中国铁路通信信号的现状及发展
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[摘要]：本文主要针对我国高速铁路发展中通信、信号的技术现状、相关应用进行了阐述，并结合我国高铁发展的实际需求，对今后铁路通信、信号的发展方向进行了探讨与分析。其中，主要对GSM-R技术、列车运行控制系统、行车调度指挥系统、车站联锁系统的技术现状及在我国高铁项目中的应用情况进行了说明。对传统铁路通信网的系统优化、加大GSM-R技术的发展、建设综合视频监控技术平台和应急救援指挥系统、完善列控系统和调度指挥系统等相关问题提出了一些建议和想法。
Abstract: The article elaborates on the technical status and relative application of signal and communication of China’s high-speed railway development, probes into the future development trend of signal and communication. Hereinto the technical status of GSM-R, train control system, train dispatching command system (TDCS) and station interlocking system, and their application in China’s high-speed railway projects are analyzed. Besides, some suggestion and ideas are offered about system optimization of traditional railway communication net, further development of GSM-R technology, establishment of integrated video surveillance technical platform and emergency command system,and perfection of train control system and TDCS.
[关键词]Key Words：
通信技术Communication Technology
中国列控系统Chinese Train Control System
微机联锁Computer Interlocking
控制技术Control Technology
中图分类号：E965 文献标识码：A 文章编号：
自1999年中国第一条真正意义上的高速铁路秦沈客运专线建设伊始，我国的高速铁路建设已经进入了第14个年头。通过对既有铁路的提速改造和新线建设，我国目前已建成了世界上最大规模、最高运速的高速铁路网。截止目前，包括客运专线、城际铁路、提速改造铁路等时速超过200公里的高速铁路网总里程已达13,000公里。根据我国中长期铁路网规划方案，至2015年底，将会建成42条高速铁路客运专线，基本上建成以“四纵四横”为骨架的全国快速客运网，总里程将超过16,000公里，预计2020年将超过30,000公里。伴随着我国高速铁路跨越式大发展，以计算机科学为核心的信息技术也发生着根本性的变革，对铁路传统的通信信号技术产生了深刻的影响。随着网络移动通讯的发展，新的通信技术和网络技术得以实现，运用到铁路通信上将开发出低成本、大容量的铁路通信系统；计算机技术的发展也使得微机联锁逐步取代电气联锁，并通过计算机网络与通信技术相结合，将铁路信号系统中的各个子系统连接成一个有机整体。
一、我国铁路通信、信号系统的发展现状
1、铁路通信系统现状
铁路通信网络是高速铁路的神经系统，主要服务于高速铁路行车设备间，以及设备和人员、系统间的通信。铁路通信分为有线通信和无线通信，其中有线通信包含铁路电话、通信通道、数据服务。有线通信的作用主要是作为信道，利用电线或光缆来传输信号和数据，并利用通信线路把分散的通信设备连成完整、可靠的通信网，目前我国高速铁路干线主要采用光缆进行数据传输。
铁路无线通信目前在我国高速铁路中应用较多的是GSM-R（Global System for Mobile Communication-Railway）技术,是基于成熟、通用的公共移动无线通信系统GSM平台之上，专用于铁路而开发的数字式移动无线通信技术。
（1）GSM-R技术概述
GSM-R通信网络是国际铁路联盟为满足欧洲21世纪铁路网络一体化进程向欧委会推荐的欧洲铁路综合调度移动通信系统。为实现我国铁路信息化建设跨越式发展，铁道部经过综合分析，决定采用GSM-R作为我国铁路信息化建设的主流通信系统，该系统针对铁路列车控制、调度、高速移动等特点，将移动通信的组呼、群呼、优先级等功能运用到列车通信控制中，可为铁路通信提供定制功能，如：语音组呼及广播功能、位置及功能寻址、安全数据通信等。
（2）我国铁路对GSM-R技术的应用
以我国第一次使用GSM-R无线通信的青藏线为例，鉴于青藏高原地质、气候条件恶劣，若采用国内现行的基于轨道电路的列车运行控制方式，将会影响轨道电路参数，使轨道电路难以正常稳定工作，影响行车安全。而GSM-R无线机车信号系统的信息传输不受温度、海拔等环境因素影响，设备数量少可靠性高，维修量小节省人员，因此该系统是提供青藏线列车运行控制信号传输的最佳选择。目前，GSM-R已成功在我国青藏线、大秦重载、胶济线提速工程、合宁客专、武广客专、京津城际等多条线路进行了实施。
（3）GSM-R技术创新
我国在GSM-R技术的应用过程中，因地制宜、自主创新，突破了很多技术难题，比如我国目前已领先于欧洲大力开发的基于GSM-R的GPRS技术。采用GPRS分组无线数据传输方式作为一部分非安全数据信息的传输平台，达到了更有效利用频率资源的目的。GPRS数据传输的主要优势为网络频谱利用率高，常规的GSM-R系统无论是否传输数据，都需要占用一对上下行无线通道，而GPRS技术只有在发送或接收数据时才会占用无线频道资源，且一个无线通道可以同时服务多个用户，非常适合解决我国频率资源紧张，数据传输量大的实际情况。而且，GPRS技术适用于传输间断的突发数据，且可以提供更高的传输速率，最高可以达到21.4kbps，远高于传统的9.6kbps速率。目前我国大秦铁路就使用的是GPRS数据传输技术（华为提供的网络设备），在调度命令传输、机车信号传输及监控信息传输等各方面得到了充分的应用，设备运行情况良好。
2、铁路信号系统现状
传统的铁路信号主要是信号、联锁、闭塞三大功能，而目前随着我国高速铁路信号技术的迅速发展，现代铁路信号系统已由电气化设备全面转型为微机模块化和网络化设备，主要包含五部分：列车运行控制系统（CTCS）,行车调度指挥系统，车站联锁系统，区间闭塞系统，和信号微机监测系统。由于篇幅有限，本文只讨论列控系统、调度指挥系统和联锁系统。
（1）列车运行控制系统
CTCS（Chinese Train Control System）是基于欧洲ETCS的基础上，由中国铁道部组织相关专家针对适合中国国情研制的中国列车控制系统，主要包括机车信号、列车运行监控记录装置和列车运行超速防护系统，核心功能是在司机室复示地面信号机的信号，并在司机出现操作失误时对自动列车实施紧急制动，保证行车安全。列控系统根据功能要求和系统配置共分为五个等级,目前我国高速铁路主要使用的是具有我国核心自主知识产权的CTCS-2级和CTCS-3级列控系统，其中CTCS-3可满足列车运营速度350km/h，追踪间隔3分钟的要求；采用目标距离连续速度控制模式和设备制动优先技术来控制列车速度以保证行车安全。目前该列控系统已在我国动车铁路线中得到了广泛应用。
（2）行车调度指挥系统
行车调度指挥系统主要有两套核心系统：列车调度指挥系统（TDCS：Train Operation Dispatching Command System）和分散自律调度集中系统（CTC： Centralized Traffic Control System)。
TDCS是对列车运行进行直接指挥，集中控制，实时调度的现代化信息系统。在我国是将铁道部调度中心、各铁路局调度所以及覆盖全线车站的TDCS设备连接而成的一个整体网络系统。该系统的应用改变了我国在铁路调度指挥中传统的人工绘制行车图、报点及填写行车日志等作业方式，实现了以上工作的全自动化，并大幅增强了对行车计划的自动调整功能，是一套进行信息处理并实时参与过程控制的行车调度指挥控制系统。
CTC是在TDCS平台基础上建立的集调度指挥管理与控制一体的调度指挥系统。CTC的控制理念采用的是分散、自律原则：“分散”主要是指设备分散、功能分散、危险分散，即不光调度中心可以和车站间进行信息传输，各车站之间也可以互传信息。“自律”是指各车站的自律机对不同来源的控制指令进行协调，以实现系统对连锁设备的控制。CTC系统除了含有TDCS的功能外，还有自动排列列车进路、车站接发列车、车站调车作业等额外功能。
我国的行车调度指挥系统是由中国通号研究设计院自主研发设计，目前全国已实现18个铁路局联网互通，已形成了覆盖全国70条干线，5,000多个车站，50,000多公里的调度指挥网。在今后的5年内，铁道部将会加大力度解决干线以外173条支线的TDCS和CTC系统网络建设任务，实现全国全线覆盖。
（3）车站联锁系统
联锁系统主要功能是用于对车站进路的控制以保证站内行车作业的安全。我国铁路车站联锁设备经历了机械联锁（非集中联锁）到继电器集中联锁再到计算机联锁的转变。目前非集中联锁设备已逐渐被淘汰，随着信号技术的发展，计算机联锁将逐步取代继电器集中联锁。计算机联锁相对继电器联锁的优势明显，主要表现为：功能更加完善，尤其是功能扩展方面不受站场地理位置限制，只需通过增加少量硬件即可完成；信息量大，利用网络可与行车调度指挥系统、列控系统联网，交换信息，以实现整个信号系统协调工作；有自检功能，可联网远距离诊断，易于维护；体积小、功耗低，性价比高。
1989年，由中国铁道科学研究院研制的计算机联锁系统在郑州北编组站投入使用，首次应用于国家铁路。随着高速铁路的发展，我国对计算机联锁采用了引进后进行二次开发的策略，例如目前广泛使用的TYJL-ADX型，DS-K5B型，iLOCK型计算机联锁系统都是利用国外的硬件配合我国自行开发的软件，既保证系统的稳定性，又适应了我国铁路运输和联锁的具体需求。目前我国有约2,500个站场已使用计算机联锁，但由于客观原因，站场电气联锁设备改造的进程仍然较慢，尤其对列车超过160km/h的区段以及所有高速铁路车站今后几年内均应升级换代至计算机联锁。
二、我国铁路通信、信号系统的发展方向
随着我国高速铁路的跨越式发展，铁路通信信号作为高铁核心技术的重要组成部分，也迎来了高速发展的黄金时期。目前，我国铁路通信信号技术已经迈上了新的台阶，尤其是通过引进吸收国外先进技术、我国已研发出了CTCS、TDCS、CTC等一大批有自主核心技术的铁路通信、信号控制系统，在利用计算机、通信、控制技术方面取得了长足的进步。中国高速铁路的发展需求决定了铁路通信信号的发展方向，不仅对行车安全保障有了更高的标准，还要求通信信号技术能够实现高速铁路站间接发车作业和区间运行的自动化，提高通过速度与列车密度，大大增强高铁运营效率。
1、铁路通信的发展方向
（1）优化传统铁路通信网
我国中长期铁路网规划要求铁路信息化按照数字化、网络化、宽带化、综合化的原则对传统的铁路数据通信网络（包括电话网、接入网、调度通信网等）进行系统优化，推动新型通信业务在铁路中的应用。主要有以下几点：
构建一个以IP数据网为核心的信息化综合数据通信平台，在该平台中实现对干线及区段调度的联网并通，实现调度通信数字化。
增强无线通信中继设备的性能，提高可靠性；推广光纤直放技术，对无线列车调度区间内的设备实施远程监控。
统一无线列车调度系统使用频率。对长干线的列车要逐步统一，对地区间列车要制定频率规划方案，尽量避免在列车运行中司机的频率转换操作。
考虑铁路运营营销需求，面向社会提供统一号码通信接入平台，增强服务功能。
（2）大力发展GSM-R技术
目前我国铁路对GSM-R技术应用的还不够充分，如有的线路利用GSM-R技术参与列车运行控制，而有的线路仅将其作为一种进行数据传输的移动通信手段。今后我国应重点围绕客运专线建设，做好对GSM-R移动通信核心网的整体布局规划并加大沿线无线网络的建设，全面推进高速铁路无线通信设备的技术进步。
（3）建设综合视频监控技术平台
为满足安全监控需要，需要建设综合视频监控技术平台，主要应用在几点：对铁路重点线路设备的监控；对客运车站重点区域的监控；对编组站货运装载区的监控；对关键安全设备的监控。具体实施过程中需要对铁道部和各铁路局监控中心进行统一规划，调整监控网络结构，统一IP地址，目标是建成一个全铁路系统共享的视频网络平台。
（4）建设应急救援指挥通信系统
为应对突发事件及自然灾害，需要建立应急救援指挥通信系统。能够实现紧急事件现场的语言、图像传输，保证数据的及时接入和传送，并能够与防灾安全监控系统、综合视频监控系统互联，实现平时安全监控和应急通信相结合，资源共享。
2、铁路信号的发展方向
铁路信号的发展趋势是与通信、计算机及控制技术结合的越来越紧密，具体技术升级表现为由地面固定信号控制转变到列车车载设备控制，由开环控制到闭环控制，由分散控制到区段集中控制，由信号机简单控制到速度综合控制等。
（1）列控系统和调度指挥系统的发展
争取实现铁路路网之间的列控系统互通，满足对时速160-350km的列控要求，实现CTCS不同等级之间的自动转换，达到技术标准、平台基本统一，满足动车组在任何交路的跨线运行。
TDCS争取实现所有干线、支线全面覆盖，CTC计划到2020年实现繁忙干线、煤运通道基本覆盖，全线路基本建成自动化的调度指挥系统。
（2）闭塞与机车信号的发展
以ZPW-2000自动闭塞设备为基本制式，针对其可靠性和易维护性进行二次设计，逐步统一我国铁路自动闭塞制式并淘汰落后制式的闭塞设备；在加装区间检查设备的基础上，将半自动闭塞升级为自动站间闭塞。对我国目前使用的一体化机车信号车载系统设备JT-C2000型进行系统的升级换代，争取使机车信号实现全路通用。
（3）计算机联锁
计算机联锁系统要全线统一操作界面、互联网接口协议、外观形式、机柜尺寸等；进一步完善、提高我国研发的计算机联锁在故障容错、系统维护等方面的功能，力争达到国际先进水平；新线要上的计算机联锁要以3取2式或2乘2取2式为主，限制6502继电器联锁和双机热备型计算机联锁的发展。
（4）通信信号设备
新开发的通信、信号电子设备需要具备信息联网、智能诊断等功能；室外设备需要质量可靠，做到少修易修；电缆、电源要求标准统一，实现模块化设计。
总的来说，现代铁路通信、信号技术要满足我国铁路高速、重载、大密度的发展需要，在安全性、稳定性及功能性方面为铁路现代化发展提供重要支撑。随着通信技术、计算机技术、网络技术和自动控制技术的发展及其在铁路领域的应用，现代铁路通信、信号系统的功能和内涵已发生了很大的变化，铁路通信、信号系统正朝着系统化、网络化、信息化、智能化、一体化的方向发展。其中，网络和信息技术起到了桥梁和纽带的作用，将铁路通信、信号系统中的各个子系统连接在一起，构成了一个有机的整体；信息安全技术和安全通信技术起到了对信息传输的保护作用，确保了铁路通信、信号系统的安全可靠。
目前，我国铁路技术政策已经确定采用基于GSM-R无线通信传输的CTCS-3级列控系统作为高速铁路的列车运行控制系统，并建成了覆盖主干线的分散自律调度集中系统CTC对行车运行进行集中调度指挥，再加上适用于高速列车的计算机联锁系统，构成了一整套的适合我国铁路需求的现代铁路通信、信号系统。但如文中所述，我国铁路通信、信号系统的开发建设还有很大的发展空间，比如对传统通信网络进行优化并联，建立综合视频监控平台，闭塞及信号设备的升级，继续推广行车调度指挥系统的覆盖范围等。中国的铁路现代化建设还处在一个高速发展的阶段，也为铁路通信信号的发展提供了非常好的机遇，我们一定要珍惜机会，积极投身于客运专线的建设，为中国高速铁路通信、信号技术的发展做出贡献。
参考文献：
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