城市轨道交通CBTC信号系统改进设想及未来信号技术猜想 摘要：随着近年来我国地铁的高速发展，越来越多的城市大力新建城市轨道交通项目解决城市交通拥堵问题，与传统交通方式，大运量，高效安全有着不可替代的优势。随着代表最高科技含量的CBTC系统的广泛使用，越来越多的设计缺陷和设备故障暴露出来，笔者根据亲身经历对系统改进做出一些设想，随着科技进步，对未来信号系统技术进行了大胆猜想。
关键词：地铁信号；CBTC；未来信号系统
前言：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。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。我国掌握了CBTC的ATP/ATO核心技术。现使用的CBTC系统多为在国外系统的基础上，通过合资公司引进技术，通过学习模仿，研究开发出来的舶来品。其中也暴露出很多问题有待我们攻克。
一 什么是CBTC信号系统
主要传统信号基础设备包含
信号机：通过不同灯光显示告知司机前方运行情况。
道岔转辙装置：道岔转换装置，用来实现转换道岔、锁闭道岔及反映道岔状态。
轨道电路：以一段钢轨为导体构成的电路，检测这段线路是否被占用。现在利用安装在钢轨上的磁头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代替轨道电路。
信号联锁设备：使用计算机联锁设备,用电子逻辑电路取代选择组继电逻辑电路而实现联锁关系。
整个系统的瓶颈在于，无法动态掌握列车的行车状态，列车速度位置等信息，只能通过信号机或者轨道电路来发送行车指令，无法达到高效的目的。此时完成连续性的车地实时通讯成为了最领先的CBTC信号系统的技术革新。 “基于通信的列车自动控制系统”（Communication Based Train Control，简称CBTC），车地通信成为了整个系统的基础。列车自动控制成为了系统的目标。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）、列车自动驾驶（Automatic Train Operation，简称ATO）。自动控制系统，首先还是要把安全放在第一位，ATP子系统由ATP轨旁设备和ATP车载设备构成完成列车安全防护功能。ATP轨旁设备设备包括：ZC（区域控制器）、LC（线路控制器）、LEU（轨旁电子单元，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。有了安全保障，要提高运行的效率，实现列车驾驶的精准平稳，当然用电脑比手工要精准的多。ATO列车自动控制子系统从硬件上看，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。要提高整个信号系统的安全高效，就需要使用ATS列车自动监控系统。通过设备状态的监控，调度行车指令的下达完成集中调度的功能。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。
通过新技术替代老技术，使得整个信号系统发生了翻天覆地的变化，通过DCS传输系统，运用波导管、无线漏缆、感应环线等双向传输方式，由低效的空间间隔行车法变成了移动闭塞，后续列车根据前行列车的速度位置自动计算改变列车的速度，达到最小间隔90S，最小距离18米的超高效行车方式。为了安全冗余，如果设备故障将采用后备模式行车，一般属于双向传输系统失效，使用连锁系统通过LEU欧式编码器发送信息到有源信标，列车通过获取无源信标的坐标信息及有源信标提供的前方道岔及信号机信息来实现ATO或者ATP模式的列车行驶。此时由于没有无线通信定位列车位置，系统采用次级检测设备即计轴设备来监测轨道占用情况，进而确定列车运行位置。由于CBTC设备和技术都是从国外引进，我国发展时间短，技术人员大量紧缺，虽然我们在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，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。但是国内自主系统普及不高，大量使用合资公司国产化产品，这些产品核心技术仍然掌握在国外母公司手中，造成大量故障及缺陷的解决仍然需要国外专家才能解决。
二．基于目前系统问题的改进设想
提高基础信号设备的稳定性。基础信号设备是安全的根本，在我们这些高级设备故障后，基础设备仍然能保证列车的安全进行最低限度的CBI联锁模式下
的运行，这是人命，是重中之重。对于我国多年的自主化联锁设备生产，从联锁机的软件和硬件来说，都没有什么技术难题，都是比较成熟的产品。反而是基础信号设备比如转辙设备，信号机设备等，由于经费问题，监管问题，设计问题等，采用低价，或者劣质材料使原本稳定的设备反而经常出现莫名其妙的故障，增加维护难度维护费用，在运营期间故障更是影响行车组织和效率。例如转辙机使用配件中有非标准配件，造成经常卡缺口失去表示，也减少了转辙机本身的使用寿命。车辆段内使用不良的轨道绝缘，导致半短路红光带故障，这样的故障时而出现时而恢复正常，让维修人员查找起来非常困难。我们可以在建设初期和更换设备时，尽量采用质量好符合标准的设备和配件，减少维护周期和维护人员工作压力。使用稳定成熟的新技术新材料代替，例如使用LED发光盘代替传统信号机灯泡，基本实现免维护。
提高计算机设备，网络传输设备，板卡设备的稳定性。本身网络设备和计算机设备已经是很成熟的设备，但是传输设备经常由于传输数据的吞吐量较大，经常发生计算机假死，数据传输卡滞现象，虽然都有冗余设备，但是由于系统并未完全死机，导致不会自动切换。系统既不立即故障又不能完全正常运行，处于亚健康的运行状态是极大的安全隐患。笔者觉得，很大可能程度上是由于系统设计时，计算机硬件达不到系统所需要的运算处理级别，还有最大的问题是软件开发人员不懂信号设备，而信号设计人员又不懂软件开发。导致系统内有很多微小的问题有的是出于软件设计方便但是不满足信号系统要求，有的为了简单满足信号系统要求又使软件比较累赘。软件的设计虽然完全符合信号安全要求，但是却没有认真从软件开发维护方面考虑软件的健壮性和稳定性。导致软件运行一段时间就必须重启才能维持系统正常运行。这完全是一个可以解决问题，只要将系统需求描述做好做完整，交给专业成熟的软件公司开发，进行完善的测试，就能解决这类系统缺陷。而不是让信号公司随便招聘几个程序员软件工程师编写一个软件能实现软件功能就了事。像计轴设备板卡，出现故障，连信号厂商都解释不了故障原因就大面积跟换板卡，完全就是设备存在缺陷，这些问题应该在设计和测试时就发现，而不是在运营时期才慢慢凸显。使用成熟的计算机及网络技术时，外包给更专业的公司完成设计。
维护支持系统完善。维护支持系统本身是一个为维护人员提供监测及故障报警和故障分析的系统，现在却不能真正发挥它的作用，一个原因就是监测系统本身不成熟，造成监测数据报警数据不正确。数据分析，自动处理功能不完善。如果保证了监测数据的正确，现有的数据，通过软件处理，是可以在故障出现之前就提前告警，提示维护人员设备可能存在异常，可能会在最近出现故障可以提前预防，在故障出现时也可以将故障范围自动判断到比较小的地方，而不是需要维护人员从整个很大的范围慢慢进行判断。我们在使用中还需要自行做一些数据分析小软件配合使用。个人建议如果维护支持系统做的好，进一步整合数据分析，可以降低维护工作强度，提前告警，缩小故障查找的范围，降低由于维护人员业务能力造成的故障处理时间延长。
三．未来全新信号系统架构
对于未来全新信号系统构架的一个大胆构想。从6502时代进步到计算机联
锁时代，我们用计算机软件内的联锁关系代替了6502的选择组电路，大量的减少了继电电路的使用，但是执行组出于低压电源控制高压电源，并且安全隔离等需要仍然使用继电电路，我们是否可以省略掉这些电路呢？现在的网络技术如此发达我们是否可以将多个控制线路省略，而采用网络传输，将命令编码发送，减少中间环节。因为设备环节越多，节点越多，只会造成故障越多。原先的信号设备，哪怕我们再提高设备稳定性，把维护支持系统做的再好，越多的设备反而增加了故障率，没办法从根本上解决这个难题的。那么大胆提出这个思路：我们用单片机来完成单个设备的运算和执行，省略室内所有继电电路，直接用网络传输把命令封包发给室外设备，比如信号机，信号机内单片机接受到命令，再进行本机构的信号控制。那么整个信号机只需要一对电源线和一根网络线。极大减少了中间环节，如果信号机出现故障，只能信号机本身会发出信息，或者中断心跳信息证明自己故障。整个系统会做出自动故障诊断侦测和故障应急处理。
当然对于未来信号系统，我们抱有希望，还需要所有的技术人员一起努力完成这个艰巨的技术难题！我们相信我们会迎来全新的安全稳定高效的地铁信号系统。
城市轨道交通CBTC信号系统改进设想及未来信号技术猜想 摘要：随着近年来我国地铁的高速发展，越来越多的城市大力新建城市轨道交通项目解决城市交通拥堵问题，与传统交通方式，大运量，高效安全有着不可替代的优势。随着代表最高科技含量的CBTC系统的广泛使用，越来越多的设计缺陷和设备故障暴露出来，笔者根据亲身经历对系统改进做出一些设想，随着科技进步，对未来信号系统技术进行了大胆猜想。
关键词：地铁信号；CBTC；未来信号系统
前言：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。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。我国掌握了CBTC的ATP/ATO核心技术。现使用的CBTC系统多为在国外系统的基础上，通过合资公司引进技术，通过学习模仿，研究开发出来的舶来品。其中也暴露出很多问题有待我们攻克。
一 什么是CBTC信号系统
主要传统信号基础设备包含
信号机：通过不同灯光显示告知司机前方运行情况。
道岔转辙装置：道岔转换装置，用来实现转换道岔、锁闭道岔及反映道岔状态。
轨道电路：以一段钢轨为导体构成的电路，检测这段线路是否被占用。现在利用安装在钢轨上的磁头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代替轨道电路。
信号联锁设备：使用计算机联锁设备,用电子逻辑电路取代选择组继电逻辑电路而实现联锁关系。
整个系统的瓶颈在于，无法动态掌握列车的行车状态，列车速度位置等信息，只能通过信号机或者轨道电路来发送行车指令，无法达到高效的目的。此时完成连续性的车地实时通讯成为了最领先的CBTC信号系统的技术革新。 “基于通信的列车自动控制系统”（Communication Based Train Control，简称CBTC），车地通信成为了整个系统的基础。列车自动控制成为了系统的目标。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）、列车自动驾驶（Automatic Train Operation，简称ATO）。自动控制系统，首先还是要把安全放在第一位，ATP子系统由ATP轨旁设备和ATP车载设备构成完成列车安全防护功能。ATP轨旁设备设备包括：ZC（区域控制器）、LC（线路控制器）、LEU（轨旁电子单元，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。有了安全保障，要提高运行的效率，实现列车驾驶的精准平稳，当然用电脑比手工要精准的多。ATO列车自动控制子系统从硬件上看，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。要提高整个信号系统的安全高效，就需要使用ATS列车自动监控系统。通过设备状态的监控，调度行车指令的下达完成集中调度的功能。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。
通过新技术替代老技术，使得整个信号系统发生了翻天覆地的变化，通过DCS传输系统，运用波导管、无线漏缆、感应环线等双向传输方式，由低效的空间间隔行车法变成了移动闭塞，后续列车根据前行列车的速度位置自动计算改变列车的速度，达到最小间隔90S，最小距离18米的超高效行车方式。为了安全冗余，如果设备故障将采用后备模式行车，一般属于双向传输系统失效，使用连锁系统通过LEU欧式编码器发送信息到有源信标，列车通过获取无源信标的坐标信息及有源信标提供的前方道岔及信号机信息来实现ATO或者ATP模式的列车行驶。此时由于没有无线通信定位列车位置，系统采用次级检测设备即计轴设备来监测轨道占用情况，进而确定列车运行位置。由于CBTC设备和技术都是从国外引进，我国发展时间短，技术人员大量紧缺，虽然我们在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，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。但是国内自主系统普及不高，大量使用合资公司国产化产品，这些产品核心技术仍然掌握在国外母公司手中，造成大量故障及缺陷的解决仍然需要国外专家才能解决。
二．基于目前系统问题的改进设想
提高基础信号设备的稳定性。基础信号设备是安全的根本，在我们这些高级设备故障后，基础设备仍然能保证列车的安全进行最低限度的CBI联锁模式下
的运行，这是人命，是重中之重。对于我国多年的自主化联锁设备生产，从联锁机的软件和硬件来说，都没有什么技术难题，都是比较成熟的产品。反而是基础信号设备比如转辙设备，信号机设备等，由于经费问题，监管问题，设计问题等，采用低价，或者劣质材料使原本稳定的设备反而经常出现莫名其妙的故障，增加维护难度维护费用，在运营期间故障更是影响行车组织和效率。例如转辙机使用配件中有非标准配件，造成经常卡缺口失去表示，也减少了转辙机本身的使用寿命。车辆段内使用不良的轨道绝缘，导致半短路红光带故障，这样的故障时而出现时而恢复正常，让维修人员查找起来非常困难。我们可以在建设初期和更换设备时，尽量采用质量好符合标准的设备和配件，减少维护周期和维护人员工作压力。使用稳定成熟的新技术新材料代替，例如使用LED发光盘代替传统信号机灯泡，基本实现免维护。
提高计算机设备，网络传输设备，板卡设备的稳定性。本身网络设备和计算机设备已经是很成熟的设备，但是传输设备经常由于传输数据的吞吐量较大，经常发生计算机假死，数据传输卡滞现象，虽然都有冗余设备，但是由于系统并未完全死机，导致不会自动切换。系统既不立即故障又不能完全正常运行，处于亚健康的运行状态是极大的安全隐患。笔者觉得，很大可能程度上是由于系统设计时，计算机硬件达不到系统所需要的运算处理级别，还有最大的问题是软件开发人员不懂信号设备，而信号设计人员又不懂软件开发。导致系统内有很多微小的问题有的是出于软件设计方便但是不满足信号系统要求，有的为了简单满足信号系统要求又使软件比较累赘。软件的设计虽然完全符合信号安全要求，但是却没有认真从软件开发维护方面考虑软件的健壮性和稳定性。导致软件运行一段时间就必须重启才能维持系统正常运行。这完全是一个可以解决问题，只要将系统需求描述做好做完整，交给专业成熟的软件公司开发，进行完善的测试，就能解决这类系统缺陷。而不是让信号公司随便招聘几个程序员软件工程师编写一个软件能实现软件功能就了事。像计轴设备板卡，出现故障，连信号厂商都解释不了故障原因就大面积跟换板卡，完全就是设备存在缺陷，这些问题应该在设计和测试时就发现，而不是在运营时期才慢慢凸显。使用成熟的计算机及网络技术时，外包给更专业的公司完成设计。
维护支持系统完善。维护支持系统本身是一个为维护人员提供监测及故障报警和故障分析的系统，现在却不能真正发挥它的作用，一个原因就是监测系统本身不成熟，造成监测数据报警数据不正确。数据分析，自动处理功能不完善。如果保证了监测数据的正确，现有的数据，通过软件处理，是可以在故障出现之前就提前告警，提示维护人员设备可能存在异常，可能会在最近出现故障可以提前预防，在故障出现时也可以将故障范围自动判断到比较小的地方，而不是需要维护人员从整个很大的范围慢慢进行判断。我们在使用中还需要自行做一些数据分析小软件配合使用。个人建议如果维护支持系统做的好，进一步整合数据分析，可以降低维护工作强度，提前告警，缩小故障查找的范围，降低由于维护人员业务能力造成的故障处理时间延长。
三．未来全新信号系统架构
对于未来全新信号系统构架的一个大胆构想。从6502时代进步到计算机联
锁时代，我们用计算机软件内的联锁关系代替了6502的选择组电路，大量的减少了继电电路的使用，但是执行组出于低压电源控制高压电源，并且安全隔离等需要仍然使用继电电路，我们是否可以省略掉这些电路呢？现在的网络技术如此发达我们是否可以将多个控制线路省略，而采用网络传输，将命令编码发送，减少中间环节。因为设备环节越多，节点越多，只会造成故障越多。原先的信号设备，哪怕我们再提高设备稳定性，把维护支持系统做的再好，越多的设备反而增加了故障率，没办法从根本上解决这个难题的。那么大胆提出这个思路：我们用单片机来完成单个设备的运算和执行，省略室内所有继电电路，直接用网络传输把命令封包发给室外设备，比如信号机，信号机内单片机接受到命令，再进行本机构的信号控制。那么整个信号机只需要一对电源线和一根网络线。极大减少了中间环节，如果信号机出现故障，只能信号机本身会发出信息，或者中断心跳信息证明自己故障。整个系统会做出自动故障诊断侦测和故障应急处理。
当然对于未来信号系统，我们抱有希望，还需要所有的技术人员一起努力完成这个艰巨的技术难题！我们相信我们会迎来全新的安全稳定高效的地铁信号系统。