高速铁路的信号技术

铁路信号和综合调度技术的发展是随着近百年的铁路发展以及继电器、半导体、电子信息 技术的变化，不断的演进与发展的。几十年来，铁路信号出现了路牌、路票信号标志、信号机色灯等多种形式。随后，又出现了半自动、自动闭塞设备，ATS自动停车设备，列车控制设备ATC，列车超速防护系统ATP，以及调度监督和调度集中CTC系统等。近年来，又出现了现场总线、列车总线和通信信号共用的综合光纤安全局域网技术，也使铁路信号逐渐步入了数字和网络世界。
客运专线及高速铁路信号系统，主要是由综合调度、车站计算机联锁、列车运行控制系统等几个部分所组成。在这些系统之间，若干不同功能的局域网组成了一个完整的广域网，光纤构成的通信链路组成了具有保护功能的网络，传输着有关的信息，支撑着列车的安全运营。在客运专线及高速铁路中，运营管理和调度指挥是通过网络中传递的数据实现的，传统的话音调度指挥方式不再适应。
下面，将简要地介绍客运专线及高速铁路列车运行控制系统，车站计算机联锁系统等几个部分。

注：下面文中的客运专线及高速铁路简称为高速铁路
   


一．列车运行控制系统
在这个领域，高速铁路与普通铁路不同之处主要为：取消传统的地面信号机，采用先进的列车运行控制系统。
由于高速铁路列车运行速度较高，列车制动距离与列车制动初速的平方成正比。制动初速高，制动距离特别长。
列车制动初速（km/h）        120        240        300
列车制动距离（米）        800        3200        5000

司机靠地面信号驾驶列车有三个过程：识别信号；理解信号；按照信号要求操纵列车。如果其中任何一个环节出现错误，都可能造成列车事故。在铁路沿线设置的闭塞分区长1.5—2公里，则高速列车司机每十几秒就要辩认一次信号显示。日本、法国铁路曾做过试验，当列车速度超过200km/h时，司机识别信号的错误率会显著增加。因此高速铁路不能再靠地面信号显示驾驶列车。
传统的地面信号机显示作为指挥列车运行的凭证已不能适用，必须以列车控制系统车载设备的输出作为指挥高速列车司机安全运行的凭证，并对其列车速度、工况进行监督和控制，保障高速列车安全运行。该系统必须能够安全、可靠、连续地工作。在欧洲和日本等发达国家的铁路，行车速度超过160km/h，均以列车控制系统车载信号作为行车指挥凭证。这是高速列车系统运行必须满足的基本要求。
高速铁路采用先进的列车运行控制系统（Advanced Train Control，简称为ATC），按固定闭塞制调整列车运行间隔。ATC采用“速度-距离”模式曲线控制方式。模式曲线的产生需要三种信息：距前方列车的距离，运行线路的数据，该列车的制动性能。

采用列车运行控制系统的线路上，不设地面信号机，仅在闭塞分区分界点设界标。地面设备分别通过轨道电路和天线装置向列车发送连续式信号和点式信息。机车上装有带速度 监督的连续式车内信号装置，司机完全根据车内信号装置显示的数字式速度信号驾驶列车运行，视机车信号为主体信号。“速度-距离”模式曲线的控制方式，根据来自地面的信息和前方开通的闭塞分区求得距前方列车所占用的闭塞分区轨道电路入口端的距离，再根据该距离和车上存储的线路数据、列车及其制动性能、最高允许速度等参数，实时算出列车容许的运行速度，得出该列车在距离前行列车占用的闭塞分区后分界点的“速度-距离”模式曲线，列车运行速度不能超过该曲线所容许的速度。
模式曲线是列车运行的凭据，当列车速度超过规定的允许速度时，ATC车载设备自动施加最大常用制动。这种最大常用制动是可逆的，一旦列车速度降低到线路允许值以下时即可缓解。

采用“速度-距离”控制的模式，是世界各国高速铁路列车运行控制系统的发展趋势，这种方式最符合列车制动过程。制动模式采用固定的轨道区段施行闭塞，它根据目标距离、目标速度的方式确定列车制动曲线，不设定每个闭塞分区的速度等级，采用一次制动。这种方式以前方列车占用的闭塞分区的入口为目标点，向列车传输目标速度、目标距离等信息。目标距离列控方式更适合于高、中速列车的混合运输，列车的运行间隔主要取决于列车的制动性能，制动性能不同的列车，在运行时采用不同的运行间隔距离，有助于提高运营效率。  
根据高速铁路运营的要求，ATC系统需具备以下功能：
①接近先行列车时控制列车速度，保证列车速度之间的安全隔离；
②当列车速度超过最高允许速度时，控制列车减速；
③进、出站信号机关闭时，防止列车冒进；
④进侧线时，控制列车速度低于道岔允许速度进站；
⑤出站信号机开放时，控制列车低于道岔允许速度进入区间；
⑥根据运输需要，系统应能满足列车反方向运行；
⑦遇施工、设备故障、灾害等特殊情况及线路设置的缓行区时，控制列车速度低于线路允许速度；
⑧高速车驶入既有线时（不更换机车），应能接收既有线机车信号信息并具有基本的自动停车或超速防护功能。

ATC地面设备具备的功能：
① 检测轨道电路的状态（是否有车占用）；
② 向车载设备传送与前行列车之间的距离、运行区间线路坡道信息、线路条件（曲线、道岔），区间允许速度等；

客运专线及高速列控推荐方案
方案1：欧洲列车控制系统ETCS-2
采用GSM-R无线通信网络，实现车地间列车控制信息的双向安全传输；地面采用轨道电路完成列车占用及列车完整性检查，列车定位通过欧洲点式应答器、轨道电路和车载测距系统完成，区间设置无线列控中心管理线路上运行的车辆；车上安装安全型智能车载设备，实现目标距离连续速度控制模式；列车追踪间隔时分3min。同时以点式应答器或轨道电路构成分级速度控制模式作为备用系统。
高速列车跨线运行时，车载设备兼容既有线信号制式，实现列车超速防护（ATP）的功能。
方案优点：欧洲列车控制系统ETCS-2产品可由国际上六家知名信号厂商供货，有利于竞争招标，欧洲新建高速铁路项目已经定位于该系统，具备后续发展的技术支撑，系统的技术标准公开，易于国产化。
方案缺点：方案尚需在高速线上大量投入商业运营，兼容国内既有线信号制式需联合开发。
方案2：法国U/T&ETCS双标准系统
系统采用UM2000数字编码轨道电路提供地对车控制信息的单向安全传输，车上安装TVM430/ETCS-2双标准的智能型车载设备，既可兼容U/T系列轨道电路，实现分级连续速度控制，又可适应基于GSM-R无线传输的ETCS-2级系统，实现目标距离连续速度控制模式。
方案优点：该系统中，其U/T部分在法国高速铁路已有成熟的运用经验。
方案缺点：该方案仅法国一家供货商，技术标准不公开，且符合ETCS标准的车载设备尚在开发阶段。
方案3：日本数字ATC系统
列控系统基于I-ATC数字编码轨道电路提供地对车安全信息，应用车载设备储存信息和地面点式应答器，实现目标距离连续速度控制。
方案优点：系统为日本高速列控的先进技术，并且已经正式投入运营。
方案缺点：系统基于兼容日本既有信号制式，采用有绝缘轨道电路，技术标准不公开，与我国既有线信号制式不兼容。
根据前面介绍的速铁路在国外发展，结合中国国内CTCS发展的具体情况，我国高速铁路使用欧洲的或者法国的列车控制系统结合中国自己的轨道电路ZPW-2000的可能更适合中国国内的情况铁路信号和综合调度技术的发展是随着近百年的铁路发展以及继电器、半导体、电子信息 技术的变化，不断的演进与发展的。几十年来，铁路信号出现了路牌、路票信号标志、信号机色灯等多种形式。随后，又出现了半自动、自动闭塞设备，ATS自动停车设备，列车控制设备ATC，列车超速防护系统ATP，以及调度监督和调度集中CTC系统等。近年来，又出现了现场总线、列车总线和通信信号共用的综合光纤安全局域网技术，也使铁路信号逐渐步入了数字和网络世界。
客运专线及高速铁路信号系统，主要是由综合调度、车站计算机联锁、列车运行控制系统等几个部分所组成。在这些系统之间，若干不同功能的局域网组成了一个完整的广域网，光纤构成的通信链路组成了具有保护功能的网络，传输着有关的信息，支撑着列车的安全运营。在客运专线及高速铁路中，运营管理和调度指挥是通过网络中传递的数据实现的，传统的话音调度指挥方式不再适应。
下面，将简要地介绍客运专线及高速铁路列车运行控制系统，车站计算机联锁系统等几个部分。

注：下面文中的客运专线及高速铁路简称为高速铁路
   


一．列车运行控制系统
在这个领域，高速铁路与普通铁路不同之处主要为：取消传统的地面信号机，采用先进的列车运行控制系统。
由于高速铁路列车运行速度较高，列车制动距离与列车制动初速的平方成正比。制动初速高，制动距离特别长。
列车制动初速（km/h）        120        240        300
列车制动距离（米）        800        3200        5000

司机靠地面信号驾驶列车有三个过程：识别信号；理解信号；按照信号要求操纵列车。如果其中任何一个环节出现错误，都可能造成列车事故。在铁路沿线设置的闭塞分区长1.5—2公里，则高速列车司机每十几秒就要辩认一次信号显示。日本、法国铁路曾做过试验，当列车速度超过200km/h时，司机识别信号的错误率会显著增加。因此高速铁路不能再靠地面信号显示驾驶列车。
传统的地面信号机显示作为指挥列车运行的凭证已不能适用，必须以列车控制系统车载设备的输出作为指挥高速列车司机安全运行的凭证，并对其列车速度、工况进行监督和控制，保障高速列车安全运行。该系统必须能够安全、可靠、连续地工作。在欧洲和日本等发达国家的铁路，行车速度超过160km/h，均以列车控制系统车载信号作为行车指挥凭证。这是高速列车系统运行必须满足的基本要求。
高速铁路采用先进的列车运行控制系统（Advanced Train Control，简称为ATC），按固定闭塞制调整列车运行间隔。ATC采用“速度-距离”模式曲线控制方式。模式曲线的产生需要三种信息：距前方列车的距离，运行线路的数据，该列车的制动性能。

采用列车运行控制系统的线路上，不设地面信号机，仅在闭塞分区分界点设界标。地面设备分别通过轨道电路和天线装置向列车发送连续式信号和点式信息。机车上装有带速度 监督的连续式车内信号装置，司机完全根据车内信号装置显示的数字式速度信号驾驶列车运行，视机车信号为主体信号。“速度-距离”模式曲线的控制方式，根据来自地面的信息和前方开通的闭塞分区求得距前方列车所占用的闭塞分区轨道电路入口端的距离，再根据该距离和车上存储的线路数据、列车及其制动性能、最高允许速度等参数，实时算出列车容许的运行速度，得出该列车在距离前行列车占用的闭塞分区后分界点的“速度-距离”模式曲线，列车运行速度不能超过该曲线所容许的速度。
模式曲线是列车运行的凭据，当列车速度超过规定的允许速度时，ATC车载设备自动施加最大常用制动。这种最大常用制动是可逆的，一旦列车速度降低到线路允许值以下时即可缓解。

采用“速度-距离”控制的模式，是世界各国高速铁路列车运行控制系统的发展趋势，这种方式最符合列车制动过程。制动模式采用固定的轨道区段施行闭塞，它根据目标距离、目标速度的方式确定列车制动曲线，不设定每个闭塞分区的速度等级，采用一次制动。这种方式以前方列车占用的闭塞分区的入口为目标点，向列车传输目标速度、目标距离等信息。目标距离列控方式更适合于高、中速列车的混合运输，列车的运行间隔主要取决于列车的制动性能，制动性能不同的列车，在运行时采用不同的运行间隔距离，有助于提高运营效率。  
根据高速铁路运营的要求，ATC系统需具备以下功能：
①接近先行列车时控制列车速度，保证列车速度之间的安全隔离；
②当列车速度超过最高允许速度时，控制列车减速；
③进、出站信号机关闭时，防止列车冒进；
④进侧线时，控制列车速度低于道岔允许速度进站；
⑤出站信号机开放时，控制列车低于道岔允许速度进入区间；
⑥根据运输需要，系统应能满足列车反方向运行；
⑦遇施工、设备故障、灾害等特殊情况及线路设置的缓行区时，控制列车速度低于线路允许速度；
⑧高速车驶入既有线时（不更换机车），应能接收既有线机车信号信息并具有基本的自动停车或超速防护功能。

ATC地面设备具备的功能：
① 检测轨道电路的状态（是否有车占用）；
② 向车载设备传送与前行列车之间的距离、运行区间线路坡道信息、线路条件（曲线、道岔），区间允许速度等；

客运专线及高速列控推荐方案
方案1：欧洲列车控制系统ETCS-2
采用GSM-R无线通信网络，实现车地间列车控制信息的双向安全传输；地面采用轨道电路完成列车占用及列车完整性检查，列车定位通过欧洲点式应答器、轨道电路和车载测距系统完成，区间设置无线列控中心管理线路上运行的车辆；车上安装安全型智能车载设备，实现目标距离连续速度控制模式；列车追踪间隔时分3min。同时以点式应答器或轨道电路构成分级速度控制模式作为备用系统。
高速列车跨线运行时，车载设备兼容既有线信号制式，实现列车超速防护（ATP）的功能。
方案优点：欧洲列车控制系统ETCS-2产品可由国际上六家知名信号厂商供货，有利于竞争招标，欧洲新建高速铁路项目已经定位于该系统，具备后续发展的技术支撑，系统的技术标准公开，易于国产化。
方案缺点：方案尚需在高速线上大量投入商业运营，兼容国内既有线信号制式需联合开发。
方案2：法国U/T&ETCS双标准系统
系统采用UM2000数字编码轨道电路提供地对车控制信息的单向安全传输，车上安装TVM430/ETCS-2双标准的智能型车载设备，既可兼容U/T系列轨道电路，实现分级连续速度控制，又可适应基于GSM-R无线传输的ETCS-2级系统，实现目标距离连续速度控制模式。
方案优点：该系统中，其U/T部分在法国高速铁路已有成熟的运用经验。
方案缺点：该方案仅法国一家供货商，技术标准不公开，且符合ETCS标准的车载设备尚在开发阶段。
方案3：日本数字ATC系统
列控系统基于I-ATC数字编码轨道电路提供地对车安全信息，应用车载设备储存信息和地面点式应答器，实现目标距离连续速度控制。
方案优点：系统为日本高速列控的先进技术，并且已经正式投入运营。
方案缺点：系统基于兼容日本既有信号制式，采用有绝缘轨道电路，技术标准不公开，与我国既有线信号制式不兼容。
根据前面介绍的速铁路在国外发展，结合中国国内CTCS发展的具体情况，我国高速铁路使用欧洲的或者法国的列车控制系统结合中国自己的轨道电路ZPW-2000的可能更适合中国国内的情况