浅谈中国地铁信号系统发展.doc

1、浅谈中国地铁信号系统发展摘要：近年来随着我国城市的快速发展，交通问题日益严重，为了解决交通及环境各方面问题，地铁也呈现井喷式发展。而地铁信号系统作为地铁安全保障与高效运行的基础，其重要性日益凸显。 关键词：地铁；信号系统；CBTC 中图分类号：U231+.7 文献标识码： A 前言：我国地铁从无到有，信号系统也从最早的基于轨道电路的信号系统，发展到现在国际领先的基于“基于通信的列车自动控制系统”（Communication Based Train Control，简称 CBTC） ，经历了三代人，近 40 年的基础研究，10 年公关终于圆梦。我国早在 1969 年最先提出了CBTC 理论，虽然

2、中间几经曲折，我们落后于人，但最终通过不懈努力，十年攻关路，三载下海人。我们迎头赶上，成为了世界第四个自主研发CBTC 系统，掌握其核心技术的国家。 1 我国地铁信号系统发展历史 50 多年的地铁发展历史大致有三个阶段，而我们地铁信号系统基于传输系统不同也分为 3 个阶段。通过历史，让我们一步步揭开地铁信号发展的历程。 1.1 我国地铁发展历史 中国地铁产业半个世纪的发展历程，大致上可分为三个阶段。第一阶段，1956 年至上世纪 80 年代，1956 年北京地铁就在领袖人物的政治考虑和革命豪情之下应运而生，成为我国第一条地铁线路，承担的主要是“战备为主，兼顾交通”作用。1984 年天津地铁运营

3、，成为我国第二条地铁线路。这个阶段我国的地铁还只是政治考虑的战备产物，所以发展缓慢。第二阶段，由上个世纪 90 年代初至 20 世纪末，大型城市广州和上海改革开放以来，随着各地经济的高速发展与人口、机动车的急剧增长，大塞车等交通现象严重影响着城市发展。大城市开始考虑并实施地铁项目以缓解交通压力。此时的地铁是以“交通为主，兼顾战备”的功能修建，以培养人才，学习先进技术为目的。第三阶段 21 世纪至现在，随着我国经济的告诉发展，城市规模扩大。继上海和广州之后， “地铁热”升温，中国 34 个人口数量过 100 万的城市中，有 20 个城市提出修建地铁的计划。多个城市修建并开通了地铁。多年来我国的地

4、铁建设取得了相当不错的成绩，在缓解城市交通压力方面发挥了巨大的作用。 1.2 我国地铁信号系统发展历程 1956 年开始修建北京地铁，也是我国第一条地铁线路。由于当年科技发展局限，铁路的技术都还不是很完善，更不要说是地铁了。所以当时采用的是继电半自动闭塞方式，使用道岔及信号机及继电式集中联锁。直到 90 年开工的上海地铁一号线，使用卡斯科公司基于普通音频轨道电路的固定闭塞和 ATC 列车自动控制系统（技术由外方母公司美国 GRS 现为 ALSTOM 提供） ，与国内 6502 电气集中联锁配合使用。首次使用了国际领先的 ATC 列车自动控制系统，具有自动防护与自动驾驶功能，使最短发车时间缩短到

5、 100 秒，系统集成的 ATS 列车自动监控系统，起到集中调度与列车监控的功能，极大的提高了地铁大安全性和效率。2008 年 6月 15 日，由中国通号合资企业卡斯柯信号有限公司提供的，集成了 ATC列车自动监控、计算机联锁等核心子系统的网络化 CBTC(基于无线通信的移动闭塞)列车控制系统在北京地铁 2 号线成功开通，成为国内地铁第一套正式开通的 CBTC 信号系统。地铁信号随世界大流一起迈入了真正的自动化信息化时代。 1.3 不为人知的地铁信号发展史 我国第一条地铁，在中国完全无技术人才的情况下，由苏联专家提供技术基础，之后专家撤离，由我国专家研究实践完成，由于当时的国情和技术原因，建成

6、后并未实际参与交通运输。直到 1971 年，第一条地铁开始分段逐级对市民开放，正式投入公交运营。可是经常故障不得不停运。经过 10 年的刻苦攻关，地铁技术人员对地铁的供电系统反复试验，1981 年通过专家鉴定。地铁一期工程终于经国家批准正式验收，投入运营。我们踏入地铁门槛花了 20 多年。之后的天津地铁既有线,使用了由 Adtranz 公司的调度监控系统 (Ebiscreen)、计算机联锁系统 (Ebilock950 )和北京大成公司的移频轨道电路、机车信号系统。但是由于线路短只有 7.4 公里，加上技术不成熟存在安全隐患，无法吸引客流，最终停运改造。 正式进入地铁实用的是上海地铁和广州地铁。

7、上海地铁采用的是卡斯科公司引进美国 GRS 公司的 ATC 系统，联锁设备是国产的 6502，使用无绝缘移频轨道电路固定自动闭塞。而广州地铁一号线除设备中的道岔、信号机外,其余全部引进德国西门子公司的设备。包括微机联锁系统、ATC、FTGS 无绝缘移频轨道电路及 UPS 电源系统。这个时期最大的特色是，轨道电路进入无绝缘移频轨道电路（准移动闭塞）时代，通过机车信号系统，完成了车地单向通信。高度集成的计算机联锁技术发展完善。ATC列车自动控制系统的出现，集列车调度，监控，防护，自动驾驶功能于一身，极大提高了系统集成度和安全性。可是最大的弱点就是所有技术都是外国进口，我国完全没有技术支持，只能做简

8、单的维护工作。高昂的设备费用和维护费用让我国地铁目光开始转向研制自主知识产权的地铁信号系统。 2008 年我国第一条 CBTC 线路，北京二号线运营，我们正式进入移动闭塞时代，但是这并不值得我们太过高兴，因为提供信号设备的卡斯科公司是合资公司，信号技术依然是依赖于母公司 ALSTOM。直到 2010 年12 月 30 日，北京地铁亦庄线、昌平线开通运营，由北京交通大学组织研发的 CBTC 即基于通信的列车控制系统成功通过劳氏铁路国际认证。我国掌握了 CBTC 的 ATP/ATO 核心技术。2012 年 1 月 18 日，由浙大网新 CBTC系统，6 个核心产品同时获得劳氏铁路（亚洲）的安全论证

9、，成为国内自主研发 CBTC 系统中唯一一家拥有完整的、全系列的信号系统核心产品独立第三方安全论证的公司。至此正真做到了整个系统的自主知识产权。 2 当代主流地铁信号系统介绍 目前运用最广泛的卡斯科信号公司的基于通信的列车控制系统（CBTC 系统） ，基于安全的计算机联锁子系统及无线车地双向通信的 DCS通信子系统和 ATC 列车自动控制子系统，对列车实施调度、防护、操纵，多个子系统通过计算机网络连接，实现系统的网络化信息化。本文主要向读者介绍比较新的信号设备，传统设备只做简介。 2.1 信号基础设备 信号机、道岔转辙装置、轨道电路、信号电源设备使用传统设备。 计轴设备：利用安装在钢轨上的磁头

10、监督列车轮对的经过数，通过比较列车经过的两个磁头的轮对数数量，判断列车是否占用或出清线路。在监督列车的占用与出清的作用上，计轴可以取代轨道电路。 2.2 信号联锁设备 使用计算机联锁设备,用电子逻辑电路取代继电逻辑电路而实现联锁关系。室内设备主要有控制台（或上位机） 、联锁机（或下位机） 、电务维修机、继电器组合及组合架、分线盘和电源屏等；室外设备主要有色灯信号机、电动转辙机、轨道电路（或计轴设备）及电缆线等。联锁设备接收来自 ATS 或行车值班员的进路命令，进行联锁逻辑运算，控制道岔转换到规定位置并开放信号，并将进路、轨道电路、道岔和信号机的状态提供给 ATS 和 ATP/ATO。 2.3

11、地车信息传输 连续式传输信息方式：连续不间断地将地面信息（如列车间隔、目标点位置、线路允许速度、列车允许速度等）及时向 ATC 车载设备传输、同时 ATC 车载设备将列车信息（列车精确位置、实时速度、运行模式、信号车载设备状态等）及时向地面 ATP/ATO 轨旁设备、ATS 设备传输。传输方式有轨道电路传输、交叉感应环线传输和无线通信传输三种。随着通信技术的不断发展和完善，目前在轨道交通中，轨道电路传输方式、交叉感应环线传输方式逐渐被无线通信传输方式所取代。无线通信传输方式是基于 IEEE802.11 无线通信技术，采用 2.4GHz 频段，按照传输媒体的不同有无线 AP 传输、漏缆传输、波导

12、管传输。 点式传输信息方式：点式传输信息方式只能在闭塞区段内的若干点设置应答器（信标） 、环线或感应器，当列车通过这些感应点时，应答器等设备将地面信息传输到车上。当地面信息发生变化时，列车只能经过下一个感应点时才能得到信息，即时性稍差。现在普遍采用连续传输，当连续传输故障时，使用点式传输作为后备模式。 2.4 列车运行自动控制系统（Automatic Train Control System ,简称 ATC 系统） 根据城市轨道交通系统客流量大、行车密度高的特点，既要保证列车运行安全可靠，又要尽量缩短行车间隔时间，利于提高轨道交通线路的运输能力，列车运行自动控制系统能较好地实现上述目的。ATC

13、 系统主要有基于数字轨道电路和基于通信的 ATC 系统两类，目前国内主流系统是基于通信的 ATC 系统，该系统不依靠轨道电路检测列车位置和向车载设备传输信息，而是利用车-地双向通信技术实现列控命令的传送和列车定位及识别。CBTC 系统通过车-地间连续、双向、高速、可靠的数据传输，保证列车定位的高分辨率，提高列车控制命令的更新频率，保证列车运营的安全间隔和提高线路的通过能力，并能实现移动闭塞功能。 ATC 系统包括三个子系统：列车自动监控（Automatic Train Supervision，简称 ATS） 、列车自动防护（Automatic TrainProtection，简称 ATP） 、

14、列车自动驾驶（Automatic Train Operation，简称 ATO） ATS 子系统由中央级设备、车站级设备构成。中央级设备由数据库服务器、应用服务器、通信服务器、调度台终端、时刻表编辑终端、ATS 维护终端构成。车站级设备由 ATS 车站分机、ATS 车站值班员终端、ATS 运行图显示终端、发车计时器构成。主要完成功能：监控信号设备状态、列车运行状态、安全门状态；显示列车运行图、调整列车运行图；根据运行图、设备状态和列车状态，指挥列车运行。 ATP 子系统由 ATP 轨旁设备和 ATP 车载设备构成。ATP 轨旁设备设备包括：ZC（区域控制器） 、LC（线路控制器） 、LEU（轨

15、旁电子单元，也称欧式编码器） 、有源应答器、无源应答器。应答器也称信标。ATP 车载设备包括：车载控制器、信号显示器（DMI） 、测速设备、网络设备、无线通信设备及线缆。主要功能：列车精确定位功能；根据线路状态、道岔位置、前行列车位置等条件，实现列车速度控制，防止列车超速。 ATO 子系统从硬件上看，ATP/ATO 系统是一个整体，无明显的硬件划分。主要功能：自动驾驶；车门管理；精确停车。 2.5 集中监测子系统 集中监测子系统由中央级设备、车站级设备构成。中央级设备由应用服务器、交换机、监测终端、网管终端构成。车站级设备由监测站机、采集机柜及传感器、电缆绝缘测试组合、监测终端构成。子系统对整

16、个信号系统所有设备（包括电源设备）的工作状态和基础信号设备的模拟量电气性能指标进行在线监测和集中报警；收集、显示包括ATS、ATP/ATO、联锁等子系统设备的状态和报警信息。 2.6 信号系统运行模式 由于信号系统贯穿整条轨道交通线路且信号设备都是冗余的，若单一设备出现故障，只会影响到一列车或一个站的信号设备运行模式的改变，不会影响整条线路的运行模式的改变。当信号系统中 ATC 中央设备或 ATC 轨旁室内设备故障时，将影响整条线路的运行模式。 正常运行模式:信号系统正常运行模式是指：在所有子系统都能够与其他系统进行正常通信，并能以全能力和全功能进行运行的最优情况。 降级运行模式:降级运行模式

17、有两种,点式 ATP/ATO 运行模式、联锁运行模式。当 CBTC 模式出现故障时，信号系统先降级到点式 ATP/ATO 运行模式下运行（后备模式） ；当点式 ATP/ATO 运行模式出现故障时，信号系统降级到联锁运行模式下运行。点式 ATP/ATO 运行模式：当轨旁ATP/ATO 功能丢失或车-地无线传输故障时，信号系统降级成点式ATP/ATO 运行模式。在该模式下，列车仍然在 ATS 监控之下；能实现自动闭塞，自动闭塞的区间是一个计轴闭塞区段；列车由人工驾驶，列车的运行安全由 ATP 保证；车地间的信息传输由有源应答器实现（有源应答器安装在信号机的内方） ，当列车经过有源应答器时才能获得到

18、下一个信号机前的列车允许速度。联锁运行模式：在连续式 ATP/ATO 功能和点式 ATP/ATO 功能均丧失时，信号系统降级为联锁运行模式，以地面信号机作为行车凭证。列车采用限制人工驾驶模式或非限制人工驾驶模式驾驶，司机根据地面信号机的显示行车。列车的运行安全由调度员、司机和联锁系统共同保证。 2.7 主流信号系统类型及特点 信号系统的类型可按照车地信息传输方式不同来分，有基于轨道电路的连续式列车控制信号系统和基于通信的连续式列车控制信号系统两种类型；也可按信号系统集成商的不同来分，有阿尔斯通的 URBALIS888型、泰雷兹的 SelTrac 型、西门子的 Trainguard MT 型、北

19、京交控的LCF-300 型。我们按车地信息传输方式不同来分类的信号系统并做简单对比。 基于轨道电路的连续式列车控制方式：就速度控制方式又分连续式速度-距离控制模式和分级式速度控制模式两种。连续式速度-距离控制模式采用了“可走行距离速度控制”原理（准移动闭塞原理） ，而分级式速度控制模式采用了“阶梯式速度控制”原理（固定闭塞原理） 。连续式速度-距离控制模式可以提高线路利用率，缩短追踪列车之间的最小安全行车及正常行车间隔，可提高行车密度及列车运行的平稳度，降低司机操作的复杂度。准移动闭塞原理的列控系统，主要以轨道电路作为列车检测的手段，以钢轨作为车-地信息传输的媒介，能实现连续有限的地对车单向通

20、信，但不能实现连续的车对地信息传输，轨旁和中央 ATS 系统无法连续、实时地获得列车及车载 ATC 设备的状态信息。另外，轨道电路容易受电化牵引回流干扰，轨旁设备较多，维护工作量较大。基于轨道电路的连续式列车控制方式在我国的国铁客运专线、长春轻轨、北京地铁、广州地铁、上海地铁等均已采用。 基于通信的连续式列车控制方式：属于移动闭塞原理的列控系统，该制式 ATC 系统已经在国内外城市轨道交通实际应用。其主要主要技术特点是：具有较高的列车定位分辨率；可实现车地间连续、双向、高速、大容量的数据通信及实时跟随的速度控制；系统通过准确定位，实时更新列车的移动授权，列车最小追踪运行间隔根据前后列车位置动态

21、确定，从而提供更大的线路通过能力。近年来，随着国内外城市轨道交通的大量应用，该制式 ATC 系统已逐步成熟。到目前为止，已有北京地铁 2 号线和机场线（裂缝波导管） 、北京 10 号线和广州 4、5 号线（无线天线） 、广州 3 号线和武汉轻轨（感应环线）等多条采用基于通信的移动闭塞列车自动控制系统的国内地铁线开通运营。 两种信号系统类型的列车控制方式比较 项目 基于轨道电路的列车控制方式 基于通信的连续式列车控制方式 感应环线方式 无线通信方式 系统构成特点 采用报文式无绝缘轨道电路，列车位置检测和 ATP 信息传输纳入一套设备完成 采用漏缆、感应环、波导、无线电台及天线、地面定位设备等方式实现列车精确定位和大信息量车地双向传输，一般采用轨道电路或计轴等作为系统降级控制时的列车检测设备 列车控制模式 采用跳跃式速度距离模式曲线控制方式 采用实时速度距离模式曲线控制方式