陳斌

（沿海鐵路浙江有限公司 工程管理部，浙江寧波 315000）

1 鐵路信號系統(tǒng)發(fā)展

鐵路信號系統(tǒng)是保證行車、調(diào)車作業(yè)安全，提高列車在車站、區(qū)間通過及貨車編組能力，改善行車及調(diào)車人員勞動條件的技術(shù)設(shè)備的總稱。鐵路信號是保證行車安全、提高運輸效率、提升運營管理的重要裝備。隨著通信技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路信號設(shè)備設(shè)施的軟硬件配置都有了大幅提升。在整個鐵路系統(tǒng)中，鐵路信號已由傳統(tǒng)的“火車眼睛”變成“運行安全中樞神經(jīng)”，在行車安全方面發(fā)揮著越來越重要的作用，其發(fā)展水平已成為鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

我國鐵路信號系統(tǒng)發(fā)展可分為地面人工信號、地面自動信號、機(jī)車信號、自動停車和超速防護(hù)5個階段。自2008年以來，隨著客貨共線、高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，信號技術(shù)得到迅猛發(fā)展，CTCS-2和CTCS-3級列控系統(tǒng)已持續(xù)廣泛應(yīng)用，車載設(shè)備實時收集地面相關(guān)數(shù)據(jù)并計算動態(tài)速度曲線，監(jiān)控及控制列車安全運行。

2017年，裝備列車自動運行系統(tǒng)（ATO）的CRH6A型動車組在珠三角城際鐵路正式運營；2019年，我國首條智能化高鐵——京張高鐵開通運營，標(biāo)志著自動駕駛及無人駕駛的時代已經(jīng)到來，也預(yù)示著鐵路信號技術(shù)發(fā)展的下一步必然是智能鐵路信號系統(tǒng)。

2 鐵路信號系統(tǒng)安全理念概述

鐵路信號作為保障行車安全的關(guān)鍵設(shè)備，安全性是其最重要的特性，因此“故障導(dǎo)向安全”原則是鐵路信號系統(tǒng)設(shè)計必須遵守的底線和基本原則。

隨著技術(shù)的發(fā)展和運輸需求的變化，鐵路信號的安全理念也在發(fā)生著變化。普速鐵路由于信號系統(tǒng)構(gòu)成簡單，列車運行速度不高，系統(tǒng)工作主要以電氣電路為主，因此，其信號安全可明確定義為導(dǎo)向列車停止運行的狀態(tài)。高速鐵路裝備CTCS-2和CTCS-3級列控系統(tǒng)，信號系統(tǒng)工作呈軟件化、網(wǎng)絡(luò)化特點，系統(tǒng)設(shè)備間接口多，其信號安全較難確定，有的繼承普速鐵路導(dǎo)向列車停止運行的狀態(tài)，有的則是防止列車超速運行，突出速度控制，較普速鐵路的安全理念得到進(jìn)一步發(fā)展。

3 普速鐵路信號系統(tǒng)安全理念實現(xiàn)

普速鐵路信號系統(tǒng)構(gòu)成簡單，其中涉及行車安全的只有聯(lián)鎖和閉塞2個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)間接口單一，因此對普速鐵路而言，信號系統(tǒng)的“故障導(dǎo)向安全”原則相對容易實現(xiàn)。普速鐵路列車行車是以地面信號顯示作為憑證，信號的安全狀態(tài)是指地面信號關(guān)閉或降級顯示。結(jié)合地面信號顯示與軌道電路、進(jìn)路、閉塞間的關(guān)系，普速鐵路信號的安全狀態(tài)可進(jìn)一步分解為：

（1）信號顯示。站內(nèi)地面信號機(jī)故障，信號機(jī)應(yīng)關(guān)閉顯示；區(qū)間通過信號機(jī)故障，除綠黃可能降級為黃顯示外，其余均予以關(guān)閉顯示。

（2）區(qū)間閉塞系統(tǒng)。當(dāng)區(qū)間閉塞系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時，允許表示區(qū)間有車占用狀態(tài)的信息輸出，但不能再向區(qū)間發(fā)車。

（3）進(jìn)路鎖閉電路。車站進(jìn)路鎖閉電路故障時，應(yīng)處于鎖閉狀態(tài)，不允許道岔轉(zhuǎn)換。

（4）軌道電路。軌道電路設(shè)備故障時，應(yīng)給出表示列車占用軌道電路的信息輸出，不允許該區(qū)段再有列車駛?cè)搿?/p>

3.1 繼電邏輯電路安全

電氣集中聯(lián)鎖及閉塞是利用繼電器搭建的電路，常見故障主要分為2類：一類是斷線故障；另一類是混線故障，為實現(xiàn)電路的“故障導(dǎo)向安全”，主要采取以下2點措施：

（1）混線故障防護(hù)。電氣電路及電纜發(fā)生混線故障時，可能導(dǎo)致繼電器錯誤吸起而導(dǎo)向危險側(cè)，因此電路設(shè)計應(yīng)考慮混線的因素。室內(nèi)電路中應(yīng)盡量減少共用繼電器接點，簡化同一繼電器接點的功能。為此，TB 10007—2017《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》[1]第6.4.3條專門作出相應(yīng)規(guī)定；對于室外電路，混線防護(hù)主要采取位置法、極性法、雙斷法等[2]。

（2）斷線故障防護(hù)。為實現(xiàn)斷線故障防護(hù)，電氣電路采用閉合電路形式，當(dāng)發(fā)生斷線時，電路中的繼電器失磁落下，導(dǎo)向安全側(cè)。

3.2 計算機(jī)聯(lián)鎖安全

計算機(jī)聯(lián)鎖是在6502電氣集中基礎(chǔ)上發(fā)展而來[2]，2×2取2的硬件[3]冗余型結(jié)構(gòu)為當(dāng)下主流產(chǎn)品（見圖1）。系統(tǒng)由外部接口電路和聯(lián)鎖設(shè)備構(gòu)成，其安全實現(xiàn)主要分為3個部分：輸入、輸出和聯(lián)鎖設(shè)備本身。

圖1 計算機(jī)聯(lián)鎖2×2取2的硬件冗余型結(jié)構(gòu)

計算機(jī)聯(lián)鎖的輸入和輸出均采用繼電接口。與電氣集中相同，繼電器均采用重力式安全型繼電器，當(dāng)外部接口故障時，一方面保證計算機(jī)聯(lián)鎖不能采集導(dǎo)向危險側(cè)的條件，同時保證繼電器不被錯誤驅(qū)動吸起，控制信號設(shè)備動作。

至于計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備，TB/T 3027—2015《鐵路計算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》[4]嚴(yán)格規(guī)定了設(shè)備的聯(lián)鎖功能。聯(lián)鎖邏輯部采用雙系結(jié)構(gòu)，任何一系都可以獨立工作，雙系采用主從方式運行，每一系中采用2個相同的處理器，每個處理器分別運行，2個處理器的運算結(jié)果進(jìn)行比較，比較一致時，各自給出有效的輸出，不一致時則輸出倒向安全側(cè)。

4 高速鐵路信號系統(tǒng)安全理念實現(xiàn)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，運營里程逐年持續(xù)增長，居世界第一位。高鐵信號系統(tǒng)作為其“運行安全中樞神經(jīng)”，隨著路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和行車速度的提升已成為由聯(lián)鎖（CBI）、列控（TCC、RBC）、調(diào)度集中（CTC）、集中監(jiān)測（CSM）等眾多子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜大系統(tǒng)。各子系統(tǒng)間具有復(fù)雜的信息流，每個子系統(tǒng)需要根據(jù)來自其他子系統(tǒng)的信息配合，并與其他子系統(tǒng)配合輸出相應(yīng)信息。典型CTCS-3級（簡稱C3）列控系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)流見圖2[5]。這種網(wǎng)絡(luò)化、信息化、集成化的運轉(zhuǎn)模式，可能導(dǎo)致事故的復(fù)雜性和耦合性也相應(yīng)增加，而且公眾對高鐵事故的零容忍，也迫切要求高速鐵路信號系統(tǒng)擁有更高的安全性和可用性。

圖2 CTCS-3級列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

相對于普速鐵路而言，高鐵信號系統(tǒng)更復(fù)雜，控車指令生成的鏈條長，例如，C3行車許可上車需要經(jīng)過TCC→CBI→RBC→GSM-R→ATP共4個接口，地面需要3套不同類型信號設(shè)備參與控車指令的運算。因此，高速鐵路的“故障導(dǎo)向安全”不是某個單體設(shè)備簡單地導(dǎo)向列車停止運行的狀態(tài)，而是車-地信號系統(tǒng)最終呈現(xiàn)導(dǎo)向列車停止運行或不超速的安全狀態(tài)，即注重大系統(tǒng)的安全。高鐵信號系統(tǒng)的安全，一方面要求信號各子系統(tǒng)應(yīng)滿足“故障導(dǎo)向安全”原則，不得因為單體設(shè)備的故障狀態(tài)導(dǎo)致非安全控車指令生成；另一方面，系統(tǒng)整體架構(gòu)應(yīng)滿足“故障導(dǎo)向安全”原則，架構(gòu)中納入備份系統(tǒng)和備用控車模式，可提高整個系統(tǒng)的可用性。

在系統(tǒng)安全理念下，高速鐵路信號系統(tǒng)主要從單體信號設(shè)備、設(shè)備間接口、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計3個方面實現(xiàn)信號的系統(tǒng)安全。

4.1 單體信號設(shè)備安全

單體信號設(shè)備是信號系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)，其實現(xiàn)安全的保證主要依靠技術(shù)和準(zhǔn)入管理2個方面。

（1）信號設(shè)備安全技術(shù)實現(xiàn)。高速鐵路與控車相關(guān)的信號設(shè)備，如TCC、CBI、RBC、臨時限速服務(wù)器（TSRS）等，要求硬件采用2×2取2冗余型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是一種安全型結(jié)構(gòu)；在軟件層面，也通過一定技術(shù)約束使設(shè)備安全性得到加強(qiáng)，例如，《列控中心區(qū)間占用邏輯檢查暫行技術(shù)條件》（運電高信函〔2014〕234號）規(guī)定TCC增加區(qū)間三點邏輯檢查功能，實現(xiàn)區(qū)間列車占用丟失防護(hù)[6]。

（2）信號設(shè)備準(zhǔn)入管理制度升級。根據(jù)《鐵路通信信號設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)審批實施細(xì)則》（國鐵設(shè)備監(jiān)〔2014〕15號）規(guī)定，只有取得“鐵路運輸基礎(chǔ)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)許可證”的企業(yè)，才有資質(zhì)生產(chǎn)鐵路信號產(chǎn)品。另外，根據(jù)《鐵路信號產(chǎn)品運用管理辦法》（鐵總運〔2015〕105號），鐵路信號產(chǎn)品實行資質(zhì)準(zhǔn)入管理。列入國家鐵路局行政許可目錄和列入原中國鐵路總公司產(chǎn)品認(rèn)證目錄的鐵路信號產(chǎn)品，必須分別取得相應(yīng)的證書方可上道使用。因此，在高鐵信號設(shè)備采購過程中，對設(shè)備目錄中的產(chǎn)品，必須嚴(yán)格審核產(chǎn)品和企業(yè)的資質(zhì)，杜絕不符合規(guī)定的產(chǎn)品上道使用，以確保鐵路信號產(chǎn)品的源頭質(zhì)量。

4.2 信號設(shè)備間接口安全

高鐵信號系統(tǒng)的TCC之間、TCC和CBI間、TCC和TSRS間、TSRS之間、RBC和CBI間、RBC和TSRS間、RBC之間均存在數(shù)據(jù)交互，目前各信號設(shè)備采用接入信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)形式來實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)通信。

（1）接口形式的安全策略。根據(jù)《高速鐵路信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范V3.0》（鐵總運〔2014〕353號），各應(yīng)用設(shè)備的A、B系都配置以太網(wǎng)接口（接口1、2），接口1接入信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)左環(huán)網(wǎng)，接口2接入右環(huán)網(wǎng)，連接方式見圖3。應(yīng)用設(shè)備各系2路獨立輸入形式，為信號設(shè)備安全運算打下基礎(chǔ)。

圖3 交換機(jī)和應(yīng)用設(shè)備的連接方式

（2）接口內(nèi)容的安全策略。正常情況下，設(shè)備間通信正常，各子系統(tǒng)正常工作；根據(jù)TB/T 3439—2016《列控中心技術(shù)條件》、TB/T 3330—2015《無線閉塞中心技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定，若設(shè)備故障或通道故障，設(shè)備接口導(dǎo)向安全側(cè)，接口兩側(cè)的信號設(shè)備將按照指示列車停車或不超速的原則進(jìn)行運算。

4.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計安全

信號系統(tǒng)安全理念除了要求單體設(shè)備滿足“故障導(dǎo)向安全”原則，還強(qiáng)調(diào)多設(shè)備協(xié)防、互防，共同完成“故障導(dǎo)向安全”的多重防護(hù)，從而提高整個信號系統(tǒng)的安全性、可用性。整個信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)冗余但不容錯的特點，主要體現(xiàn)在以下2個方面：

（1）信號系統(tǒng)整體架構(gòu)納入后備系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可用性。采用CTCS-3級列控系統(tǒng)時，地面和車載會配備CTCS-2級列控系統(tǒng)，若CTCS-3級列控系統(tǒng)故障或GSM-R通道故障，則降級為CTCS-2級列控系統(tǒng)模式；同理，采用CTCS-2級列控系統(tǒng)時，CTCS-0級列控系統(tǒng)為其后備模式。

（2）車載系統(tǒng)對地面信號系統(tǒng)的安全防護(hù)。車載設(shè)備獨立于地面信號系統(tǒng)運行，有固定的工作邏輯，如果地面提供的信息不滿足車載設(shè)備完全監(jiān)控模式（FS）的運行條件，車載設(shè)備會降速并相應(yīng)進(jìn)入降級模式。

5 智能鐵路信號系統(tǒng)安全理念

智能鐵路信號系統(tǒng)（ISIG）將集成現(xiàn)代信息技術(shù)[7]、人工智能技術(shù)、鐵路通信信號技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗定位、5G通信等，以實現(xiàn)列車安全智能控制[8]、調(diào)度決策優(yōu)化、系統(tǒng)智能監(jiān)測分析為目標(biāo)，充分運用現(xiàn)代智能控制化技術(shù)，通過有效利用控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集及其他相關(guān)資源，形成一個集智能化控制及調(diào)度決策、智能化監(jiān)測和智能化維修管理[9-10]于一體的新一代鐵路信號系統(tǒng)，將最大程度地保障行車安全、提高運輸效率、改善勞動條件，并確保信號設(shè)備處于良好運行狀態(tài)。

6 結(jié)束語

通過分析鐵路信號系統(tǒng)安全理念的演變與實現(xiàn)對策，充分表明現(xiàn)有普速鐵路、高速鐵路信號系統(tǒng)的安全對策行之有效，系統(tǒng)“故障導(dǎo)向安全”有可靠保障。對未來信號系統(tǒng)安全技術(shù)的發(fā)展，提出以下展望：

（1）信號系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)一步一體化設(shè)計，減少設(shè)備數(shù)量，以減少因接口帶來的問題。

（2）提升信號監(jiān)測設(shè)備智能化水平，開展提前預(yù)判故障和維修決策輔助，提高信號設(shè)備的可用性。

（3）通過車-地信號系統(tǒng)閉環(huán)控制技術(shù)的應(yīng)用，車載設(shè)備將接收到的信息實時反饋回地面信號系統(tǒng)并進(jìn)行比較，當(dāng)兩者不一致時，應(yīng)采取相應(yīng)安全措施，進(jìn)一步提高信號系統(tǒng)的安全水平。