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）
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欧洲是世界上铁路最发达的地区之—。

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（最多的有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（European Train Control System）；无线通信系统（GSM-R）；欧洲运输管理系统ETMS（European Traffic Management System）。

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（Cab Singnalling）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（Specific Transmission Module，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，最后发出指令。

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软件比较。

三、动态信息及接口技术
动态技术是针对计算机特征为满足安全性而使用的一种技术。

用动态码表示计算机、程序、任务的正常运行，没有死机、停机的发生。

动态码又称为“心跳”信息，形象地表示当前计算在“活着”状态。

动态码用于关键处理、输出上，一旦动态码停止，整个系统关键处理及输出就被强行切断，使系统处理处于安全态。

这种方式类似于其于安全继电器的逻辑电路。

计算机联锁系统采用动态继电器就是基于这种思想。

四、采用区域联锁方式
随着计算机技术和传输技术的发展，欧洲的区域联锁逐步发展起来，并且有广阔的应用，取得了显著经济效益。

区域联锁系统可用于控制道岔、信号及车站的其他设备。

瑞典ABB公司研制生产的计算机区域联锁系统可用于控制道岔、信号及车站的其他设备，已在瑞典、挪威、波兰、德国等国的百余个车站使用。

这是一个分布式系统，联锁中的逻辑检查及行车安全控制等任务在中央机实施，直接控制现场设备。

系统保证列车安全运行的措施是：由不同工作人员编制的两套软件并行运算，并比较执行结果；中央计算机与现场执行端设备之间的信息传输采用安全数传规程；对所控设备实现全面监控，对工作进程中的每一个阶段进行校验。

西门子公司向荷兰铁路交付了世界上最大的计算机区域联锁系统。

它几乎包括了所有的地面设备，取代了20km长区段的7个继电联锁信号楼。

从5个调度员终端控制与监测列车运行。

目前区域联锁信号楼作用区每昼夜大约开行1600列列车，进行500次调车。

西门子公司在12年中安装了80多套区域联锁系统，这些设备已经在德国、法国、奥地利、瑞典及瑞士等国投入运营。

五、计算机联锁的发展方向
从欧洲信号公司生产的联锁系统可以看出，计算机联锁的进一步发展方向是：
编制程序采用SIMATIC编程技术，使设备复杂程度低、规格小、灵活性大，且价钱便宜，确保进程安全。

研制区域运输的控制设备，寻求区域运输系统新技术方案。

有必要根据铁路对电子联锁（计算机联锁）的要求、设备的复杂程度、规模以及联锁结构，对电子联锁设备进行分级，并确定分级方法。

向区域化联锁发展，强调了集中控制和智能化。

第四节 高速铁路
一、欧洲高速铁路网的发展
欧洲高速铁路网未来的发展是以对欧洲居民流动量进一步增长的预测为基础的。

这种预测却有赖于经济发展的速度。

各国结成欧洲共同体和开放东部边界，为欧洲城间运输中居民流动量的增长提供了可能。

1999年，欧盟成员国高速铁路完成旅客周转量527亿人·公里，约占总的铁路旅客周转量（2920人·公里）的20%。

到2000年6月，欧洲高速铁路总长达到3000km。

随着一些国家在建和计划修建高速新线，预计到2010年，欧洲高速铁路网运营里程将达到6000km，2020年更进一步增加到
10000km，同时还将在1500～2000km范围内的高速线上，组织开行夜间高速旅客列车和高速货物列车，运量肯定会有新的增长。

目前，法国国家铁路公司SNCF、西班牙国家铁路公司Renfe和欧洲之星Eurostar是欧洲高速铁路的佼佼者。

SNCF通过扩大运量，成为欧洲最廉价的铁路；Renfe的高速铁路使其获得了最大的收益；Eurostar也占据了伦敦—巴黎、伦敦—布鲁塞尔运输市场的60%和40%。

二、欧洲高速列车可互操作性的技术条件
为了使横贯欧洲的高速铁路系统具有互操作性，欧洲制定了96/48/EC准则，并形成了各子系统的技术条件（TSI），子系统包括：线路基础设施、供电、机车车辆、列车控制和安全、可靠性和运转准备、人员的健康保护，环境保护和技术相容性。

三、高速铁路道岔的监测系统
由于高速铁路的发展和列车密度的不断增加，采用以往的道岔养护方法，安排维修天窗和施工人员安全等方面的问题日益突出。

为此，奥地利Voest-Alpine铁路系统公司研制了一种监测系统，即VA-Roadmaster2000道岔诊断系统。

该系统可由监测中心连续监测道岔状态，通过传感器采集与运营
有关的数据，并随时向有关工务和电务部门提供信息，以便及时进行维修。

该系统为模块式结构，可对道岔传动机构、道岔转辙器、心轨和道岔融雪器等进行监测。

四、高速铁路的列车运行控制技术
高速铁路列车运行的控制技术与普通铁路不同。

德国联邦铁路高速列车采用LZB列车自动控制系统，该系统通过对额定速度与实际速度的比较，自动调节列车速度，监督列车的运行。

地面不设传统的信号机，司机只按司机室内显示信号行车，即所谓“司机室显示优先于地面信号和列车时刻表”的方法。

法国高速铁路采用TGV系列列车运行控制系统。

西班牙马德里-巴塞罗娜高速线采用ERTMS/ETCS2级的设备，实现全自动化运营。

五、高速干线上的列车无线通信
由于高速铁路车地间传输信息速率要求高，所以德国和法国高速铁路都采用列车无线通信系统实现高速列车的车地之间的信息传输。

德国结合机车信号作为主体信号的具体条件，大多采用了ZBF-70系统，型号为AEG-70系统，型号为AEG-Telefunken。

这种列车无线设备的工作频率为450～470MHz，可以保证调度员、司机和车站间的双向通信。

从1986年在部分地区开始使用ZBF90系统，1989年后又陆续采用AEG Olympia型号，后两种设备的技术性能都优于前者，便于与欧洲各国连网。

在法国TGV-A高速铁路线上采用的是瑞士的Autophon型无线通信，其频率为450ＭＨz，它有三个分系统。

随着欧洲铁路信号标准化进程的推进，欧洲高速铁路上的无线通信技术将统一采用GSM-R标准。

六、欧洲未来高速铁路网的行车指挥技术
建立行车指挥系统是保证未来欧洲高速铁路网达到最佳效率和效益的关键。

为了保证欧洲共同体未来高速铁路与各国铁路的既有信号系统继续保留并与之兼容，欧洲高速铁路网系统采用统一的标准体系，该标准体系分成五个层次：ERTMS/ETCS0级、ERTMS/ETCS STM级、ERTMS/ETCS1级、
ERTMS/ETCS2级、ERTMS/ETCS3级。

欧洲高速铁路网系统结构可采用模块式或综合式。

七、高速线路的区域计算机联锁系统
欧洲高速铁路采用了新型的区域计算机联锁系统。

如德国铁路新的高速线路上采用了EIS型区域计算机联锁系统。

该系统的开发是一些车站区域计算机联锁试验系统进一步发展的结果，也是曼海姆—斯图加特高速线路上区域计算机联锁试运用装置进一步发展的结果。

有两个新一代区域联锁总信号
楼安装在汉诺威—符次堡高速线路的车站上使用，每个EIS系统都能保证长约50km的线路区段内地面设备的可靠控制。

八、欧洲高速铁路的发展计划
实现欧洲高速铁路网是国际铁路合作的一个关键性项目。

为此，国际铁路联盟（UIC）成立了专门的高速铁路工作小组，共有36个成员国，覆盖了整个欧洲。

同时，建成欧洲高速铁路网也是欧盟（EU）的目标。

因此，国际铁路联盟和欧盟合作，计划在全欧洲（除原苏联外）建成35000km的高速铁路网，其中20000km为新线。

目前高速铁路工作小组正在具体规划中欧和东欧的高速铁路网，该路网还将向东延伸到俄罗斯和乌克兰。

第五节 行车指挥系统
一、行车指挥系统的用途
行车密度和速度的提高，各种列车速度的差异以及线路通过能力的提高对行车调度提出了越来越高的要求，调度决策必须迅速转化为运营措施。

上述情况要求把行车调度员和车站值班员的工作集中到一个多功能的工作站来完成，即把监视和控制集中到一处完成，以达到更高程度的自动化。

自动识别和解决运行冲突是构成这种自动化系统的基础。

行车控制中心是把行车操作控制和调度合并于一个系统，达到数据信息集中、技术设备集中和人员集中的目的。

行车值班员和调度员均在各自的工作站上操作。

因此，依靠行车指挥系统能提高工作效率，提高调度、运输质量和节省人员。

铁路行车指挥技术为使用最现代化的计算机技术提供了可能性，使铁路系统更安全、灵活、准确和经济。

铁路行车指挥系统的发展趋势是集中化。

铁路行车指挥系统中的重要工作之一就是编制列车运行图。

随着计算机技术的发展，列车运行图的编制已经采用计算机来完成。

二、使用电子计算机编制列车运行图
使用电子计算机编制列车运行图的主要目的是减轻劳动强度、提高运输效率。

如德国联邦铁路1989年开始使用上述系统。

1992-1994年度运行图中已有35%采用上述系统编制，目前德国铁路已经全部用电子计算机编制运行图。

三、列车运行图的编制原理
在相当长一段时间，人们试图把公路运输中众所周知的，反映运输繁忙程度的交通强度λ（车辆数/单位时间）和交通密度κ（车辆数/单位距离）的基本图移植到铁路运输上来，但迄今为止取得的结果表明，不论在平衡曲线图方面，还是“铁路基本图”方面，效果均很不理想。

列车以间隔制运行的铁路区段，列车密度与行车密度之间存在一种线性关系。

欧洲已经寻找到了新的科学评价方法，并建立了相应的操作理论模型。

德国研究采用了一体化均衡式列车运行图（ITF）。

为了使铁路网主要枢纽站各个方向的长途旅客列车以及与市郊列车和城市公共汽车合理衔接，以缩短旅行时间、方便旅客换乘和继续旅行，这种运行图最早于1993年夏季在慕尼黑等一些地区采用，取得了较好效果。

以后，于1994年在莱茵兰法尔茨地区采用。

现已经扩大到德国所有地区。

为了在全国采用一体化均衡式列车运行图，要求以最佳的协调条件予以保证，需要一定的投资用于购置新型机车车辆（特别是适宜于曲线上运行的摆式车体车辆）、改造基础设施和实现地区化。

综合定时循环运行图与城市快速铁路。

综合定时循环运行图起初是适用于多中心的居民点布局结构的。

这种运行图也可称为“地区城市快速铁路”的运行图。

它是按其自身规律性发挥作用的。

若一个地方存在两种以上的交通系统，就会产生换乘问题。

因此，各交通系统必须共同参与编制最佳的运行图，以使乘客以最短的时间换乘。

四、行车指挥系统的技术特点
运行图冲突自动预报软件在行车调度自动化系统中的应用。

该软件可自动在显示屏上以运行图或表格形式预测显示列车运行位置，运行图冲突情况，能否保证旅客换乘和列车晚点等。

行车调度控制与实时信息系统。

在给定一段线路上的铁路运能表现为预定时间内通过的最多列车数。

运能与下列因素有关：闭塞分区的数量列车的最高速度、列车的最大加速度、列车运行模式的可。