軌交信號(hào)系統(tǒng)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

作者 | 劉艷青 上?？匕舶踩珳y(cè)評(píng)中心安全測(cè)評(píng)部測(cè)試經(jīng)理

版塊 | 鑒源論壇 · 觀通

系列簡(jiǎn)介：隨著城市軌道交通網(wǎng)的逐步擴(kuò)大，信號(hào)系統(tǒng)在保證行車(chē)安全前提下，于提高運(yùn)輸效率、以及改善和行車(chē)有關(guān)的技術(shù)人員作業(yè)條件等方面起到至關(guān)重要的作用。為了讓不了解軌交信號(hào)系統(tǒng)的技術(shù)人員對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)有一定認(rèn)識(shí)，我們編制了軌交信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)系列文章，希望本系列文章可以對(duì)讀者在專(zhuān)業(yè)知識(shí)的積累和補(bǔ)充上有所幫助。本系列文章從軌交信號(hào)系統(tǒng)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介開(kāi)始，逐步向信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備細(xì)化，梳理軌交安全系統(tǒng)的框架，到聯(lián)鎖系統(tǒng)功能解析等深入，從粗到細(xì)，從框架再到具體，逐步展開(kāi)。

01 鐵路設(shè)備的分類(lèi)和組成

鐵路設(shè)備通常是由鐵路線路及經(jīng)過(guò)的各個(gè)車(chē)站，運(yùn)行在鐵路軌道上的機(jī)車(chē)車(chē)輛及相關(guān)車(chē)輛整備和修理設(shè)備，以及統(tǒng)稱為鐵路通信和鐵路信號(hào)的設(shè)備組成。

鐵路現(xiàn)場(chǎng)一般分為五大工種：車(chē)務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)和車(chē)輛，簡(jiǎn)稱車(chē)、機(jī)、工、電、輛。其中車(chē)務(wù)是直接負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)牟块T(mén)，機(jī)、工、電、輛都是維護(hù)單位，為運(yùn)輸服務(wù)。因此，我們所說(shuō)的作業(yè)，通常指車(chē)務(wù)進(jìn)行的運(yùn)輸作業(yè)。

鐵路運(yùn)輸分為“線”和“點(diǎn)”的運(yùn)輸?！熬€”上運(yùn)輸是列車(chē)在鐵路路網(wǎng)上運(yùn)行傳遞，一般是成對(duì)傳輸，“線”的運(yùn)輸能力反映了在單位時(shí)間內(nèi)列車(chē)傳遞的車(chē)輛對(duì)數(shù)。另外，“點(diǎn)”上運(yùn)輸是指對(duì)車(chē)流的組織控制，主要進(jìn)行摘掛和解編作業(yè)，反映了對(duì)列車(chē)的編組能力。

“線”運(yùn)輸就是指列車(chē)在車(chē)站和區(qū)間進(jìn)行的列車(chē)作業(yè)，“點(diǎn)”運(yùn)輸就是指車(chē)輛在車(chē)站內(nèi)進(jìn)行不同股道或不同的軌道區(qū)段上進(jìn)行的調(diào)車(chē)作業(yè)，其中換車(chē)頭作業(yè)就是調(diào)車(chē)作業(yè)的一種。因此，鐵路上也把這兩種作業(yè)類(lèi)型分為列車(chē)作業(yè)和調(diào)車(chē)作業(yè)。

指揮列車(chē)運(yùn)行和調(diào)車(chē)工作的鐵路信號(hào)系統(tǒng)有廣義和狹義之分。廣義的信號(hào)是指：在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中起保證行車(chē)和提高作業(yè)能力的控制技術(shù)的總稱，這種作業(yè)能力可以為手動(dòng)控制、自動(dòng)運(yùn)行，也可以為遠(yuǎn)程指揮。狹義的（一般是指能連續(xù)控制的、自動(dòng)生成的）信號(hào)，主要由電氣集中信號(hào)設(shè)備組成。

02 城市軌道交通系統(tǒng)組成和分類(lèi)

2.1 城市軌道交通系統(tǒng)的組成

（1）線路

鐵路線路是機(jī)車(chē)車(chē)輛行走的必要設(shè)備，是由路基、鐵軌、橋梁、隧道等共同組成線路的統(tǒng)稱。列車(chē)在線路上進(jìn)行客貨運(yùn)輸，按照規(guī)定的速度，保持平穩(wěn)運(yùn)行。列車(chē)運(yùn)行和調(diào)車(chē)作業(yè)所在的車(chē)站也是線路的一部分，車(chē)站辦理旅客上下客的作業(yè)。而停車(chē)場(chǎng)是列車(chē)、車(chē)輛集散和裝備基地。軌道線路也分為有砟軌道和無(wú)砟軌道，無(wú)砟軌道的道床和鋼軌，以及路基的維護(hù)成本較低，城市軌交線路一般采用無(wú)砟軌道。

（2）站臺(tái)

城市軌道交通的線路中，除了始發(fā)站和終到站，也有不含道岔的中間站，叫無(wú)岔（道岔）站，也叫非集中站。線路上兩端的始發(fā)站和終到站的折返車(chē)站，以及只進(jìn)行調(diào)車(chē)作業(yè)或小交路中途進(jìn)行折返的中間站上，需要進(jìn)行不同股道的變道作業(yè)，或在不同軌道區(qū)段上作業(yè)，就必須設(shè)置道岔，這些有道岔的車(chē)站通常統(tǒng)一稱為有岔站。城市軌道交通系統(tǒng)的車(chē)站根據(jù)運(yùn)行需要也都設(shè)置上下行站臺(tái)，旅客在站臺(tái)進(jìn)行上下客。有岔站聯(lián)鎖集中控制道岔（由轉(zhuǎn)轍機(jī)制動(dòng)）、軌道電路和信號(hào)機(jī)，所以也會(huì)將這些車(chē)站統(tǒng)稱為聯(lián)鎖集中車(chē)站或設(shè)備集中站。

（3）供電和電力牽引

軌道交通系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源是供電和電力牽引，電器集中設(shè)備控制，尤其在現(xiàn)代電氣集中化的軌道交通系統(tǒng)中，供電是八大系統(tǒng)之一，軌道交通的任何設(shè)備都離不開(kāi)電力，設(shè)備的控制和信息的采集都離不開(kāi)電力的驅(qū)動(dòng)。

（4）車(chē)輛

車(chē)輛是軌道交通牽引和運(yùn)輸旅客的設(shè)備，不同線路要求不同的編組數(shù)量，根據(jù)運(yùn)能的需要，多個(gè)車(chē)輛編組為列車(chē)。除了正常運(yùn)行需求，車(chē)輛也需要在維護(hù)基地進(jìn)行維護(hù)，完整列車(chē)車(chē)輛的整備（編組和解編作業(yè)）和修理作業(yè)，為了保持列車(chē)車(chē)輛的完好且能正常運(yùn)行使用。在普速鐵路或高速鐵路中，司機(jī)室設(shè)置在車(chē)頭或者車(chē)尾位置，而軌交列車(chē)一般在車(chē)頭和車(chē)尾都設(shè)置司機(jī)室，從而在上行和下行時(shí)都可以駕駛列車(chē)運(yùn)行。當(dāng)然，具備自動(dòng)駕駛的線路中，不單純依靠司機(jī)駕駛列車(chē)運(yùn)行。列車(chē)機(jī)車(chē)的車(chē)載設(shè)備大多也設(shè)置在車(chē)頭車(chē)尾的司機(jī)室或列車(chē)車(chē)輛的底部。

（5）通信、信號(hào)設(shè)備

通信信號(hào)設(shè)備是城市軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)的耳目，是用來(lái)控制和指揮列車(chē)正常運(yùn)行的大腦。尤其，信號(hào)系統(tǒng)是確保行車(chē)安全、提高運(yùn)輸能力和車(chē)流效率的專(zhuān)用設(shè)備。

軌交信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)設(shè)備發(fā)送給線路和列車(chē)命令，指揮列車(chē)按照規(guī)定速度運(yùn)行、進(jìn)站上下客等作業(yè)。軌交信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)鎖設(shè)備保證時(shí)間和空間上列車(chē)在車(chē)站變道、停在規(guī)定站臺(tái)、降速或越站通過(guò)等運(yùn)行安全。軌交信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)列車(chē)站間閉塞設(shè)備保證列車(chē)在區(qū)間的運(yùn)行安全。

我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中，已經(jīng)普遍采用基于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制的列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制（ATC）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成：列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)、列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)和列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)。

圖1 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)組成

2.2 城市軌道交通對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的要求

（1）安全性高（行車(chē)安全、人身安全）；

（2）列車(chē)客運(yùn)通過(guò)能力大；

（3）保證信號(hào)正確顯示；

（4）自動(dòng)化作業(yè)程度高；

（5）抗外界不利因素干擾、抗阻能力強(qiáng)；

（6）可靠性高；

（7）限界條件要求苛刻。

圖2 城市軌道交通對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的要求

2.3 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的分類(lèi)

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)按照閉塞方式可以分為固定式和移動(dòng)式。固定式信號(hào)系統(tǒng)又可以根據(jù)控制方式分為臺(tái)階式信號(hào)系統(tǒng)和曲線式信號(hào)系統(tǒng)，也叫速度碼模式和目標(biāo)距離碼模式信號(hào)系統(tǒng)。

03 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)功能

3.1 保證列車(chē)運(yùn)行（行駛和停止）的安全

列車(chē)行進(jìn)之前，需判斷如下條件：（1）前方的軌道區(qū)段無(wú)列車(chē)占用（軌道區(qū)段空閑）；（2）道岔已被搬動(dòng)到且被鎖閉在規(guī)定位置；（3）沒(méi)有建立敵對(duì)信號(hào)和相抵觸的信號(hào)等。滿足上述條件才可以允許正在停止?fàn)顟B(tài)的列車(chē)或?qū)⒁\(yùn)行的列車(chē)發(fā)出進(jìn)路鎖閉的狀態(tài)，進(jìn)路才會(huì)排路成功，信號(hào)才會(huì)開(kāi)放。因此，列車(chē)需要嚴(yán)格遵守聯(lián)鎖條件控制的信號(hào)，才能夠確保列車(chē)能安全運(yùn)行。

反而言之，如果列車(chē)不按照信號(hào)指揮的顯示運(yùn)行或停止（違反規(guī)章運(yùn)行），將可能導(dǎo)致事故，如：脫軌、擠岔、正面沖突、追尾、側(cè)沖等安全事故，確保旅客的旅途安全是城市軌道交通運(yùn)輸中最重要的環(huán)節(jié)。信號(hào)系統(tǒng)可以避免和減少列車(chē)運(yùn)行發(fā)生事故，在不能避免事故發(fā)生時(shí)，也盡可能降低事故等級(jí)、縮小事故影響的范圍。

3.2 提高軌道交通的運(yùn)行效率和線路通過(guò)能力

信號(hào)設(shè)備在軌交建設(shè)中的投入產(chǎn)出比很高。軌交在城市運(yùn)行過(guò)程中，承載著通勤和出行的社會(huì)責(zé)任，信號(hào)設(shè)備投入占比較小，僅占總投資的5％，但其產(chǎn)出效益達(dá)25%以上。

在城市軌道交通中，有先進(jìn)的信號(hào)系統(tǒng)加持，使得行車(chē)密度變大，間隔大大縮短，根據(jù)時(shí)間空間間隔原則，自動(dòng)調(diào)整設(shè)置的列車(chē)運(yùn)行時(shí)刻表，ATS系統(tǒng)可自動(dòng)、安全地指揮列車(chē)按列車(chē)運(yùn)行圖運(yùn)行，既縮短列車(chē)停站時(shí)間，又保證了行車(chē)效率和整個(gè)軌交系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通過(guò)能力。

3.3 改善職工作業(yè)條件

通過(guò)ATO自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)和ATS自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，有效地降低了司機(jī)等技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也保護(hù)了各工種的操作安全。

圖3 事故率和扳道效率對(duì)比（來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

3.4 信號(hào)系統(tǒng)是軌道交通現(xiàn)代化信息技術(shù)綜合應(yīng)用的集中體現(xiàn)

ATC保證全線列車(chē)運(yùn)行安全，ATP實(shí)現(xiàn)全線列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)監(jiān)視和控制，ATO是自動(dòng)或輔助實(shí)現(xiàn)全線行車(chē)調(diào)度指揮的行車(chē)安全關(guān)鍵系統(tǒng)，ATS是全線列車(chē)運(yùn)行及行車(chē)調(diào)度指揮的大腦，根據(jù)軌道電路或軌旁設(shè)備采集到的運(yùn)行位置和設(shè)備狀態(tài)，根據(jù)列車(chē)運(yùn)行圖，制定列車(chē)進(jìn)路序列，從而根據(jù)進(jìn)路序列，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排路。

圖4 ATS系統(tǒng)設(shè)備關(guān)系圖

04 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展

根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市發(fā)展的需要，軌道交通建設(shè)已不再僅限于一線城市專(zhuān)有。軌道交通技術(shù)也不僅限于滿足安全和運(yùn)行的需求，在上海15號(hào)線、18號(hào)線等線路已運(yùn)用自動(dòng)駕駛等先進(jìn)技術(shù)，軌道交通系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備和控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)本地化，大大降低了建設(shè)軌交系統(tǒng)的成本。在軌交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與規(guī)模，新型城際客運(yùn)專(zhuān)線、輕軌、地鐵網(wǎng)和鐵路網(wǎng)之間的對(duì)接等方面，也都在不斷完善優(yōu)化中，城市建設(shè)中的城市軌道交通網(wǎng)逐步往更成熟、經(jīng)濟(jì)、合理、先進(jìn)的方向發(fā)展。

審核編輯：湯梓紅