欧洲铁路信号系统概述及发展趋势

欧洲铁路信号系统概述及发展趋势（本文转自网络）————————————————————由技术交流群“地铁信号”，群号：222723082，群主清峰整理，以享给位群友欧洲是世界上铁路昀发达的地区之—。欧洲国家多，国土面积小，各国内部的铁路网很密集。近几年来，欧洲铁路公司和信号公司在对各自的既有信号系统进行升级或者技术改造的同时，在欧盟(EU)委员会和国际铁路联盟(UIC)的推动下，欧洲7大铁路信号公司，如法国的Alstom(阿尔斯通)公司、瑞典的Adtranz公司、德国的Siemens(西门子)公司、法国的Alcatel(阿尔卡特)公司、意大利的Ansaldo(安萨尔多)公司(含法国CSEE公司)、英国WestingHouse(西屋)公司，以及Invensys公司，联合起来为信号系统的互联和兼容问题制定信号标准，并制造了相关的产品：在较大范围内开发并应用新型计算机辅助铁路运输管理系统；在进路控制方面，随着区域计算机联锁技术逐步取代陈旧技术，自动化系统得到广泛应用；在列车防护和控制系统方面，研制了基于通信的列车控制系统(CBTC)；为了欧洲铁路信号系统的互联和兼容问题，制定了统一的、开放性信号系统标准，从而实现欧洲各国铁路互通运营。本章根据搜集到的有关欧洲铁路信号系统的论文、报道和技术资料，对它们进行了归纳整理，从列车运行控制系统、欧洲统一先进的列车运行控制系统(即ETCS)、联锁系统、行车指挥系统、高速铁路，以及磁悬浮铁路等方面介绍欧洲铁路信号系统的现状和发展，有关法国、英国和德国的铁路信号系统的详细情况在另外章节专门介绍。第一节列车运行控制系统一、种类繁多的列控系统欧洲有7大铁路信号公司（Alstom、Adtranz、Siemens、Invensys、Alcatel、Ansaldo、WestingHouse，它们都是UNIFE的成员），它们研制生产的列车运行控制系统（ATP/ATC）有十余种，如德国的LZB系列和FZB系列、法国的TVM系列等。这些运行控制系统有的适用于中速铁路，有的适用于高速铁路。在欧洲铁路网上，各个国家的铁路部门使用各自不同的信号制式管理列车的运营。二、基于通信的列车运行控制系统近年来，几乎所有欧洲国家铁路都在建立列车运行管理和保证行车安全系统方面寻求新的经济有效的技术方案，其中包括地区性线路。德国铁路和Adtranz公司共同研究制定了无线通信管理列车运行（FFB）地区性线路运营规划，在建立的列车运行管理系统中，几乎全部通过无线通信系统来实现通信服务联系，完全不用地面信号和监督线路空闲的线路设备，保证在任何线路上的列车运行安全。基于通信的列车控制系统（CBTC）按欧洲统一的安全标准设计，系统符合欧洲PrEN50129和PrEN50128标准设计的一体化安全要求（SIL4，安全完善度等级4）。三、列车控制系统向标准化、统一化发展目前，欧洲由于种类繁多的铁路信号帛式互不兼容，影响了欧洲铁路跨国运输的效率。在欧盟（EU）和国际铁路联盟UIC的支持下，欧洲铁路制定了统一的列车运行管理系统ERTMS（欧洲铁路运输管理系统），包括欧洲列车运行控制系统ETCS（欧洲列车控制系统）、列车与地面的双向无线通信系统GSM-R和欧洲运输管理系统ETMS。第二节欧洲列车控制系统（ETCS）一、ETCS的产生背景在欧洲铁路网上，各个国家的铁路部门使用各自不同的信号制式管理列车的运营，列车运行控制系统（ATP/ATC）多达十余种，如LZB系列/FZB系列、TVM系列等，这些信号和控制系统互不兼容。因此，跨国境运营的列车要么穿过边境抵达另一个国家后停下来更换机车，要么根据运行线路的不同装备多种不同的控制系统（昀多的有6种），当列车穿过边境抵达另一个国家后，切换相应的运行控制系统。因信号制式和控制方式的不同，列车无法在欧洲境内穿越国境时实现互通运营；当列车装备多种控制系统后，由于每种控制系统价格昂贵，使得列车运营及维护费用上升，同时所遇到的繁多的信号技术使得穿越边界的操作非常低效。基于上述原因，这就产生了研制通用信号系统和新型列车控制系统的要求。这种通用信号系统应能满足：跨国境运营的列车不受限制地穿越边界，提高列车运行效率；信号和列车控制系统界面标准化，尽可能减少不同国家的特殊要求；通过鼓励对设备的开放市场来产生商业吸引力，从而降低设备的成本。欧洲铁路运输管理系统ERTMS是欧洲铁路和欧洲信号工业在欧洲委员会的财政支持和国际铁路联盟UIC的支持下，经过大约10年的工作得到的结果。其目的是为了改善信号制式互不兼容的状况，在全欧洲范围内创立一个既可以兼容现有信号体制，又可以在各国统一推广使用的铁路信号标准，保证各国的列车在欧洲铁路网内的互通运营，提高运输效率。二、ETCS的组成前已述及，欧洲铁路运输管理系统ERTMS包括三个组成部分：欧洲列车控制系统ETCS（EuropeanTrainControlSystem）；无线通信系统（GSM-R）；欧洲运输管理系统ETMS（EuropeanTrafficManagementSystem）。其中，ETCS涉及列车控制和信号方面，它包含了所有的信号技术，也就是欧洲信号一体化技术。ERTMS的信号技术表示为ERTMS/ETCS。GSM-R是基于成熟的公共无线通信网络GSM的技术，为铁路专用的通信网络。GSM-R可以覆盖地面设备和车载设备，为它们提供连续的、双向的信息（包括数据和语音）传输通道。无线电技术（GSM-R是基于欧洲EIRENE和MORANE的结果。ERTMS的无线通信技术表示为ERTMS/GSM-R。ERTMS中的ETCS是一个先进的列车自动防护（ATP）系统和机车信号（CabSingnalling）技术规范，安装符合ERTMS/ETCS技术规范的列车运行控制系统，不仅能提高列车的安全性，而且使列车能够在欧洲境内穿越国境时实现互通运营。欧洲采用ERTMS/ETCS的目的，不仅能保证系统的可互操作性，而且还要增强系统的性能，增加系统实现的灵活性，并降低系统的成本。三、ETCS等级欧洲列车控制系统ETCS考虑到长期发展的需要，制定了5个应用等级；ERTMS/ETCS等级0、ERTMS/ETCS等级STM、ERTMS/ETCS等级1、ERTMS/ETCS等级2、ERTMS/ETCS等级3。高等级向下兼容，使得欧洲各国铁路部门可以根据各自的实际需要安装使用不同等级的信号和控制系统。在5个应用等级中，ERTMS/ETCS等级2和ERTMS/ETCS等级3采用移动通信网络GSM-R技术来实现地面与列车之间双向的信息传输（包括语音和数据），因此这两个等级属于CBTC的范畴。（1）ERTMS/ETCS等级0在ERTMS/ETCS等级0中，装备了ERTMS/ETCS的列车可以在没有装备ERTMS/ETCS地面设备或者无本国信号系统的线路上运行，或者在试运行中的ERTMS/ETCS线路上运行。（2）ERTMS/ETCS等级STM在ERTMS/ETCS等级STM中，装备了ERTMS/ETCS的列车，在装备了本国信号系统的线路上运行。为了能够识别本国地面信号，车载设备还需另增加STM（SpecificTransmissionModule，专用传输模块）接口设备。STM把接收到的本国信号译成标准的ETCS报文格式，然后传送给ETCS。（3）ERTMS/ETCS等级1在ERTMS/ETCS等级1中，装备了ERTMS/ETCS的列车，在装备有点式传输设备欧洲应答器Eurobalise的线路上运行，地面向列车传输的信息完全依靠Eurobalise，轨道电路只完成轨道区段的空闲/占用检查和列车的完整性检查。为了增加信息传输的覆盖范围，线路上可以安装欧洲环线Euroloop或者无线注入单元。因此ERTMS/ETCS等级1分成带注入信息和不带注入信息两种类型。（4）ERTMS/ETCS等级2在ERTMS/ETCS等级2中，装备了ERTMS/ETCS的列车，在由无线闭塞中心控制的、并且装备了Eurobalise和Euroradio的线路上运行。车地之间的双向信息通信由GSM-R提供传输通道，由Eurobalise提供列车定位信息，地面设备完成列车完整性检查。（5）ERTMS/ETCS等级3在ERTMS/ETCS等级3中，装备了ERTMS/ETCS的列车，在由无线闭塞中心控制的、并且装备了Eurobalise和Euroradio的线路上运行。车地之间的双向信息通信由GSM-R提供传输通道，列车定位和列车完整性检查由车载设备实现。Eurobalise只提供ETCS等级转换命令。四、ETCS的特点1、ETCS的结构特点ETCS在结构上具有以下特点：模块化结构。模块化结构便于系统的维护和管理。接口标准化。在欧洲联盟EU和国际铁路联盟UIC的支持下，欧洲所有信号公司共同组建了UNISIG工作组，共同制定了统一的ERTMS标准，即ERTMS技术规范。该规范对设备的功能、设备间连接的接口、数据通信协议与格式等制定了统一的标准、不同的应用等级。针对欧洲各国铁路信号制式的差异和运输需要的不同，定义了5个应用等级。5个等级的系统按模块方式构成，为ERTMS/ETCS的用户提供了极大的灵活性。低等级系统升级方便，不同等级可以互通运营。显示界面一致性。不但不同厂家设备的显示界面一致，而且在不同的应用等级中，显示界面的布局相同，只是显示内容有所差别。设备的操作方法相同。不同厂家设备的操作方式相同，只要熟悉一个厂家的设备，就会使用其他厂家的设备。设备的维护方法相同。设备研制与生产依据相同的安全设计规范和生命周期规范。2、ETCS的技术特点ETCS在技术上具有以下特点：系统的开放性：是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议公开，不同厂家的设备之间可实现信息交换。ETCS技术规范是得到欧洲联盟和国际铁路联盟承认的标准，而且该标准是公开的。所有ETCS的设备供应商都可以按照标准设备生产ETCS设备。互可操作性与互用性：互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。由于所有的ETCS的设备供应商均按照统一的ETCS技术规范来设备生产，所以不同厂家的ETCS设备可以任意组合、任意互换使用。兼容性：ERTMS/ETCS的5个应用等级的机车尽管其设备的车载设备不同，但机车可以在不同等级的线路互通运营。可升级：ERTMS/ETCS的低等级系统在原有设备的基础上，增加一些新的设备（模块）就能方便地升级到更高的等级，原有的列车运行控制车载设备在高等级的系统中继续使用。第三节联锁系统近十多年来，欧洲联锁设备经历了从继电器联锁技术到电子计算机联锁技术、再到区域计算机联锁技术的历程，取得了令人瞩目的发展。计算机联锁系统主要用以下方式实现故障—安全：硬件冗余表决：软件冗余表决（具有相异性的不同版本软件比较）；动态信息及接口技术。一、硬件冗余表决技术目前欧洲联锁系统普遍采用以下三种硬件冗余结构：结构核查方法。如阿尔卡特公司联锁装置，采用两台计算机分别按两种不同设计的程序工作，一台计算机按输入指令检查运行和安全情况，另一台计算机核查结果，采用不同的程序检查后确认不会产生危险情况，昀后发出指令。二取二结构/二乘二取二结构。如西门子公司SIMIS计算机联锁系统和意大利安萨尔多公司的计算机联锁系统（ACC）、英国的SSI和SGI、阿尔卡特公司的SELMIS等均采用了三取二结构的硬件表决技术。有三台相同的计算机，采用相同的程序，同时验算指令，如有两台的结果相同，才发出指令。二、软件冗余技术软件冗余技术也就是采用具有相异性的不同版本软件比较。软件冗余有内部比较与外部比较两种方式。内部比较即其中一处理通过通信获得，而另一处理用程序状态数据与其本身状态比较，检查结果正常与否。而外部比较则是第三者（软件或硬件）获得两处理进程的状态、逻辑数据，进行合理性表决判断。意大利安萨尔多公司的计算机联锁系统（ACC）采用具有相异性的不同版本