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      海外信號(hào)系統(tǒng)需求分析研究

      2019-04-08 11:09:34
      關(guān)鍵詞:信號(hào)系統(tǒng)鐵路標(biāo)準(zhǔn)

      黃 蔚

      (北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 100070)

      我國(guó)近十幾年來(lái)已經(jīng)成為世界上高速鐵路發(fā)展較快的國(guó)家。在高速鐵路建設(shè)過(guò)程中,經(jīng)過(guò)實(shí)踐逐步形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的中國(guó)信號(hào)系統(tǒng),信號(hào)裝備也隨之進(jìn)入到高速發(fā)展的時(shí)期。隨著裝備的不斷進(jìn)步和發(fā)展,企業(yè)也在不斷尋求海外鐵路市場(chǎng)的機(jī)遇。

      對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),要進(jìn)入海外鐵路市場(chǎng),首先就要了解海外市場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)的需求有什么不同。幾年來(lái)對(duì)海外鐵路項(xiàng)目的摸索陸陸續(xù)續(xù)開(kāi)展,先后接觸了亞洲、非洲、獨(dú)聯(lián)體、南美、北美及歐洲等地區(qū)部分國(guó)家鐵路的招投標(biāo)項(xiàng)目。從技術(shù)要求的角度看,共通點(diǎn)很多,但差異性也很明顯,主要可以歸類(lèi)為英標(biāo)(歐標(biāo))、美標(biāo)、以及獨(dú)聯(lián)體標(biāo)準(zhǔn)等。另外,除了技術(shù)體制的不同外,在這些工程項(xiàng)目的招投標(biāo)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)雖然運(yùn)營(yíng)概念類(lèi)似,技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)一致,基礎(chǔ)系統(tǒng)組成相同,但在管理體制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注點(diǎn)、設(shè)計(jì)理念等方面的需求與國(guó)內(nèi)存在諸多的差異。本文主要從海外鐵路發(fā)展、海外項(xiàng)目特點(diǎn)、設(shè)計(jì)理念等方面進(jìn)行分析。

      1 海外鐵路及信號(hào)裝備發(fā)展

      1.1 普速鐵路

      世界鐵路的發(fā)展已有百余年的歷史。從19 世紀(jì)下半葉至20 世紀(jì)初,是海外鐵路建設(shè)的高潮階段,這個(gè)階段的鐵路主要集中在英國(guó)、美國(guó)、俄羅斯,以及德國(guó)、法國(guó)等幾個(gè)國(guó)家。20 世紀(jì)20 ~60年代,由于公路、航空運(yùn)輸發(fā)展,英國(guó)、美國(guó)、及法國(guó)等歐美國(guó)家鐵路營(yíng)運(yùn)線路均有大幅萎縮。與此同時(shí),殖民地及發(fā)展中國(guó)家鐵路營(yíng)運(yùn)里程呈快速上升態(tài)勢(shì)。至20 世紀(jì)60 年代,世界各國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到130 余萬(wàn)km,其中歐美占比超過(guò)70%。

      這個(gè)時(shí)期,鐵路信號(hào)裝備主要是保證列車(chē)基本運(yùn)行安全的繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)和閉塞系統(tǒng),軌旁裝配軌道電路、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備,列車(chē)安裝機(jī)車(chē)信號(hào)或自停設(shè)備。英國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家在早期鐵路建設(shè)中先后形成了各自的技術(shù)體系,并在實(shí)踐中不斷完善,殖民地半殖民地國(guó)家鐵路信號(hào)則承襲上述國(guó)家的技術(shù)體系,如:南亞印度、孟加拉等國(guó)家采用英國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。上述信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)體系之間的差異除聯(lián)鎖電路差異外,信號(hào)顯示、軌道電路制式等方面均存在差異。

      1.2 高速鐵路

      20 世紀(jì)60 ~80 年代,日本、法國(guó)、德國(guó)先后建成了各自早期的高速鐵路。21 世紀(jì)初,我國(guó)的高速鐵路建設(shè)使世界高速鐵路營(yíng)運(yùn)里程迅速增長(zhǎng),至2018 年,我國(guó)高速鐵路營(yíng)運(yùn)里程已占全球總里程的60%之多。

      這個(gè)階段是計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的階段,傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)最大變化就是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的出現(xiàn),并逐漸在新建和改造項(xiàng)目中取代既有繼電聯(lián)鎖。

      此外,傳統(tǒng)的地面信號(hào)已無(wú)法滿(mǎn)足高速列車(chē)的運(yùn)行安全,因此出現(xiàn)了高速列控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車(chē)的超速防護(hù),保證列車(chē)運(yùn)行安全。

      海外主要市場(chǎng)列控技術(shù)的發(fā)展如圖1 所示。

      圖1 海外列控技術(shù)的發(fā)展Fig.1 Ovreseas train control technology development

      當(dāng)前互聯(lián)互通的需求已經(jīng)成為各國(guó)鐵路的共識(shí),基于互聯(lián)互通建設(shè)的成熟列控系統(tǒng)主要有ETCS、我國(guó)的CTCS 系統(tǒng)。

      2 海外項(xiàng)目的特點(diǎn)

      2.1 項(xiàng)目特點(diǎn)

      海外鐵路招投標(biāo)項(xiàng)目新建較少,主要為既有線改造項(xiàng)目,包括線路及裝備改造,部分增建復(fù)線,部分進(jìn)行電氣化改造。在這些既有路網(wǎng)的改造項(xiàng)目中,有些裝備是20 世紀(jì)70 ~90 年代建設(shè)的,有些裝備的年代更為久遠(yuǎn)。

      由于國(guó)外人口密度不大,經(jīng)濟(jì)發(fā)展平緩,無(wú)論是客運(yùn)還是貨運(yùn)量需求都不高,因此對(duì)速度的要求也不高。低運(yùn)量、低速度的特點(diǎn)決定了海外鐵路項(xiàng)目招標(biāo)多以保障運(yùn)輸安全的基礎(chǔ)裝備為主,包括聯(lián)鎖、轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、列車(chē)占用檢查設(shè)備,以及提高道口通過(guò)車(chē)輛和行人安全的道口控制系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上要求實(shí)現(xiàn)CTC 調(diào)度集中控制。部分地區(qū)的既有線路有機(jī)車(chē)信號(hào)的需求。

      由以上招標(biāo)內(nèi)容可以看出,海外項(xiàng)目重點(diǎn)在基礎(chǔ)設(shè)備。

      2.2 技術(shù)要求特征

      如前所述,海外很多國(guó)家具有相當(dāng)長(zhǎng)的鐵路發(fā)展史,有自己的運(yùn)輸管理體制和工程應(yīng)用習(xí)慣,技術(shù)體系受英國(guó)(歐洲)影響最大,其次美國(guó)和俄羅斯技術(shù)體系覆蓋面也較廣。

      海外招投標(biāo)主要技術(shù)特征如下。

      1)符合既有運(yùn)營(yíng)習(xí)慣以及工程應(yīng)用習(xí)慣,滿(mǎn)足既有技術(shù)體系要求。

      2)與既有系統(tǒng)兼容,比如:獨(dú)聯(lián)體國(guó)家的鐵路項(xiàng)目,無(wú)論新建還是改造,都需要兼容既有機(jī)車(chē)信號(hào);英聯(lián)邦或過(guò)去的英殖民地國(guó)家的鐵路項(xiàng)目,需要與TPWS(一種英制的列車(chē)防護(hù)系統(tǒng))系統(tǒng)接口;美國(guó)聯(lián)鎖設(shè)備需包含與其既有軌道電路兼容的軌道電路及其控制模塊。

      3)經(jīng)濟(jì)性改造的需求,這是海外項(xiàng)目的一個(gè)重要特征,在滿(mǎn)足基本安全保障前提下,不僅要求建設(shè)成本低,而且要求低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本,即系統(tǒng)的全生命周期成本要有競(jìng)爭(zhēng)力。

      4)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境差異大,維護(hù)人員技術(shù)素質(zhì)不同,對(duì)產(chǎn)品可靠性要求高,免維護(hù)、少維護(hù)要求高。

      由以上技術(shù)特征可以看出,信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)既有的工程進(jìn)行深入調(diào)查,基礎(chǔ)產(chǎn)品應(yīng)具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)和低成本的特點(diǎn),以滿(mǎn)足海外市場(chǎng)需求。

      3 信號(hào)設(shè)計(jì)理念

      海外項(xiàng)目設(shè)計(jì)最根本的設(shè)計(jì)理念是按需求設(shè)計(jì),主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

      3.1 標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)體系的符合性

      符合標(biāo)準(zhǔn)是所有項(xiàng)目的基本要求。

      招投標(biāo)中提出的信號(hào)系統(tǒng)符合性標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)方面:產(chǎn)品設(shè)計(jì)的通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),以及應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

      通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要包括電子設(shè)備設(shè)計(jì)中要遵循的環(huán)境和防雷電磁兼容等電氣標(biāo)準(zhǔn)、信號(hào)安全標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)等,關(guān)于電氣和安全的通用標(biāo)準(zhǔn)主要見(jiàn)于IEEE、EN 等國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)。此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)有對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo),要求是等同的。

      應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容比較寬泛,例如國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)ETCS 互聯(lián)互通規(guī)范。但對(duì)于聯(lián)鎖等基礎(chǔ)設(shè)備,不同地區(qū)或國(guó)家通常有各自的標(biāo)準(zhǔn)或者文件規(guī)定。

      應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)典型的如北美的AREMA 標(biāo)準(zhǔn),英標(biāo)BS 的部分標(biāo)準(zhǔn)等。與國(guó)內(nèi)的XX 技術(shù)條件類(lèi)似,標(biāo)準(zhǔn)通常包含了產(chǎn)品的通用標(biāo)準(zhǔn)符合性要求,也包含了信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)定、產(chǎn)品技術(shù)條件和安裝等的專(zhuān)用要求。以北美的AREMA 標(biāo)準(zhǔn)為例,標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信號(hào)設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試、安全保證等各方面做了詳細(xì)規(guī)定:

      1)工程設(shè)計(jì)規(guī)定:包括信號(hào)設(shè)計(jì)原則、電路設(shè)計(jì)、安裝設(shè)計(jì);

      2)各系統(tǒng)功能、設(shè)計(jì)原則、技術(shù)條件,包含聯(lián)鎖繼電電路;

      3)主要器材材料的電氣、機(jī)械特性和安裝要求,包括:繼電器、信號(hào)機(jī)、軌道電路相關(guān)器材、道岔轉(zhuǎn)換、機(jī)械安裝裝置等;

      4)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的軟硬件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子接口設(shè)計(jì),電路防護(hù)要求、安裝及測(cè)試要求;

      5)電源設(shè)計(jì),包括蓄電池、充電裝置等的設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試要求;

      6)安全保證程序及技術(shù)要求

      ……

      由于應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容多,涵蓋范圍廣,因此海外主要技術(shù)體系的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)需要細(xì)致對(duì)標(biāo),并在實(shí)施中嚴(yán)格執(zhí)行。

      3.2 成本最優(yōu)設(shè)計(jì)

      成本最優(yōu)控制是海外項(xiàng)目的重要設(shè)計(jì)理念。降低成本涉及多方面,包括信號(hào)系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì),也包括房屋配套要求,電源能耗,還有后期維護(hù)成本等等,需要綜合考量。

      信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)在滿(mǎn)足用戶(hù)運(yùn)營(yíng)習(xí)慣的前提下,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置。產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)成本優(yōu)化有很大影響,如:產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝方式等。通過(guò)方案優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、安裝方式優(yōu)化以及配置優(yōu)化以達(dá)到降低成本的目的。

      1)軌旁安裝方式設(shè)計(jì)

      目前海外項(xiàng)目的聯(lián)鎖系統(tǒng)招標(biāo)均要求對(duì)軌旁控制對(duì)象的控制接口取消繼電器,即采用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大減小設(shè)備房的空間要求。同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟應(yīng)用,智能化網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)控制器可方便的支持分布式軌旁安裝方式。小站以及線路所,采用軌旁安裝方式,可節(jié)省設(shè)備用房投資。在控制對(duì)象集中區(qū)域采用軌旁控制箱,可有效減少電纜使用量,信號(hào)項(xiàng)目中電纜及其敷設(shè)投資占比是很大的,減少電纜用量是降低成本的一個(gè)重要手段。

      另外在幾乎每個(gè)海外項(xiàng)目中都存在大量道口,且道口一般沒(méi)有設(shè)備用房,因此道口控制設(shè)備需適應(yīng)軌旁安裝方式。

      2)增強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性需求

      提高設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性是成本優(yōu)化設(shè)計(jì)要考慮的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

      海外項(xiàng)目地域分布廣,不同地區(qū)溫度差異大,且聯(lián)鎖設(shè)備用房通常不設(shè)空調(diào)等機(jī)房設(shè)施,這樣做一方面減少建設(shè)投資,另一方面降低運(yùn)營(yíng)能耗,減少設(shè)備維護(hù)成本。因此海外項(xiàng)目對(duì)聯(lián)鎖設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求較高,需要設(shè)備能適應(yīng)更寬的工作溫度范圍。

      與聯(lián)鎖位于同一設(shè)備房?jī)?nèi)的其他設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性需求容易被忽視,典型的如區(qū)間點(diǎn)的維護(hù)監(jiān)測(cè)顯示器,在沒(méi)有空調(diào)且環(huán)境溫度條件很差的情況下,就需要考慮替代方案。

      3)配置優(yōu)化

      在海外項(xiàng)目招投標(biāo)中,信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、供貨是作為整包發(fā)包的,這給在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行配置優(yōu)化提供了可能。

      以監(jiān)測(cè)為例,目前各系統(tǒng)設(shè)備均配置監(jiān)測(cè)設(shè)備,同時(shí)還有信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng),每個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備都可以提供圖表形式的功能完善的監(jiān)測(cè)查詢(xún),車(chē)站機(jī)械室可能同時(shí)存在多個(gè)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備。如果采用綜合維修監(jiān)測(cè)替代,既實(shí)現(xiàn)了配置優(yōu)化,同時(shí)也降低了能耗,如圖2 所示。

      圖2 多個(gè)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備與綜合維修監(jiān)測(cè)對(duì)比圖Fig.2 Comparison of maintenance equipment configuration

      4)產(chǎn)品工廠化安裝調(diào)試設(shè)計(jì)

      海外項(xiàng)目由于有雇傭當(dāng)?shù)毓と耸┕さ囊?,所以施工的人工成本很高,有些還面臨不可控的風(fēng)險(xiǎn),因此減少施工量、采用標(biāo)準(zhǔn)化施工,以降低對(duì)施工人員技術(shù)要求,是降低成本的一個(gè)重要方面。

      海外出差成本很高,工廠化測(cè)試調(diào)試可有效減少現(xiàn)場(chǎng)人員需要。

      3.3 符合運(yùn)營(yíng)需求的設(shè)計(jì)

      與信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)需求主要包括:功能性需求、操作性需求,以及運(yùn)營(yíng)和維護(hù)體制。

      1)與運(yùn)營(yíng)需求相適應(yīng)的設(shè)計(jì)

      從設(shè)備配置角度看,在成本最優(yōu)的前提下,提供超出基本運(yùn)營(yíng)需求的增強(qiáng)功能是好的設(shè)計(jì),反之應(yīng)避免提供非招標(biāo)要求的功能而造成成本上升。

      信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)與運(yùn)營(yíng)體制和運(yùn)營(yíng)人員配置相適應(yīng)。

      以CTC 系統(tǒng)為例,國(guó)內(nèi)采用分散自律CTC 系統(tǒng),與車(chē)站設(shè)置行車(chē)人員是相適應(yīng)的。海外由于人工成本較高,很多地區(qū)或項(xiàng)目只有集中控制,在車(chē)站沒(méi)有本地運(yùn)營(yíng)控制操作,只有應(yīng)急操作。兩種方式對(duì)比如圖3 所示。這種情況下,自律機(jī)的配置將導(dǎo)致項(xiàng)目成本的上升。

      圖3 自律方式和集中控制方式對(duì)比圖Fig.3 Comparison of decentralized autonomous CTC and centralized CTC equipment configuration

      另如聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì),海外項(xiàng)目很多中間站規(guī)模很小,有些中間站沒(méi)有配置生活設(shè)施,當(dāng)運(yùn)營(yíng)方?jīng)]有本地操作控制要求的情況下,可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),采用集中控制,方便運(yùn)營(yíng)的同時(shí),減少設(shè)備投入,降低后期維護(hù)成本。

      2)與維修體制相適應(yīng)的設(shè)計(jì)

      海外大部分地區(qū)的鐵路維護(hù)人員配置很少,多數(shù)車(chē)站內(nèi)沒(méi)有維護(hù)人員。這種情況下,集中維護(hù)監(jiān)測(cè)就顯得很重要,車(chē)站則以數(shù)據(jù)記錄功能為主。維護(hù)終端應(yīng)僅在維修人員的工作點(diǎn)進(jìn)行配置,減少車(chē)站維護(hù)工作。

      除集中維護(hù)監(jiān)測(cè),產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)考慮維護(hù)人員的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)操作需要,提供方便的故障報(bào)警提示,使板件更換操作一目了然。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      海外市場(chǎng)對(duì)企業(yè)充滿(mǎn)機(jī)會(huì),也充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。在向世界力推中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),只有深入了解海外市場(chǎng)需求,適應(yīng)需求變化,才能在海外市場(chǎng)走得更遠(yuǎn)。

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