北京地铁信号系统综述及其发展建议_张志力
都市快轨交通·第28卷第3期2015年6
月
机电工程
doi：10．3969/j．issn．1672－6073．2015．03．026
北京地铁信号系统综述
及其发展建议
张志力
（1．北京交通大学机械与电子控制工程学院
1
王春强
2
张文强
2
北京100044；2．北京市交通委员会运输管理局北京100053）
摘要北京地铁发展历史悠久，技术制式种类繁多，
1北京地铁概况
目前，北京轨道交通运营商有北京市地铁运营有
水平先进，对北京轨道交通的信号系统及设备进行了全面调研和分析，包括信号设备、维修维护、备品备件、人才培训等。分析北京地铁在线运营的信号系统特点，如多制式并存，多家供货厂家并存，多数线路开通时信号系统不能实现全功能开通，信号系统故障不可避免等。特别提出未来的城市轨道交通发展目标是：自主研发信号系统并实施工程应用，建立信号系统的统一制式和设备标准，培养和储备优秀的专业维修人员队伍。关键词
城市轨道交通；信号系统；信号设备；维修维
U231．7
文献标志码
A
护；北京地铁中图分类号
文章编号1672－6073（2015）03－0114－06
）和北京京港地铁有限限公司（简称“北京地铁公司”“京港地铁”）。公司（简称
北京地铁公司前身为北京市地下铁道总公司，是国有独资的特大型城市轨道交通线网的专业运营商，拥有职工29117人。目前，公司经营的线路包2、5、6、8、9、10、13、15号线、括1、八通线、机场线、231房山线、昌平线、亦庄线，运营总里程395km，座车站。公司运营业务涉及专业有车辆运输、客运组织、行车电力调度、供电、通信信号、机电和线路等。
京港地铁是国内城市轨道交通领域首个引入外资的合作经营企业，成立于2006年1月，由北京市基础设施投资有限公司出资2%，北京首都创业集团有限公司和香港铁路有限公司各出资49%组建，拥有职工4680人，负责运营北京地铁4号线、大兴线及14号线，运营里程62km。两家公司的总体运行状况和每条地铁线的运行情况如表1所示。
表1
北京作为政治文化中心，历史悠久的、现代化的特大城市，人口多、规模大，交通压力巨大。城市轨道交通成为缓解交通问题的主要手段。随着地铁规模的快速扩张，未来轨道交通的网络化统筹运行成为必然趋势，管理模式也将随之发生重大变革。信号系统的互联互通是网络化运行的重要条件。然而，受不同地铁建设时期和维修改造的技术发展水平限制，目前运行的北京市轨道交通信号系统种类多且复杂，存在多制式并存、多厂家供货、标准不一致、维修维护困难等问题。为此，本文将予以综述，提出应对措施，并希望对未来的城市轨道交通发展有所借鉴和启示。
收稿日期：2014－06－12
修回日期：2014－07－08
北京地铁总体运营情况
2013年北京市轨道交通线网客流呈快速增长态势，全年客运量达32．05亿人次，日均878．0万人次，同比增长30．54%；其中工作日日均948．9万人次，最高日客运量为1105．5万人次，为缓解地面交通拥堵发挥了巨大作用，表2是各条地铁线的运营状况。
作者简介：张志力，女，工学博士，教授，博士生导师，从事载运工具
zlzhang@bjtu．edu．cn运用工程新材料与新技术的研究，
基金项目：国家自然科学基金（61271049）
114
表2
各条地铁线的运营状况
固定闭塞ATC系统是指基于传统轨道电路的自动闭塞方式，闭塞分区按线路条件经牵引计算来确定，一旦划定将固定不变。列车追踪间隔为若干闭塞分区，与列车在分区内的实际位置无关，制动的起点和终点总是某一分区的边界。列车追踪示意如图1所示。
图1固定闭塞制式列车追踪
准移动闭塞ATC系统也是指基于传统轨道电路的自动闭塞方式。列车间隔是按后续列车在当前速度下所需的制动距离加上安全余量计算和控制的，确保不冒进前行列车占用的闭塞分区。制动的起点是动态的，终点是固定在某一分区的边界。列车追踪示意如图2所示。
2信号系统及设备现状
信号系统作为保证列车安全、正点、快捷、舒适、高
密度不间断运行的重要技术装备，在轨道交通系统中有着举足轻重的地位
［1－3］
。信号系统主要由列车自动
监控子系统（ATS）、列车自动防护子系统（ATP）、列车自动运行子系统（ATO）及计算机联锁子系统（CI）组成。4个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统（ATC）。信号系统采用为分布式管理、集中控制的模式。从地域上分，信号系统主要由控制中心设备、车站设备、车辆基地设备、轨旁设备及车载设备构成。
ATC有2种分类方式：按闭塞制式分类可分为固定式闭塞、准移动闭塞和移动式闭塞；按车地通信方式可分为连续式和点式。
图2
准移动闭塞制式列车追踪
移动闭塞ATC系统采用无线通信、地面交叉感应环线、波导等媒体向车载设备传递信息，列车安全间隔距离是根据最大允许车速、当前停车点位置、线路等信息计算得出，信息被循环更新，以保证列车不间断地收到即时信息。利用列车和地面间的双向数据通信设备，使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息，并据此计算出每一列车的运行权限，动态更新发送给列车；列车根据接收到的运行权限和自身运行状态，计算出列车运行的速度曲线，以实现完全防护的列车
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运行模式。制动的起点和终点都是动态的，更有利于线路通过能力的充分发挥。列车追踪示意图如图3所示。固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞的最大区别在于对列车安全间隔的控制，各线的信号系统的基本情况归纳见表3。
目前，北京市在线运营的信号系统存在以下特点：1）多制式并存。由于各建设时期的技术水平，以及开通运行后技术升级改造的技术水平也不一致，导致目前地铁信号系统有多种制式并存：固定闭塞的信13号线和八通线；
准移动闭塞的号系统有地铁1号线、
表3
图3移动闭塞制式列车追踪示意
各条地铁线采用的信号系统基本情况
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信号系统有地铁5号线；移动闭塞的信号系统有地铁2、6、8、9、10、15号线，亦庄线、昌平线、房山线、机场线、4号线、大兴线及14号线。由于客运量及运行需求大，北京市轨道交通信号系统仍会在较长一段时期内维持多制式并存的局面。它给运营企业带来的最大问题是：由于不同制式的信号系统同时存在，轨旁、车载设备各不相同，种类较多，无法通用；即使制式相同，产品来自不同厂家也不能通用。因此，对运营多条线路的北京地铁公司来说，各条线路的备品、备件以及设备更新都是很大的难题，而且固定闭塞、准移动闭塞系统设备绝大部分为单机配置，一旦发生故障将影响信号系统运行，导致影响地铁的正常运营，这使得信号系统的日常维护维修工作压力较大。
2）多家供货厂家并存。目前，通过招投标竞争机制进入地铁信号系统的供货商已多达十余家，其中外资和合资企业占绝大多数，也有国产自主企业（不到10%）。客观地说，多家供货厂家共同竞标有利于在建设初期降低成本，但对于全寿命周期的成本控制非常不利，也不利于运营管理。经调研发现，国外厂家通常技术研发团队强大，且产量大，在掌握核心技术方面具有明显优势，但在售后服务、备品备件供应以及应急快速响应方面则取决于本地化团队的建设。应该说，大部分国外厂家表现良好、服务到位，但国内厂家在技术支持、维修维护、快速反应方面更有突出优势
［4－6］
护。通号公司的信号系统设备维修维护按照计划修、状态修以及故障抢修结合的模式，每年年底制订次年的维修工作计划表，并按期完成设备巡视、巡检及维护工作。京港地铁公司引入港铁的管理制度，分为预防性维护和故障性维修。无论设备是否在质保期，均正常开展预防性维护工作。目前制订的预防性维护工作指引全面覆盖所有信号设备的日常维护工作，员工按照指引的规定开展预防性维护工作。处于质保期的设备，在进行故障性维修时，由京港员工先行提出，必要时通知承包商提供支持，质保期结束的故障由京港员工进行维修。
4备品备件情况
通常，地铁新建线路按照建设合同中备件的比例
接收备品备件，在系统质保期结束后开始启用。地铁公司根据运营实际需要调整备件品种和数量，并按计划进行增购（申请专用资金采购）；京港公司关键信号系统的备品备件则在集中站配备，并提前做好相应配置，缩短更换时间。现场备件情况每天更新，随时补充。信号部门根据各设备数量、故障率及采购周期等因素合理安排备件库存水平，并定期回顾及时补仓。目前存在的问题主要有：
1）按照合同比例接受的备品备件储备偏少，导致运营公司的备品备件严重短缺，影响系统正常运行。
2）由于信号系统设备电子类部件较多，更新换代较快，有的线路已遇到原型号停产的情况，如地铁4号线。
3）部分新建线路信号系统在开通运营时，供货商未能提供完备的系统维护所需工具和软件，使得正常运营受到很大程度的制约。
4）有的线路信号系统在投入运营后，升级频繁，而供货商升级的备品备件准备不足。
。
3）多数线路开通时信号系统不能实现全功能开通。北京作为首都，城市人口和流动人口众多，地面交通压力巨大，大容量和高效率的轨道交通是缓解地面交通压力的重要渠道。受制于此，很多新建线路建设周期短，试运营时间不长就已正式运营，导致多数地铁线路开通运营时，信号系统来不及实现全功能开通。这样带来的后果体现在：系统设备调试时间不足，功能未完全实现，运行不稳定；系统投入运营后升级频繁，而有些供货商对升级的准备不尽完善。
4）信号系统故障不可避免。信号系统的运营表现不仅受设备影响，还与行车间隔、维护人员故障处理效率、配合人员故障处理效率等因素有很大关系。由于影响因素较多，因此信号系统的“零故障”和“零风险”不现实，也不符合科学。
5人员培训情况
运营公司对信号操作人员均有严格的培训要求。
北京地铁公司建有专门的信号系统培训基地，并采取集中办班、厂家培训、导师制、专题培训等多种形式进行人员培训。信号专业维修人员在上岗前均要经过专业培训，取得专业上岗资质后方可上岗。工作期间需按计划安排业务技能深造培训和专门的技术培训，以提高员工技术水平。定期组织业务技能比赛和考核，按照规定程序对员工业务技能水平进行评定。
京港地铁公司信号维护人员的培训有：新员工入
117
3设备维修维护状况
虽然管理机制不同，两家运营公司在设备的维护
维修方面均有严格的管理制度。北京地铁公司14条既有运营线路的信号系统设备由地铁通号公司负责维
职后，安排入职培训及安全教育，以保证安全生产；员工试用期间，公司对员工进行专业定岗培训，培训考试合格后方可持证上岗；员工参与承包商提供的培训；专业维修部室及公司培训部每年回顾技术人员的专业知识水平，对应安排培训；每月总结重点故障处理经验，组织交流；定期组织考试评估，发现不足，安排培训。此外，信号维修室还要进行岗位能力的评估，分析每个员工的能力欠缺之处，有针对性地开展培训，以加深对信号系统的认识，深入剖析各功能模块的工作原理，重点学习信号系统的故障排查思路；同时，也有针对性地安排员工参加承包商提供的培训。
目前存在的最大问题是人员稳定性问题。由于多制式的信号系统同时存在，要熟悉掌握每一种线路的操作，维修技术人员都需要经过较长时间的学习，因专业性较强，属技术工种。但是经过了很长时间培训后，“跳槽”技术人员又了。因此强有力的制度和待遇保障对形成稳定的信息系统技术人员队伍非常必要。
可预见问题是未来能否满足对信号技术人员的数量需求。以地铁公司的现状进行分析：目前工程技术人员中有高级工程师5人，工程师21人，助理工程师61人，总数合计0．22人/km，工程技术人员呈“金字塔，结构”但人数明显偏少。在信号专业的技师队伍中，有高级技师4人，技师25人，总数合计0．07人/km，占职工总数2．99%，相比北京市人才队伍建设2009年（9．3%）总比例较低。随着运营里程的快速增加，新职工人数的增长比例还要进一步下降，远远不能满足现在及未来的需求。如果按照2020年我市轨道交通运营里程将达到900km左右计算，未来合理的工程技术人员比例应为1人/km（可以混岗使用），总人数应为900人。信号专业的技师类人员应达到职工总数的10%，按企业现有人数计算，地铁公司和京港公司分别应有2900人和460人。
同，但在控制、接口方式、系统构成等方面均有不同，不同供货商、不同制式的系统难以相互兼容，设备维护和备品备件各不相同，不能通用。
经调研发现，目前国内外信号系统技术与设备管理的“车公里数”，总体水平持平，体现在两次5min延误间在CoMET组织成员中名列前茅，系统设备故障率0．088件/万列公里（国标规定0．8件/万列公里），大大低于国际标准，保证了北京地铁在大客流前提下的正常运营。
7发展建议
截至2014年末，我国累计有22个城市建成投运
城轨线路101条，运营线路长度达3155km。北京城市轨道交通的建设和发展在全国范围内比较典型，其建设和维修技术对其他城市有很强的引领和借鉴作用。
1）信号系统的制式统一问题。在世界范围内，不同的信号制式均有选择的空间，前提是以满足安全运营为准则
［7］
。今后在涉及重大安全的轨道交通领域，安全性
和可靠性仍是选择信号系统首要考虑的因素。鉴于移动闭塞信号系统已经比较成熟，建议既有线改造和新线建设项目均逐渐采用移动闭塞制式的信号系统。
2）建立设备统一的标准。地铁的投资、建设、设计及运营管理等相关部门应密切配合，统一规划、统筹考虑，在具体选型和软硬件升级时，结合运营、管理和自身的维修、养护能力，制定系统功能需求标准和大数据库，建立面向用户需求的ATC系统规范，建立模块化管理和统一的设备接口，并建立系统验收标准，同时考虑统一的维修维护标准，完善建设、运营、厂家各单位间的协同保障机制。
3）适当控制信号系统供货商数量，加强对系统供货商的管理和制约。从售后服务角度，在建立标准的基础上，应尽量采用标准、通用产品，使日常的维修维护方便。另外，通过信号系统的升级改造，尽量统一制式，将供货商尽可能控制在3家以内，既有利于引入竞争机制，又有利于运营公司的管理。
4）信号系统的备品备件与电子类部件的更新问题。信号系统备品备件的消耗量极大，售后服务质量良莠不齐。建议：在新线合同中将该比例提高至5%～8%，在备件购置中要侧重购买由承包商独家提供且对运营至关重要的设备，降低市场采购通用备件的比例；若设备总量5%的备件不能满足质保期内的运营需要，说明该设备存在设计缺陷，必须从设计上根本改变，在新线合同中应对此做出明确规定；信号系统设备针对电子类部件较多，更新换代较快，在新线合同中应规定厂
6ATC系统的设备现状与性能
目前，北京市在线运行的信号系统主要的供货厂
家情况如下：提供移动闭塞ATC系统的厂家有阿尔斯通（卡斯柯）、西门子（通号集团）、日本信号（交大微联）、交控科技、庞巴迪；提供准移动闭塞ATC系统的厂家有西门子、西屋（大成公司）、卡斯柯、庞巴迪；提供固定闭塞ATC系统的厂家有西屋、通号院，能够提供联锁设备的国内厂家有铁科研、通号院、卡斯柯。
目前，各供货商的信号系统在国内和国外都没有统一的标准，不同供货商的系统虽然在原理、功能上相118
家在产品生命周期内保证提供符合系统需求的换型产品，且该产品需与原产品兼容使用；运营公司与厂家保持周期性沟通，及时了解备件5年内的供货情况，对可能停产的设备，提前启动换型设备的研究、测试、采购工作。
5）加强信号系统的故障预警、维修方式及故障分析的分析研究。增加在线实时监控设备，特别是通过核心信号设备的相应状态监测手段，增强系统故障防控和预警功能；加强厂家质保期结束后的维修维护方式的专题研究，保证维护工作质量；增强信号故障对行车影响的分析研究工作，提高系统故障甄别能力。
6）建立稳定、数量充足、技术熟练的信号系统维修维护人员队伍。建立专门的人员培训基地，并通过制度和待遇保障，加强维修维护人员队伍建设，包括机构设置、人员能力、年龄组成、工作年限、技术等级等，保障地铁的安全运营。
7）加快自主研发信号系统的工程应用。目前，国内已有多个厂家的CBTC信号系统在多个工程成熟应用，应持续推进国产化和工程应用。今后在招标文件中，遵照相关产业政策，应要求信号系统达到一定的国产化率。在评标办法中，应对于具有多条CBTC开通运营业绩的供货厂家给予一定的鼓励。
参考文献
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（编辑：郝京红）
AnOverviewonSignalingSystemin
BeijingUrbanＲailTransitand
SomeSuggestions
ZhangZhili1
WangChunQiang2
ZhangWenqiang2
（1．SchoolofMechanical，ElectronicandControlEngineering，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044；2．TransportationAdministrationofBeijingMunicipal
CommissionofTransport，Beijing100053）
Abstract：UrbanrailtransitinBeijinghasalongdevelopmenthistoryandadoptsmultiplesystemsandtheirtechnologiesareadvancedinChina．Thestate-of-the-artsignalingsystemtechnologies
including
signal
devices，repair
and
maintenance，sparepartsandpersonneltraining，etc．ofBeijingurbantransitarethoroughlyreviewedinthispaper．AnalysisonthecharacteristicsofthesignalsysteminBeijingSubwayoperationlinesaremadesuchasmultisystemcoexistenceandanumberofsuppliers．Furthermore，thefullfunctionopenofsignalsystemcannotbereachedinthemajorityofBeijingSubwaylinesandthesignalsystemfailureisinevitableandsoon．Thedevelopmenttargetinthefutureisputforwardwhichincludesindependentresearchingsignalsystem，promotingitsengineeringapplication，establishingitsuniformformatandequipmentstandards，trainingandreservingtheprofessionalexcellentserviceteams．
Keywords：urbanrailtransit；signalingsystem；signaldevice；repairandmaintenance；BeijingSubway
櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲櫲
（上接第108页）
ＲeconstructionofExistingMetroStationStructureinSoftSoilGround
ZhangLiming1
GuoYibin2
ZhaoChaoying3
SuYe1
（1．TianjinMetroCo．，Ltd．，Tianjin300000；2．SchoolofCivilEngineering，ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement，Zhengzhou450015；3．TianjinHuantongElectronicEngineeringCo．，Ltd．，Tianjin300457）
Abstract：Amethodforlargeundergroundstructurereconstructionisanalyzedbyusinganexistingmetrostationstructurereconstructionprojectasacase．Thesequenceconstructionmethodisputforwardforreconstructionalongthestationlengthdirectionandlayeredmethodissuggestedtoconstructthenewstructurefromtoptobottomalongthedepthdirection．Threedimensionalfiniteelementsimulationsareperformedtopredictthestressanddeformationoftheexistingstructureandthereconstructionschemewithnewundergroundcontinuouswall．Thereconstructionschemeisoptimizedbythenumericalsimulation．Fieldobservationandmeasurementshowthattheexistingstructureremainssafeandthedeformationyieldedduringreconstructionmatchquitewellwiththepredictedvalues．
Keywords：urbanrailtransit；softsoil；undergroundstructure；stationreconstruction；numericalsimulation
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