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8高速铁路的信号与通信
8.1概述
高速铁路的服务宗旨是“安全、正点、快速、舒适”。
发展高速铁路不可能也不应只突出快速，更需要建立全新的运输模式，要在安全、正点、舒适上做文章。
高速铁路信号系统是保障列车运行安全、提高运输效率的关键技术装备，对全面实现高速铁路的服务宗旨举足轻重。
当今信息产业正以超出人们预料的速度迅速发展，通信和控制领域正发生一系列深刻变化，这必会对铁路信号、通信产品和服务产生积极影响。
这种影响主要表现在两方面：
第一方面是产品的硬件和软件不断升级换代，产品安全性、可靠性、可用性和可维护性逐步提高，追求更高的性能价格比。
第二是向综合自动化方向发展，向更便利的人机对话方向发展，向全面提高运输质量和路网运输能力的方向发展，以满足运营的要求。
高速铁路信号系统是完成行车控制、运营管理的综合自动化系统，主要是由用于指挥行车的综合调度系统，用于控制列车行车间隔的列车运行控制系统（简称列控系统），用于控制进路的联锁系统以及代用信号设备和专用通信设备组成。
这是一套完整的信号安全制式，如图8-l所示。
高速铁路信号系统的设备主要布置在调度中心、车站、区间信号室、车辆段、维修基地、线路旁和列车上。
8.2高速铁路的信号技术
铁路信号技术是随着百年铁路的发展以及继电器、半导体、电子信息技术的变化而不断演进的。
随着运行速度的提高，列控系统、超速防护系统以及综合调度系统等成为高速铁路必不可少的信号技术。
高速铁路与普通铁路不同之处主要有：
①高速铁路设置综合调度系统，对列车运营指挥实行集中控制方式；②取消传统的地面信号机，采用列控系统；③采用计算机网络传输和交换与行车、旅客服务相关的信息。
高速铁路信号系统由综合调度系统、列控系统、计算机联锁系统等几个部分组成，各部分之间通过具有保护功能的广域网联接，并传输信息。
传统的话音、信号凭证指挥方式不再适用于高速铁路。
以下简要介绍一下综合调度系统、列控系统、计算机联锁系统。
图8-1高速铁路信号系统组成
1．高速铁路综合调度系统
世界各国高速铁路的行车调度系统基本可以分为两类：
一类集多种业务组织和管理功能于一体，全线建设一个行车指挥为中心的综合调度系统，适用于列车在本线到发的高速客运专线。
另一类则采用按区域设置行车调度中心的方式，适用于列车类别多，与既有线行车组织和管理的关系密切的线路。
京沪高速铁路是一条与既有京沪线平行修建的高速客运专线。
高速线建成以后，运输组织模式采用本线旅客列车和跨线旅客列车共线运行的客运专线模式，既有线将主要为货物运输使用。
设置综合调度指挥中心是保证高速列车运营的基本需求，而中速列车跨越高速线与既有线运行，又要求调度系统必须解决跨线运行列车调度指挥的衔接问题。
综合调度系统是高速铁路运营管理指挥中枢，其业务有以下几个方面：
（1）根据运输的需要，编制行车、车辆运用、乘务值班计划，制成运营计划；
（2）当行车次序出现混乱时，制成临时运行图，调整运营计划；
（3）监视沿线列车运行状况并对各车站进路实行集中控制；
（4）统计各站旅客集散情况，调整行车计划，并向旅客提供有关信息服务。
随着计算机、通信和远程控制技术的发展，综合调度中心的系统技术也己经由传统的集中控制模式发展到网络化、智能化的集中管理、分散控制型，主要有运输管理系统、运行调度系统、牵引供电调度系统、动车组调度管理系统、基础设施调度管理系统、客运调度系统、安全监督系统等。
随着高速铁路技术在整个铁路网中的普及和推广，高速线与既有线之间开行跨线运行列车，已成为近年来日本和欧洲普遍的发展趋势。
跨线运输中，因与既有线行车组织和管理的关系密切，列车运行秩序易受引入线、相邻既有线列车运行不正常情况的影响。
2．高速铁路列控系统
铁路沿线设置的闭塞分区长1.5～2km，当列车时速超过200km时，司机每二十几秒就要辨认一次信号显示，这超出了人正常的承受能力，识别信号的错误率会显著增加。
因此，传统的地面信号机显示作为指挥列车运行的凭证己不能适用，必须以列控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，保障高速列车安全运行。
欧洲铁路行车速度超过160km/h时，均以列控系统作为行车指挥凭证。
这是高速列车运行必须满足的基本要求。
列控系统直接控制列车运行，主要由车载设备和地面设备两大部分组成。
地面设备与车载设备一起才能完成列车运行控制的功能。
列控系统在车站设有控制中心，如果车站距离过大，则每15～20km还要在区间设立控制中心。
图8-2是列控系统地面设备框图。
控制中心通过电缆与铁路线上的轨道电路、信号机等设备相连，主要完成列车位置检测，形成速度信号，并将此信号传递给列车。
车载设备将按照速度信号控制列车制动。
图8-2列控系统地面设备框图
车载设备主要由天线、信号接收单元、制动控制单元、司机显示器、速度传感器等组成，设备框图见图8-3。
机车头部的天线接收到地面的速度命令信号，经过信号接收单元放大、滤波、解调后，将此命令的数据送到司机显示器和制动控制单元。
制动控制单元收到速度传感器传来的信号，测量出列车的实际速度，将实际速度与信号命令比较，如果判断列车需要制动则产生制动信号，直接启动列车制动系统。
列车就会自动减速或停车。
图8-3列控系统车载设备框图
列控系统主要功能是：
（1）防止列车冒进关闭的信号机；
（2）防止列车错误出发；
（3）防止列车退行；
（4）防止列车超速通过道岔；
（5）防止列车超过线路允许的最大速度；
（6）监督列车通过临时限速区段；
（7）在出入库无信号区段限制列车速度。
为保证列控系统不间断地工作和加强设备的维修与管理，在列控系统的地面和车上都安装有监视设备。
地面监视系统可以检测信号机、轨道电路、地面控制中心的接收和发送设备等。
检测结果可以在维修工区显示及储存，也可以通过通信网送往维修基地和调度中心。
设备异常前数小时内，信号设备动作情况可以保存下来，供故障分析用。
车上监视设备可以将列车运行过程中速度信号、制动装置动作、列车实际速度和司机操作等状态保存下来，一般可保存12～72h。
出现重大事故，这些资料可用于事故分析。
目前，国外高速铁路采用的列控系统主要有日本新干线ATC系统，法国TGV铁路的TVM300及TVM430系统，德国及西班牙铁路采用的LZB系统，瑞典铁路的EBICAB900系统等。
各国的列控系统都有自己的特点，有不同的技术条件和适应范围。
列控系统按照地面向机车传送信号的连续性来分类，可分为点式和连续式两大类。
瑞典EBICAB900系统属于点式列控系统。
德国LZB系统、法国TVM系统、日本数字ATC系统均为连续式列控系统。
点式信号系统自从20世纪70年代采用应答器方式后，走上了数字化、集成化的道路，发展十分迅速。
目前适应500km/h高速列车可传递千比特信息的应答器已商品化。
点式列控系统造价低、维修工作少。
点式列控系统尽管接收地面信息不连续，但对列车运行与司机操纵的监督并不间断，因此也有很好的安全效能。
点式系统的主要弱点是信号追踪性不佳。
它只能在指定的信号点接收信息，如果列车经过某信号点之后，先行列车位置移动，地面信号发生了变化，车上控制系统不能立即知道，而必须等列车到达下一个信号点才能接收到。
因此，点式列控系统限制了列车追踪间隔的进一步减少。
在高速铁路中连续式列控系统是主流。
例如，采用连续式列车速度控制的法国TGV北方线列车追踪间隔为3min。
列控系统按照人机关系来分类，主要分为两类。
一种是以日本新干线ATC为代表的设备优先控制的方式；另一种是以法国TVM300/430系统为代表的司机优先控制的方式。
德国的LZB系统也是司机优先控制方式。
设备优先的列控系统在列车速度高于目标速度后立即进行制动控制，当列车速度低于目标速度后自动缓解，不必司机参与。
其优点是能最大限度减轻司机负担，有利于缩短列车追踪间隔。
这种控制方式对设备本身的自动化程度及列车的制动缓解性能要求较高。
人控优先的方式只有在列车速度超过安全运行所允许的速度，设备才进行惩罚性的强迫制动。
列车正常运行时设备不干预司机操作。
人控优先的系统有助于加强司机的责任感，发挥其驾驶技巧。
连续式列控系统按照超速判定方式可以分为阶梯控制方式和曲线控制方式。
阶梯控制方式时，每个闭塞分区设计为一个目标速度。
在一个闭塞分区中无论列车在何处都只按照固定的速度判定列车是否超速。
图8-4给出列车控制方式的示意图。
阶梯控制又细分为出口检查和入口检查两种方式。
其中细线阶梯为出口检查方式（法国TVM300方式）。
这种方式要求司机在闭塞分区内将列车速度降低到目标速度，设备在闭塞分区出口进行检查。
如果列车实际速度未达到目标速度以下，则设备自动进行制动。
这种方式由于要在列车到达停车信号处（目标速度为零）才检查列车速度是否为零，如果列车速度不是零，设备才进行制动。
由于制动后列车要走行一段距离才能停车，因此停车信号后方要有一段防护区。
图8-4中的较粗阶梯线为入口检查方式。
列车在闭塞分区入口处接收到目标速度信号后，立即以此速度进行检查，一旦列车超速，则进行制动使列车速度降低到目标速度以下。
日本新干线ATC就是采用这种方式。
这种方式在遇上停车信号时，列车在闭塞分区入口处立即制动，对许多列车来说会过早地停车，因此日本新干线采用了停车信号前再装P点的方式，轨道电路发送30信号，只在列车收到30信号且又经过P点时车上才会形成停车信号。
图8-4列车控制方式示意图
阶梯控制方式完全不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号，因此轨道信息量较少，设备相对比较简单。
这种传统的控制方式是目前高速铁路最普遍采用的控制方式。
第二种方式是曲线控制方式。
法国TVM430系统，就是这种方式（见图8-4中曲线）。
每个闭塞分区入口速度（上一个闭塞分区的目标速度）和出口速度（本闭塞分区目标速度）用曲线连接起。
在这种控制方式下，列车在一个闭塞分区中运行时，列控设备判定列车超速的目标速度不再是一个常数，而是随着列车行驶不断变化，即是距离的函数。
因此列控设备除了需要接收目标速度信息外，还要接收到闭塞分区长度及换算坡度的信息。
TVM430系统的轨道电路可以传递27bit信息，其中目标速度信息6bit，距离信息8bit，坡度信息4bit。
曲线控制方式和阶梯控制方式一样，每一个闭塞分区只给定一个目标速度，控制曲线把闭塞分区允许速度的变化连续地接起来。
因此，这种制式不需要像入口阶梯控制那样要在停车信号前设置P点，也可以不设置出口阶梯控制所必需的保护区段。
德国LZB系统和日本数字ATC系统不再对每一个闭塞分区规定一个目标速度，而是向列车传送目标速度、列车距目标的距离（与TVM430不一样，它可以包括多个闭塞分区的长度）等信息。
列车实行一次制动控制方式。
列车追踪间隔可以根据列车制动性能、车速、线路条件调整，可以提高混跑线路的通过能力。
这种方式称为目标速度—目标距离方式，是一种更理想的运行控制模式。
3．高速铁路计算机联锁系统
联锁系统是铁路信号的重要组成部分,主要是用于车站进路的控制和保证列车运行和作业的安全。
随着列车速度的不断提高和科学技术的发展，特别是微电子技术及计算机科学的迅猛发展，计算机联锁系统取代继电联锁是铁路信号发展的必然趋势。
计算机联锁系统与继电联锁相比的优越性主要有以下几方面：
（1）计算机联锁系统功能更加完善。
（2）计算机联锁系统的信息量大，利用当前的各种网络手段，可与行车调度指挥系统、列控系统联网，交换各种信息，以使整个信号系统协调工作。
（3）计算机联锁系统易于实现系统自诊断和自检测功能，并通过联网实现远距离诊断，有利于信号维修管理及维修体制改革。
（4）体积小，功耗低，使信号室投资减少。
随着大规模集成电路的发展，计算机联锁系统的设备造价将会越来越低，与继电联锁相比将更占优势。
计算机联锁由于具有上述的特点，近年来在国内外得到了广泛的使用和发展。
国内外均有成功的研究设计和使用维护的经验，因此计算机联锁系统应该作为高速铁路车站信号联锁的首选制式。
计算机联锁系统由信息输入电路、控制监视机、联锁逻辑处理机、控制驱动电路和现场设备等组成，如图8-5所示。
图8-5计算机联锁系统框图
从图中可以看出，计算机联锁是一个闭环控制系统。
每一个安全控制信息输出和信息输入的局部环节，以及微机内部的逻辑处理过程本身，都是按闭环原理工作的。
控制监视机与联锁处理机的联系也是遵循闭合工作原理的。
只要闭环系统中的任何一部分发生故障，系统就能立即诊断出来并采取措施，进行记录报警，直至切断控制输出电源，便确保安全。
为了提高计算机联锁系统的安全性、可靠性、方便性和可维性，各国广泛采用的主要措施有：
（1）采用冗余技术。
硬件冗余为三中取二的三重冗余系统和二重冗余系统；软件冗余有双通道、双套软件冗余，信息冗余，时间冗余以及三者兼有。
（2）由固态元件构成故障安全电路单元作为系统输出输入接口及系统硬件比较器，以确保安全。
（3）采用各种检测、诊断容错技术，进行周期检测，及时报警；系统中设有故障切断器，切断控制输出电源或使局部系统停止工作。
（4）信息通道采用编码传输信息技术和闭环通信通道，提高电码海明距离，提高误码检出率。
（5）采用严密的组织手段，先进的检测方法和计算机辅助设计。
设立集中的维护管理中心，以保证高速铁路不间断的运转。
（6）随着计算机技术发展，多媒体计算机的推出，各国均加强了人机工程的研究，提供现代化的声、像、图文显示，改善操作人员的工作环境和提高工作效率。
控制方式已有传统的控制盘改为键盘、数字化仪、鼠标等。
综观各国计算机联锁发展情况，计算机联锁系统由于采用了先进的计算机技术和通信技术，联锁系统本身已不再是一个孤立的车站信号控制设备，而是综合行车指挥控制系统的一个重要组成部分，是具有多种功能和安全保证的指挥控制系统的基础设备。
8.3高速铁路的通信技术
高速铁路通信网应为列车控制、综合调度、信息系统等提供安全、稳定、可靠、灵活的通信手段，应满足高速铁路语音、数据和图像等综合业务的发展需要。
列车运行速度的提高，对通信提出了更高要求。
国外高速铁路中，通信系统的特点有：
（1）通信应具有高可靠性，以保证列车的高速安全运行。
自有高速铁路以来，人们关心的首要问题就是安全。
讫今为止，世界上高速铁路的安全记录为世人所称道，其主要原因之一就是有先进的通信信号系统，而通信系统本身的可靠性必须达到很高的水平。
因此，人们总是不遗余力，采取各种方法和措施来提高通信系统的可靠性。
（2）通信应保证运营管理的高效率。
建设高速铁路的目的就是要提高运输效率。
通信系统保证行车调度指挥、运营管理以及旅客服务系统能够高效率地工作。
通信系统本身也要求有很高的效率。
因此，各国在高速铁路中都采用了各种先进通信技术，增大通信容量等，以保证信息传输、存储、处理能高效率地进行。
（3）通信与信号系统紧密结合，形成一个整体。
在列车低速运行的情况下，通信系统与信号系统基本上各自独立的。
但在列车高速运行的情况下，通信系统与信号系统应能形成一个高级自动化的通信、指挥、控制和信息系统。
（4）通信与计算机与计算机相结合，形成一个现代化的运营、管理、服务系统。
计算机的广泛应用和通信系统将其连结成网，为各种服务提供了先进的设备条件。
旅客售票系统就是一个典型的例子。
这种通信与计算机的结合，也是上述系统实现的基础。
（5）通信应完成多种信息的传输和提供多种通信服务。
除了电话这种语声信息的传输外，在高速铁路通信中还有大量的非话业务，即数据、图像、监控信号的传输与处理，并且数据及图像业务将成为主要业务。
随着近年来通信技术的飞速发展，综合业务数字通信网（ISDN）也已成为现实。
（6）多种通信方式结合形成统一的铁路通信网。
除了站间和地区的有线电话和数据通信网外，与运行中的列车实现通信联系是离不开无线通信的。
目前，通信新技术的发展层出不穷，例如移动通信、卫星通信、微波中继通信、室内无线通信等将与光纤通信、程控交换等相结合，形成一个多种方式和手段的通信网。
它将大大提高通信的可靠性和有效性，满足高速铁路提出的各种需求，充分发挥通信保证行车安全和提高运输效率的作用。
下面简要介绍日本新干线高速铁路通信系统的概况，以便对高速铁路通信系统的组成和特点有一个初步的、完整的了解。
1．按照高速铁路对通信的使用要求，日本新干线的通信系统可分为三类。
（1）有关行车安全与提高效率的通信系统（图8-6）
①列车自动控制（ATC）用的通信。
它用来传输ATC的控制信息，分别由轨道电路和ATC用的电缆构成。
②变电所遥控（CSC）用的通信。
它由调度所用来遥控沿线各个变电所、各个开闭所和变频所的隔离开关。
③风速、雨量监视用的通信。
高速列车在穿过复杂的地形时，需对当地的气象进行观测，以保证行车安全。
在河流和峡谷的桥梁上需安装风速计，在暴风雨时向调度所报警，故需要有风速、雨量监视用的通信系统。
④沿线电话。
它是供沿线轨道和架空线路检查维修人员作业时联系用的。
⑤列车运转调度电话。
它是调度员与列车司机之间运转调度用的列车无线电话。
⑥列车集中控制（CTC）用的通信。
它是连接调度所与沿线各处信号室的信息传输系统，用以进行调度集中控制，安排沿线各站的列车进路。
⑦传真电报。
它用来传达调度所向车站、运转室、车长发布的命令信息。
⑧车站运转调度电话。
它是调度员与各站值班员及运转室、车长所之间的运转调度电话和营业调度电话，是能进行全呼或个别选呼的直通专用电话。
⑨防护无线。
沿线作业人员在工作时设置防护无线，当列车接近时发出警告音响，以保证作业人员的人身安全。
⑩站内无线电话。
它是正线列车与各站运转室及信号楼联系用的站内专用无线电话。
⑾站间行车专用电话。
它是在ATC发生故障而实行代用闭塞方式行车时所使用的直通电话。
图8-6有关行车安全与提高效率的通信系统
（2）为旅客服务的通信系统（图8-7）
①客票预售通信。
它用于各站客票预售窗口所用设备之间联系的通信。
②站内旅客向导通信。
车站所用的表示列车到发时间、停靠站台号码等的表示广播设备用的通信。
③车长列车电话。
它用于列车运转车长与调度所、各站值班员之间的相互联系。
④客运调度电话。
它用于调度员与车站客运值班员之间的通信。
⑤传真电报。
它用来传达调度员向车站发布的客运调度命令信息。
⑥列车公用电话。
它用于旅客在车上与市内电话用户之间的通信。
图8-7为旅客服务的通信系统
（3）设备维修及运营管理用的通信系统（图8-8）
①移动无线电话。
指在设备维修人员乘用的机动车上装设的无线电话，用以和有关单位联系。
②无线呼叫。
为中央综合调度所或地区调度所选叫在沿线进行设备维修的工作人员之用。
③直通专用电话。
养路、电力、信号等业务单位相互联系用的直通电话。
④沿线电话。
⑤传真电话。
⑥交换电话。
⑦作业时间表示通信。
确认作业时间（即无列车运行的时间）表示的通信。
2．按照通信的类别可分为：
（1）语音通信，主要传输人的语言信号。
①交换电话。
利用交换机接续的电话通信，如地区电话、市内电话等。
过去采用步进制、纵横制电话交换机，现在采用全数字式程控电话交换机。
②专用电话。
调度员所用的列车运行调度电话（即一种专用电话），现在多采用频率式调度电话。
③列车电话。
列车运行中进行的电话通信采用列车无线通信。
它使车站与乘务员、乘务员与车长之间可进行电话通信，使列车和地面的通信成为可能。
这对于保证行车安全，改善对旅客的服务具有很大作用。
④卫星通信。
在铁路上利用卫星通信可传输地震信息，解决灾害及事故现场的通信。
同时，卫星通信也可用来实现铁路局之间通信、会议电话和列车定位等。
图8-8设备维修及运营管理用的通信系统
（2）控制信号通信，主要传送各种控制信号。
这是通信技术与信号技术相结合的结果。
①电子闭塞装置、应答器等信号的传输。
②道口装置、联锁装置、信号装置信号的传输。
③行车指挥自动化系统的通信。
④编组站综合自动化系统的通信。
⑤程序进路控制系统的通信。
（3）数据通信，主要传送各种信息系统的数据信号。
①数据交换系统。
从原来的电报交换机发展成现在的使用计算机的数据交换系统。
②集装箱信息系统。
进行集装箱预约的信息系统。
③计算机座席预订系统。
采用计算机进行座席预订的系统，以取代人工售票。
（4）图像通信，主要传送传真图像信号。
①交换传真。
主要传送传真图像信号。
②专用传真。
用于单一目的的传真通信，如局调度向各站和区间传送命令和信息的专用传真。
从上述日本新干线高速铁路通信系统概况可以看出，它是一个种类繁多、技术先进的系统，包含了各种通信方式和手段。
没有这样一个现代化的通信系统，实现列车的高速运行是难以想象的。
高速铁路通信网的技术水平及其体系结构，均基于高速铁路运营的需求。
各国在修建高速铁路时又以历史背景、国情、地域分布以及经济发展目标等众多因素为依据，因此，各国高速铁路的模式不尽相同，相应地其高速铁路通信网也不同。
但是，从高速铁路的技术水平、基础设施、管理经验以及安全保障等层面上来考察，日本、法国和德国的高速铁路，具有举世公认的优势，其专用通信网也比较先进和完善，为世界各国建设高速铁路专用通信系统提供了参考和借鉴。
我国构想的高速铁路专用通信网系统框图如图8-9所示。
由图可见，高速铁路专用通信网由光缆SDH光同步数字传输系统（专用长途通信网）、区段通信（ISDN）网、无线通信系统、电话交换网、分组交换（数据通信）网、帧中继（FR）网、用户接入网（包括列控信息传送局域网）以及支撑网等所组成。
图8-9高速铁路专用通信网框图
应特别指出的是，为适应列车最高速度350km/h的要求，移动通信应采用铁路专用全球移动通信系统GSM-R（GlobalSystemforMobileCommunication-Railway），我国铁路已将其确定为铁路移动通信的发展方向。
GSM-R系统具有的功能有：
①行车调度与列车控制数据传输；②列车无线调度电话；③区间及枢纽公务移动通信；④应急抢险通信；⑤旅客服务信息传送等。
GSM-R系统始于20世纪90年代末的欧洲，图8-10为欧洲采用GSM-R的列车运行自动控制示意图。
图8-10欧洲采用GSM-R的列车运行自动控制示意图
高速铁路专用通信网络系统是高速铁路行车指挥和安全运营的神经中枢，占据极其重要的地位。
然而，高速铁路的专用通信网络系统又没有固定的模式，其体系结构也依据各国的具体实情而有所变化。
从技术层面上来考察，我国高速铁路专用通信网络系统，应建成具有先进性、可扩展性和可维护性，达到国际先进水平，力争成为世界上一流的专用通信系统。
复习思考题
1．高速铁路的信号技术与普通铁路有何不同？
请简要说明。
2．请简述高速铁路列车运行控制系统的组成及其主要功能。
3．请简述国外高速铁路通信技术的基本特点。
4．请查阅有关文献资料，了解GSM-R的最新技术进展情况。
希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：
1、生气，就是拿别人的过错来惩罚自己。
原谅别人，就是善待自己。
2、未必钱多乐便多，财多累己招烦恼。
清贫乐道真自在，无牵无挂乐逍遥。
3、处事不必求功，无过便是功。
为人不必感德，无怨便是德。
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