系统，是使移动装备与地面固定装备保持协调关系、防止列车超速的重要系统。随着信号系统不断发展，其功能也在不断扩展完善。从当前的技术发展阶段来看，信号系统具有保障行车安全、提高运输效率、提升运营管理水平、改善工作人员劳动条件、降低运行能耗等5大功能。

信号系统是保障行车安全的关键系统设备。保障行车安全是铁路信号能够成为一个独立学科的基础，是信号系统的核心功能。信号系统最初仅仅提供信号指示功能，但随着其技术发展，信号系统越来越多地承担了从其他专业转移而来、涉及行车安全和乘客安全的安全功能。以中国铁路使用的信号系统为例，既有线的信号系统是以地面信号显示作为行车凭证，机车信号和LKJ设备为司机提供辅助行车信号，信号系统仅承担道岔和信号机控制、自动停车防冒进等安全功能，其他功能由调度员和司机承担安全责任；高速铁路信号系统在信号指示的基础上提供连续的速度防护，能够有效防范列车超速和列车相撞等安全事故；高速铁路自动驾驶系统在高速铁路信号系统的基础上，又增加车门开关和加减速的相关处理，更多地承担了乘客安全相关的安全功能。

信号系统是提高运输效率的关键系统设备，从支持更高的行车速度和更高的行车密度两个方面不断提升运能。近二十余年来，我国轨道交通闭塞方式从半自动站间闭塞、自动站间闭塞、固定闭塞发展到准移动闭塞、虚拟闭塞、移动闭塞，列车最小追踪间隔从十几分钟缩短到高铁3 min、地铁90 s；从三显示/四显示、机车信号、列车运行监控记录装置到CTCS列控系统，信号系统支持的列车最高运行速度从120 km/h提高到350 km/h；从ATP安全防护、ATO自动驾驶到FAO全自动驾驶，确保列车运行准点率，更好满足运营要求。

信号系统是实现行车指挥和列车运行现代化的关键系统设备，对提升运营管理水平起到重要作用。从继电联锁到计算机联锁，从地车单向通信到车地双向通信，各种分散的信号设备联成整体网络化结构，信号系统能够实现行车各种信息的采集、传输、处理、再生和管理，调度指挥系统能够获得的信息越来越丰富，有效提高各个层次的辅助决策手段；从人工调度到计划自动执行，从人工驾驶到全自动驾驶，行车指挥手段越来越智能化，能够充分发挥信号系统的整体综合效能，有效提升了运营管理水平。

信号系统是改善工作人员劳动条件的关键系统设备。信号系统的主要作用是为行车人员提供消解列车运行冲突风险的技术手段，信号系统的每一次技术革新，都为行车人员提供了更多自动化、智能化的手段，改善了行车人员的劳动条件。联锁系统的推出，实现进路办理的自动化，减轻了车站值班员的劳动强度；调度指挥信息管理系统（TDCS）和调度集中系统（CTC）的推出，实现列车的自动追踪和进路的自动触发，减轻了列车调度员的劳动强度；自动驾驶系统（CTCS2+ATO、CTCS3+ATO、FAO CBTC）的推出，实现列车驾驶的自动化，减轻了司机的劳动强度；编组站综合自动化系统的推出，实现列车编组的自动化，减轻了编组站工作人员的劳动强度。

随着自动驾驶技术发展，信号系统为轨道交通系统的节能降耗做出了新的贡献。在电气化铁路区段，如何有效地减少轨道交通行业的运营能耗，降低运输成本，是轨道交通运营公司十分关注的一项课题。根据线路条件优化完善自动驾驶策略，降低列车牵引能耗，能够有效降低轨道交通运营能耗。

2.3 铁路信号与其他专业的关系与区别

铁路运输相关专业主要包括工务工程、电气化、通信信号、机车车辆、运输管理等。各专业均依托特定的技术手段，结合铁路的特点而形成，是应用性极强的综合性学科。各专业的关键技术不同、关注点亦不同。工务工程、电气化、机车车辆等专业装备提供列车运行所需的基本条件，主要目的是让列车群运行起来，完全不考虑列车冲突的风险及风险的消解。运输管理专业主要考虑列车运行冲突风险的消解，以安全高效地完成运输生产活动，其主要技术手段就是铁路信号专业提供的系统和装备。为避免列车运行冲突，轨道交通运营对信号系统提出了高安全性、高可靠性要求，故障不能导向危险侧，故障影响范围要尽可能小，不能影响全局。事实上，铁路信号系统广泛采用故障-安全技术，80%以上功能都是在处理各种故障，消解运行冲突风险。

铁路信号专业与其他专业相比有一个非常显著的特点，即信号系统是为每条线路、每个车站单独定制的。由于移动装备与地面固定装备之间缺乏直接的信息交流，移动设备无法与地面固定装备直接进行匹配，其结果就是移动装备无法知晓自己能跑多远能跑多快。信号系统需要承担车地之间的联系，使得移动装备与地面固定装备保持协调关系，确保列车安全运行。为实现上述协调作用，导致信号设备每个车站、每条线路、每个调度台的软件都不同，而且信号设备的应用软件与线路/配置数据高度耦合，系统的安全性既依赖于应用软件，也依赖于线路/配置数据（如坡度、线路限速、临时限速、车站股道、道岔位置、区段长度等）。例如，某个区段固定限速200 km/h，如果数据配置错误，列车可能超速行驶通过该区段，造成列车脱轨。实际上，信号设备因为数据错误造成的事故远多于软件错误造成的事故。对数据的管理，是信号系统需要重点考虑的一个非常重要方面，目前采用大量测试的方式来保证数据的准确性和安全性。

此外，正如2.2节所述，信号系统具有遍布中心、车站、轨旁和车上的完整传感信息，且已形成一个整体的网络化结构，能够为其他专业提供信息，实现行车各种信息的采集、传输、处理、再生和管理。相关专业通过合理利用这些信息，将有效提高各个层次的辅助决策手段，提供更多自动化的技术手段，进一步改善工作人员的劳动条件。

3 轨道交通信号系统发展趋势及技术难点

轨道交通信号系统下一步发展趋势一直是理论界和工业界都很关心的问题，很多学者对其进行多方位的探讨，并且提出了很多新颖的想法[2-5]。

不同形式的轨道交通系统运行模式不同，比较典型的有两类。一类以我国高速铁路为代表，要求能够支持数万公里线路、数万列车的路网级运营，有强烈的互联互通需求，以下简称高铁信号系统；另一类以普通地铁为代表，要求能够支持数十公里线路、数十列车的线路级运营，以下简称地铁信号系统。其他制式信号系统可视作上述两种系统的某种组合。由于系统需求不同，高铁信号系统和地铁信号系统的发展趋势存在较大的差异，以下分别讨论。

3.1 高铁信号系统

伴随着新时代人们对高铁出行的青睐，高铁运营对信号系统的5大功能提出更高的要求。现有信号系统因其技术特点，在适应新需求方面遇到一些难以克服的瓶颈问题，包括无法适应500 km/h以上高速运营的需求，运输效率进一步提升的空间有限，维护成本居高不下，智能化程度有待提高。针对上述问题，需要结合近年来城市轨道交通列控系统、北斗卫星导航系统和宽带通信技术等领域的技术突破，攻克以考虑前行列车位置与速度的移动闭塞、地面集中控制的定制化和精细化运行控制、高速列车智能驾驶、基于北斗的高安全高精度列车定位、高可信实时宽带无线通信为代表的关键技术，研制新型高速铁路信号系统，以更好地满足新时代下的新需求。

为进一步提高运输效率，新型高铁信号系统可采用考虑前行列车位置与速度的移动闭塞。当列车速度较高时，由于行车许可长度远大于闭塞分区的长度，仅考虑前行列车位置的移动闭塞与固定闭塞相比提升效率的效果不明显[6]。而基于前行列车位置与速度的移动闭塞将大大缩小列车运行间隔，显著提高运输效率，但需要引入全新的安全理念，对列车动态间隔控制建立完备的智能控制模型，提出保证安全前提下的稳定、可靠的间隔控制算法。

为了降低维护成本，提高控车精度和系统的安全性，新型高铁信号系统应采用基于虚拟化设备、人工智能和大数据分析等技术手段实现的智能化地面集中控制模式，实现对每列车的定制化和精细化运行控制。在此模式下，由地面中心设备承担复杂的智能化安全计算功能，地面轨旁设备和车载设备仅承担采集、执行及安全校核功能。也有研究人员提出另一种技术趋势，采用车车通信分散控制方式替代地面集中控制方式。但这种模式下，由于不再有地面安全设备来统一管理列车运行相关的全局信息，需要进一步克服与既有路网互联互通、设备故障情况下的运营组织、改方和道岔操作的安全措施等技术难题，在短期内较难实现。

高速列车智能驾驶技术以安全和效率提升为目标，以替代司机操控列车为手段，控制高速列车按照运行计划在线路上运营。实现更高自动化等级的高速列车智能驾驶，能够进一步提高运输能力、降低运行能耗，但需要攻克人员及车上设备状态等大量的状态感知和状态检测问题[7]。

基于北斗的高安全高精度列车定位、高可信实时宽带无线通信在相关文献中讨论较多，本文不再赘述。

3.2 地铁信号系统

与高铁信号系统相比，地铁信号系统在采用先进技术方面步伐更快，已实现互联互通、移动闭塞和全自动驾驶功能，LTE-M系统已获得成功应用。由于地铁一般都在隧道中，北斗卫星信号覆盖差，因此暂不考虑卫星定位技术的应用。

由于单线地铁线路情况比较简单，中间站道岔较少，全套设备一般由一个厂商提供，可以考虑基于车车通信的分散控制方式，将列控联锁功能集成至车载，应用在作业较简单、站场规模较小、维修条件差的线路。

为了进一步提高运输效率，地铁信号系统可采用考虑前行列车位置与速度的移动闭塞（详见3.1节）和虚拟连挂技术[8]。

4 总结

轨道交通信号系统是轨道交通系统中为保证行、调车作业安全，提高车站、区间通过能力及列车解编能力，提升综合指挥调度及运营管理水平，改善作业人员劳动条件，降低运行能耗的技术设备的总称，是一套用于消解列车运行冲突风险的专用工业控制系统，是使移动装备与地面固定装备保持协调关系、防止列车超速的重要系统。本文分析了轨道交通系统列车运行的特点和需求，讨论了信号系统的发展过程、主要功能以及铁路信号与其他专业的关系与区别，在此基础上，针对大型路网和小型线路提出轨道交通信号系统的不同发展趋势及技术难点，并对当前一些流行的技术趋势进行了探讨。