我国城市轨道交通信号技术自主化发展策略探讨

郜洪民 宾海丰 付连著

(中国铁道科学研究院，100081，北京∥第一作者，副研究员)

目前，我国城市轨道交通(以下简为“城轨”)进入发展的高峰时期，部分城市已进入网络化运营阶段，通车里程接近发达国家城市水平。“十一五”期间，全国特大城市的地铁和轻轨通车里程超过了1 500 km。据不完全统计，目前国家批复的25个轨道交通建设规划城市至2016年将新建轨道交通线路89条，总建设里程达到2 500 km，投资超过9 000亿元。我国业已成为当今世界最大的城轨市场，因此，以信号、车辆为代表的核心装备技术自主化对于支撑行业未来的健康可持续发展尤为关键。

1 我国城轨信号自主化发展现状

信号系统主要由ATS(列车自动监视)、ATP(列车自动保护)、ATO(列车自动运行)、CI(计算机联锁)、DCS(数据通信)、信号基础设备等多个子系统组成，其设备遍布于全线各处和所有列车，是城轨列车安全运行的控制中枢，具有数字化、一体化、网络化的技术特点。

我国城轨的蓬勃发展，为信号系统提供了广阔的应用市场。与之相对应，我国城轨信号系统的自主研发工作却长期严重滞后于城轨建设的发展。目前，国内尚无供货商可以独立提供整套与国外同类产品具有竞争力的信号系统，在城轨建设中信号系统只能整系统进口或者关键子系统进口，国内供货商仅提供配套设备和部分技术服务。

国外信号技术的引进，一方面暂时满足了国内城轨行业的发展需要，另一方面也使得我们有机会接触到国外城轨信号前沿技术和发展趋势。然而，毫无疑问，国外厂商没有动力和义务把核心技术转让进来。现实情况是，国内城轨信号系统设备的引进过程，似乎成为了国外信号技术的试验过程，很多在国外尚未有成熟应用业绩的新技术、新系统被引进，为日后运营带来了不稳定因素。

目前我国城轨信号系统基本以西门子、阿尔斯通、泰雷兹、安萨尔多等国外厂商为主。在建设运营过程中，这种现状暴露出以下弊端:

(1)建设阶段，信号核心技术掌握在外商手里，用户处于弱势地位，只能被动接受进口信号系统高昂的造价和较长的调试工期。

(2)运营阶段，采用进口设备对系统维护和服务造成了巨大困难，甚至一些轻微的系统故障都难以得到及时处理;此外，备品备件长期依赖于国外供应商也导致了维护成本增加。

(3)更新扩容阶段，对于系统的更新改造或延长线建设，受既有信号制式的制约，难以实现多个厂家竞争，无法有效管控工程造价;对于建设有多条地铁(轻轨)线路的城市，多种信号制式间难以实现资源共享、互联互通，造成了资源浪费。

由此可见，必须尽快摆脱长期依赖国外设备的局面，探索一条符合我国国情的城轨信号系统自主化发展道路。

2 自主化发展路线图

我国城轨建设项目急切需要安全、先进、经济、适用的国产信号系统，包括政府主管部门、建设运营单位以及科研院校在内的我国轨道交通信号业界为此也做出了诸多努力和尝试。回顾我国城轨信号系统自主化发展进程，大致可划分为以下三个阶段。

2.1 国内企业牵头，整套引进国外信号系统

为提高信号系统自主化水平，满足国内城轨项目建设的需要，国家政策规定:城轨信号系统必须以国内企业总包或中外联合体的形式承担项目。2006年以来，已建和再建的城轨项目大多采用这种形式。此种方式的优点是:暂时规避国内尚不能提供整套城轨信号系统技术解决方案的短处，满足了工程建设现实需要，锻炼培养了一批眼界开阔的工程技术人员。不足之处是:核心技术由外方掌控，信号系统真正的自主化程度很低;国内企业为总包或联合体牵头方承担项目，投入人力大，承担了大量事务性、重复性、协调性工作，客观上也造成工程和自主研发工作的脱节，牵制了自主研发工作的进程，无法从根本上改善我国城轨信号系统技术发展缓慢的现状。

2.2 采用国产ATS、CI子系统配套集成

近几年，根据国内信号技术的实际水平，为进一步促进信号技术自主化发展，国家通过在城轨信号系统招标中给予加分等扶持政策，鼓励掌握ATS和CI系统技术的国内企业实行项目总承包，进一步提高信号系统自主化率，降低工程造价和运营维护成本。据不完全统计，采用国产ATS系统和CI系统的线路见表1。

表1 采用国产ATS系统和CI系统的线路统计表

采取这种拆分方式的优点显而易见:打破了国外厂商的技术壁垒，最大限度地应用了国产成熟的信号技术，使分阶段、分系统实施信号技术自主化发展成为可能。不足之处在于:由于无法全面掌握信号系统技术，国内企业处于弱势被动地位;采用国内外设备结合的方式拼凑而成的信号系统，其技术平台难以统一，接口设计繁杂。这种层次的自主化仅仅是适应现阶段发展需求的过渡方案，也是促进信号系统全面自主化的一个必然要经历的中间阶段。

2.3 国内企业提供完整的信号系统

多年的建设实践已经证明，国内企业通过项目合作引进获得国外厂家的核心技术是不现实的，只有国内企业提供完整的信号系统设备和所有技术服务，特别是最为关键的系统设计和ATP、ATO等关键技术，才能打破垄断，实现信号系统真正的自主化。

在国家装备自主化政策指引下，通过不懈努力，我国信号技术完全自主化工作已取得阶段性进展，进入从点到面集合突破的关键时期。北京交通大学已研发出 CBTC关键的 ATP、ATO子系统，并获得在实际工程中应用的机会;中国铁道科学研究院与广州地下铁道总公司联合研发的整套CBTC系统已于2010年完成现场测试，即将开始依托工程应用。

3 自主化发展的要素分析

3.1 提供完整信号系统方案是平等参与市场竞争的立足点

实现真正意义的自主化，就必须培育和发展若干家能提供完整城轨信号系统解决方案的国内企业，参与市场竞争。

信号项目的实施贯穿于系统设计、设备生产、软件编制、接口协调、安装调试、使用操作、维修维护、更新扩能改造等系统的全生命周期过程中，客观上要求供方主体提供产品和服务全程覆盖。国外信号厂商都能够提供完整的信号系统技术解决方案，除了实现利润最大化外，还能够保障系统的完整性和安全性。因此，只有国内信号厂商也能够提供完整的信号系统，才能和国外厂商平等参与项目竞争，具有话语权，否则信号系统自主化就只能依附于他人，难以聚集合力实现突破。

提供完整方案的优势还在于:

(1)可精简各子系统间的接口。随着信号技术向一体化、数字化、网络化方向发展，各子系统和设备间的接口复杂，难以拆分，如果无法实现一家单位或固定组合提供完整的信号系统，则在系统设计和不同项目执行过程中势必存在大量重复性的开发工作，也很难实现接口设计的标准化和规范化，甚至有可能影响系统RAMS(可靠性、可用性、可维护性、安全性)指标。

(2)采用同一技术平台，技术优势明显。从国外成熟经验看，城轨信号系统包括多个子系统，如果能由一家单位提供，就可以有条件实现多项设备，如轨旁CI和ZC(区域控制器)子系统，车载ATP与ATO子系统等，采用统一技术平台，从而有效缩短开发周期、减少开发成本、提高系统安全性和可靠性，并减少未来用户备品备件的数量和种类，降低系统的运营维护成本。

3.2 借鉴先进经验，建立城轨信号技术标准和产品

制约我国城轨信号技术发展的因素之一，就是信号系统技术标准及准入程序陈旧，尚未建立与国际接轨的产品和工程独立认证体系。技术标准是统领行业发展的基石，标准制定更是被看成行业竞争的战略性行为。CENELEC(欧洲电工标准委员会)制定了一系列EN(欧盟标准)，其中与信号相关的标准谱系见图1。它们中的多数已经被IEC(国际电工技术委员会)采纳，上升为引领和评测世界城轨信号技术发展的国际标准。我国作为IEC/TC9专业委员会(IEC内专门负责审议和颁布铁路电气设备(包括信号设备)的国际标准的机构)的具有投票权的成员国，应重点做好以下几方面工作:

(1)应积极参与并跟踪国际标准制定、颁布和变更进程，充分利用GB(国家标准)和TB(铁路行业标准)体系引入国际标准和规范。

(2)培育建立符合我国国情和国际行规的认证体系，尊重信号系统生命周期的基本规律，全程引入国际通行的独立第三方安全评估和认证，改变以往信号领域传统落伍的科研立项—专家评审—技术鉴定—推广应用的自主化应用模式，克服一味追求速度的浮躁心态，从根源上杜绝人为安全隐患。

(3)在工程实施阶段可效仿工程监理模式，改变目前信号工程安全评估由供货商出资被动主导的现状，采用由用户出资主导，设备方和评估方相互制衡的方式，真正实现认证过程的独立与公正。

图1 CENELEC铁路应用主要标准谱系

3.3 CBTC系统主流化趋势为城轨信号技术自主化提供黄金机遇期

CBTC(基于无线通信的列车控制)系统摒弃了传统的轨道电路，以无线网络通信平台作为车地通信媒介，实现车对地高精度列车位置报告以及地对车LMA(移动授权)安全数据通信。它具有灵活的系统分级控制架构、运营效率高、便于维修、易于延伸和改造升级等众多技术优势，日渐成为城轨信号技术的发展方向及城轨信号系统的首选制式。CBTC的技术原理如图2所示。

图2 CBTC原理框图

选择CBTC做为城轨信号系统自主化突破口，可最大限度地节约资源，实现我国城轨信号技术的跨越式发展。

(1)CBTC系统大量采用了目前先进、成熟的COTS(商务现货供应)信息技术，而近年来我国在无线通信、网络通信技术方面的飞跃发展为方案选型提供了多样选择。

(2)CBTC技术在国内外建设中已有了成功的工程实例，主流厂商的CBTC系统在国内均有在建项目实施，为自主创新创造了有利条件。

(3)采用CBTC技术，能够破除轨道电路复杂的数学模型、有限的数据流量、受环境影响的不确定性等不利因素局限。特别是近年来我国在信号理论研究、CTCS(中国列车运行控制系统)体系、基础性设备研制(如欧标应答器、计轴、安全计算机平台、计算机联锁、列车调度指挥等)等方面成果显著，构成CBTC系统的设备(见图3)除ATP和ATO子系统外，其他均可利用既有成熟设备加以适应性开发完成。

图3 CBTC系统组成

3.4 集成与创新相结合，规避技术风险

虽然我国信号供货商目前尚不能提供完整的系统，但其许多子系统和关键设备已在轨道交通行业得到了广泛应用，一些产品还通过了独立第三方安全认证。城轨信号技术的自主创新需要采取系统集成与创新相结合的研发思路，最大化地借鉴和移植既有成熟可靠的信号安全技术和设备，规避技术风险。如德国西门子信号系统的车载VE5系列ATP控制单元以及轨旁ECC(元素控制计算机)联锁控制平台等核心安全设备累计应用年限已超过15年，在其多种制式信号系统中仍在广泛引用。

信号系统的首要任务是确保列车运行安全，设备研发和生产中的“求新、求快”，都有可能带来严重后果。近年来，国内外发生的轨道交通事故教训是极其惨痛的。安全、可靠、适用是信号技术自主化发展的基本准则。

3.5 贯彻“官、产、学、研、用”协同推进的创新原则

城轨信号系统自主研发是一项高投入、高风险的工作，贯彻“官、产、学、研、用”协同推进的创新原则，才有可能实现突破。一个可行的方法是:在国家有关部门的协调和指导下，选择国内2～3家具有规模化运营城轨线路的运营单位，与国内2～3个有实力的信号科研单位签署“责、权、利”清晰的合作协议，形成2～3家城轨信号系统自主创新科研联盟，在制定的统一技术标准的框架下，共同推进信号系统自主化工作。通过运营单位和科研单位双方资源及技术的互补性合作，科研和工程一体化实施，将有力推动城轨信号系统自主化进程。目前北京地铁与北京交通大学、广州地铁与中国铁道科学研究院的合作，均已取得阶段性成果就是很好的例证。

3.6 国家政策扶植为信号技术自主化发展提供有效保证

城轨信号系统事关运营安全，准入门槛很高，在工程招投标工作中通常会对信号系统的开通业绩做出明确规定，无形中为信号系统的自主化发展工作设置了障碍。这也是长期以来国产设备难以取得有效突破的瓶颈。近年来，国家制定了包括《首台(套)重大技术装备试验、示范项目管理办法》、《自主创新产品认定管理办法》等在内的多项政策措施，鼓励自主创新，加大扶持力度。客观上，城轨信号系统自主化发展初期，需要国家在科研立项审批、审查鉴定，以及工程招投标、市场准入条件等方面制定有进入和退出机制的具体扶植政策。信号产业的良性发展壮大，离不开政府管理部门、科研单位、用户单位等多方的协同努力，共同培育。

4 结语

城轨信号系统自主化发展的最终目标并不是狭隘地把国外厂商拒之门外，而是要营造一个公开、公正、公平的市场环境，形成国产信号系统蓬勃发展与国外企业踊跃参加的良性互动。以融洽的“研发－工程”关系为基础，以若干自主创新示范工程为引导，以明确的国家技术政策为扶持，在不远的将来，我国自主化的城轨信号系统一定可以同国外厂商的设备平等地参与市场竞争，为推动我国城轨可持续发展做出贡献。

［1］吴汶麒.城市轨道交通信号与通信系统［M］.北京:中国铁道出版社，2000.

［2］郦萌，吴芳美.铁路信号可靠性安全性理论及证实［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［3］诸蓉萍，吴汶麒.移动闭塞技术及其应用［J］.城市轨道交通研究，2004，7(2):81.

［4］中国铁道科学研究院.国产MTC－Ⅰ型CBTC系统研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2010.

［5］EN 50129铁路应用－通信、信号、处理系统－信号用安全相关电子系统［S］.2003.

［6］黎晓.“十二五”时期我国城市轨道交通发展策略探讨［J］.城市轨道交通研究，2011(8):5.