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從一位普通乘客的角度講了下信號系統(tǒng)

地鐵信號系統(tǒng)是干嘛的？假如你只是個(gè)地鐵乘客，下圖你是可以理解的，司機(jī)看著前方的紅綠燈，開著地鐵，在隧道里始發(fā)站和終點(diǎn)站直接轉(zhuǎn)圈圈。沒錯(cuò)，是這樣的。

此時(shí)你可能會(huì)想到一個(gè)問題，地鐵沒有方向盤，怎么轉(zhuǎn)彎和調(diào)頭？你是個(gè)愛思考的同學(xué)。

列車在鋼軌上行走，轉(zhuǎn)彎和調(diào)頭是通過道岔實(shí)現(xiàn)的。道岔可能你不會(huì)陌生，通過軌道旁邊的電機(jī)拖動(dòng)鋼軌向另一組鋼軌靠攏，來實(shí)現(xiàn)列車通過時(shí)方向的轉(zhuǎn)換。

司機(jī)看信號燈行車(業(yè)內(nèi)叫信號機(jī)，見下圖，常見的信號機(jī)有3燈位，還有2燈位和5燈位信號機(jī)。)

控制道岔的方向轉(zhuǎn)換和信號燈的顏色是怎么控制的呢？這個(gè)問題提的很好。也就是這里要聊的，就是信號系統(tǒng)控制的。地鐵司機(jī)負(fù)責(zé)駕駛，開關(guān)車門，還有就是緊急情況下按下緊急停車(業(yè)內(nèi)叫緊制)。

隧道里跑了不至一列車，會(huì)有很多車（一般常規(guī)的地鐵線路20km，列車在早晚高峰會(huì)有45列左右上線）。信號系統(tǒng)需要知道每列車都在哪，才能安全準(zhǔn)確的控制它。這是可以理解的，這就需要人為的把整個(gè)地鐵線路切分成數(shù)個(gè)小段（業(yè)內(nèi)叫軌道區(qū)段，根據(jù)不同類型的控制機(jī)制及位置，軌道區(qū)段在200m-1km不等），把這些軌道區(qū)段進(jìn)行編號，信號系統(tǒng)就可以通過收集每列車在哪個(gè)軌道區(qū)段來粗略知道每列車在線路上的位置，這樣，信號系統(tǒng)就可以通過內(nèi)部復(fù)雜的邏輯關(guān)系（業(yè)內(nèi)叫微機(jī)聯(lián)鎖，是一組工業(yè)計(jì)算機(jī)協(xié)作實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然還包括最初的骨灰級繼電器聯(lián)鎖），來衡量和決策在線路上每列車前方的信號機(jī)應(yīng)該何種顏色，相關(guān)的道岔應(yīng)該切換到哪個(gè)方向，這樣列車就可以在全線安全順暢的運(yùn)行了。

不得不解釋下聯(lián)鎖，我們?nèi)藶榈陌研盘枡C(jī)、道岔和軌道區(qū)段等元素組成一組，形成一條路徑，讓列車能以這個(gè)路徑為最小單位來行車，而且這個(gè)路徑只批準(zhǔn)一列車進(jìn)入，這個(gè)單位路徑業(yè)內(nèi)叫進(jìn)路。把列車在全線上出現(xiàn)的所有可能的轉(zhuǎn)換成無數(shù)條進(jìn)路，每條進(jìn)路內(nèi)信號機(jī)、道岔和軌道區(qū)段之間是有邏輯關(guān)系的，比如前方道岔還沒有準(zhǔn)備好，信號機(jī)不能開放綠燈，否則列車就越軌了。不同的進(jìn)路之間也有邏輯關(guān)系，比如某進(jìn)路已經(jīng)開放綠燈信號機(jī)，對面開過來的進(jìn)路是絕對不能開放綠燈的，否則就撞車了。等等復(fù)雜周到的邏輯。這些被窮舉出來的無數(shù)條進(jìn)路的內(nèi)部邏輯以及進(jìn)路間的邏輯關(guān)系合在一起，就構(gòu)成了聯(lián)鎖系統(tǒng)的進(jìn)路表，它是聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全核心，有著最高的優(yōu)先級，是行車的起碼安全保障，任何人和系統(tǒng)都無法超越這些邏輯，否則就會(huì)有安全事故，或車毀人亡。

聊到這里，有一個(gè)比較'大'的問題，信號系統(tǒng)直接決定了道岔和信號機(jī)，間接決定了列車的行進(jìn)，但是誰讓信號系統(tǒng)這么干的呢。在此，我只是淺顯地按照我的思路帶你慢慢了解信號系統(tǒng)雛形，但這可絕不是信號系統(tǒng)的全部。這只是信號系統(tǒng)最低級的控制級別，聯(lián)鎖級，它只作為列車控制運(yùn)營的后備模式。

這樣，你就理解了信號系統(tǒng)的最低控制級別，聯(lián)鎖級的基本控制原理?？偨Y(jié)一下，即操作員人為排列進(jìn)路，聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)路表進(jìn)行安全邏輯判斷后執(zhí)行道岔任務(wù)再按信號機(jī)指示是否許可，然后司機(jī)看著信號燈行車。當(dāng)然，如果地鐵每日按這樣來運(yùn)營幾十列車，那還不把操作員累死。對，要不說是信號系統(tǒng)的最低控制級別呢。信號系統(tǒng)的能力遠(yuǎn)不止此，它可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)路集中監(jiān)控、自動(dòng)排列、自動(dòng)駕駛等功能，那才是你每日坐的地鐵的正常功能。

基于無線的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)CBTC

上面是我們從一位普通群眾角度描述的地鐵信號系統(tǒng)的雛形，現(xiàn)在我們就來完整的介紹下信號系統(tǒng)的具體構(gòu)成。現(xiàn)在主流的地鐵信號系統(tǒng)（ATC）都是基于無線通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)（CBTC）。它采用移動(dòng)閉塞原則，由 ATP（列車運(yùn)行防護(hù)系統(tǒng)）/ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)）子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、ATS （列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)）子系統(tǒng)、DCS （數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）子系統(tǒng)和信號維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)等構(gòu)成，并以計(jì)軸設(shè)備作為列車次級檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的降級及后備功能。

ATP/ATO 子系統(tǒng)由以下設(shè)備組成：

包含車載控制器和 I/O 模塊的 CC；
實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制功能的 ZC；
實(shí)現(xiàn)線路管理功能的線路控制器 LC;
實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)更新功能的 DSU；
其它設(shè)備。

ZC區(qū)域控制器負(fù)責(zé)管理正線的所有列車的運(yùn)行。

聯(lián)鎖子系統(tǒng)是基于通常冗余結(jié)構(gòu)（二乘二取二或三取二）的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS) 是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它實(shí)時(shí)采集和處理來自軌旁、車站和車載設(shè)備的信息。

信號維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)，包含維護(hù)支持系統(tǒng)和微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)（設(shè)在控制中心）。

DCS 子系統(tǒng)用來傳輸大流量信號數(shù)據(jù)和其他外部信息，分為地-地通信及車-地?zé)o線通信兩個(gè)層面，為整個(gè)信號系統(tǒng)的信息傳輸提供通道。

一般配置信號降級及后備系統(tǒng)配置了點(diǎn)式 ATP 級后備系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

正線ATC信號系統(tǒng)方案

信號系統(tǒng)是軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要組成部分，該系統(tǒng)以安全為核心、以保證和提高列車運(yùn)行效率為目標(biāo)，在保證列車和乘客安全的前提下，通過調(diào)節(jié)列車運(yùn)行間隔和運(yùn)行時(shí)分，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的高效和指揮管理的有序。

軌道交通信號系統(tǒng)的自動(dòng)化水平較高，系統(tǒng)協(xié)同性較強(qiáng)，通常又被稱為列車自動(dòng)控制（ATC）系統(tǒng)。市域快軌的信號系統(tǒng)應(yīng)由正線信號系統(tǒng)和車輛段信號設(shè)備等組成，并配置信號維護(hù)支持系統(tǒng)。正線信號系統(tǒng)應(yīng)采用完整的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)。正線 ATC 系統(tǒng)由列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）、列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）和列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)間通過信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，通過車載、軌旁、車站和控制中心設(shè)備共同完成列車運(yùn)行的自動(dòng)控制?？晒┻x擇的主要信號系統(tǒng)方案有：

點(diǎn)式列車自動(dòng)控制 ATC 系統(tǒng)方案；
基于通信的列車自動(dòng)控制（CBTC）系統(tǒng)方案。

（1）點(diǎn)式ATC系統(tǒng)方案

點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)是在區(qū)間采用歐式應(yīng)答器點(diǎn)式通信方式上列車移動(dòng)授權(quán)，控制列車安全運(yùn)行；在車站（含折返線、存車線等）及站臺接區(qū)域布設(shè)無線通信設(shè)備（如與通信系統(tǒng)共用綜合承載或綜合傳輸平臺時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全線無線覆蓋），可實(shí)現(xiàn)列車精確停車、站臺門/車門聯(lián)動(dòng)、站臺區(qū)域防護(hù)、無人自動(dòng)折返、臨時(shí)限速等功能。點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)原理如圖所示：

點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)在列車運(yùn)行控制方面采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞控制方式，利用閉塞分區(qū)控制列車的運(yùn)營間隔，在每個(gè)閉塞分區(qū)的入口設(shè)置信號機(jī)，每架信號機(jī)配置有源應(yīng)答器，ATS 子系統(tǒng)結(jié)合聯(lián)鎖子系統(tǒng)根據(jù)列車的運(yùn)行和進(jìn)路設(shè)置情況編制列車運(yùn)行移動(dòng)授權(quán)信息發(fā)送給 LEU，LEU 設(shè)備進(jìn)行編碼后通過有源應(yīng)答器發(fā)送至列車，車載設(shè)備將根據(jù)獲得的移動(dòng)授權(quán)信息，結(jié)合無源應(yīng)答器提供的線路數(shù)據(jù)以及列車自身的運(yùn)行數(shù)據(jù)，按照速度-目標(biāo)模式計(jì)算列車的運(yùn)行控制曲線，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)營間隔及安全間隔的控制、超速防護(hù)，也可實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛。

點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)站臺防護(hù)、精確停車和站臺門聯(lián)動(dòng)等功能，故需配置車地?zé)o線雙向通信設(shè)施。綜上所述，點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)的優(yōu)勢：

點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)作為簡化的 CBTC 系統(tǒng)，各子系統(tǒng)均較成熟，系統(tǒng)架構(gòu)簡單，軌旁設(shè)備少，后期維護(hù)量較??；
合理的閉塞設(shè)計(jì)可以滿足最小 2.5min.行車間隔要求；
點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)能滿足 120km/h 及以上速度目標(biāo)值的要求；
能夠平滑地升級至 CBTC 系統(tǒng)滿足 2min.運(yùn)營間隔要求；
工程造價(jià)較低、性價(jià)比高。點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)在本工程項(xiàng)目中應(yīng)用存在的不足：
相對于 CBTC 系統(tǒng)的移動(dòng)閉塞控制方式而言，點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)能力稍弱，不利于高密度運(yùn)營情況下的復(fù)雜的工況（例如大站快車等）；

點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)為 CBTC 系統(tǒng)的降級及備用系統(tǒng)，可滿足貫通運(yùn)營的要求，但非正常運(yùn)營模式，效率不足。

（2）基于通信的（CBTC）信號系統(tǒng)方案

基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）的特點(diǎn)是列車的定位基于通信而不依賴于軌道區(qū)段，CBTC 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)閉塞的功能，大大提高線路的通過率，增加了運(yùn)營效率。

移動(dòng)閉塞列控原理圖如下：

CBTC 系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化程度高、復(fù)雜且關(guān)系運(yùn)營安全和效率的城市軌道交通運(yùn)營的核心系統(tǒng)。它是利用無線通信媒介來實(shí)現(xiàn)列車和地面設(shè)備的實(shí)時(shí)雙向通信，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軌道區(qū)段作為媒體來實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制。無線“車—地”雙向通信的傳輸信息量大，傳輸速度快，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，大幅度提高區(qū)間通過能力，能靈活組織雙向運(yùn)行和單向連續(xù)發(fā)車，適應(yīng)不同車速、不同運(yùn)量、不同類型牽引的列車運(yùn)行控制。從工程投資和運(yùn)營維護(hù)上講，CBTC 系統(tǒng)軌旁設(shè)備較少，可大量減少區(qū)間敷設(shè)電纜，降低工程造價(jià)，并減少運(yùn)營之后日常維護(hù)工作量等。在最近幾年軌道交通信號系統(tǒng)的建設(shè)中，大多采用基于通信的移動(dòng)閉塞信號系統(tǒng)。國內(nèi)在武漢軌道交通 1 號線首次成功開通了 CBTC 信號系統(tǒng)后，其他在建和新建的軌道交通項(xiàng)目幾乎都選用了 CBTC 移動(dòng)閉塞信號系統(tǒng)設(shè)備綜上所述，基于無線通信的 CBTC 系統(tǒng)優(yōu)勢：

CBTC 系統(tǒng)是軌道交通主流信號系統(tǒng)，代表城市軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展方向；
能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)閉塞的功能，滿足 2min 行車間隔的要求；
系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，可適應(yīng)多種模式的運(yùn)營方式；
基于中國城市軌道交通協(xié)會(huì)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，可實(shí)現(xiàn) CBTC 層面的互聯(lián)互通。

基于無線通信的 CBTC 系統(tǒng)在本項(xiàng)目中應(yīng)用存在的不足：

工程造價(jià)相對于點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)較高，在初、近期較大運(yùn)營間隔要求的線路上性價(jià)比不如點(diǎn)式 ATC 系統(tǒng)。

ATC信號系統(tǒng)方案比較

一般地鐵工程采用 120km/h 的較高線路速度目標(biāo)，針對正線 ATC 信號系統(tǒng)方案作如下比選：

（1）從系統(tǒng)能力上來說，城市軌道交通系統(tǒng)的能力主要包括折返站折返能力、車輛段出入能力、正線區(qū)間追蹤能力和在線列車控制能力，其中正線列車追蹤間隔是考察系統(tǒng)能力的最為主要的因素。本線工程行車要求遠(yuǎn)期系統(tǒng)追蹤間隔為 2min，點(diǎn)式 ATC 方案難以達(dá)到。根據(jù)國內(nèi)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，點(diǎn)式ATC 系統(tǒng)可滿足站站停運(yùn)行方式，但要滿足站站停車及大站快車混跑、不均勻行車間隔要求沒有工程經(jīng)驗(yàn)，方案實(shí)施有一定的困難。而移動(dòng)閉塞 CBTC 系統(tǒng)列車在區(qū)間的最小追蹤間隔時(shí)間可達(dá)到 90s 以下，滿足站站停車及大站快車混跑行車要求，CBTC 具有更好的技術(shù)先進(jìn)性優(yōu)勢，可提供更優(yōu)化的列車控制方式。

（2）從建設(shè)投資上來說，根據(jù)國內(nèi)已實(shí)施的招標(biāo)情況，基于通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究、開發(fā)與應(yīng)用，產(chǎn)品日趨成熟，其結(jié)構(gòu)簡單、硬件設(shè)備數(shù)量少的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，工程造價(jià)與準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)大致相當(dāng)，相比采用點(diǎn)式 ATC系統(tǒng)方案，在改造或升級系統(tǒng)的投資總量有更大的優(yōu)勢。所以從性價(jià)比上說，一次性投資采用基于通信的移動(dòng)閉塞 CBTC 系統(tǒng)更具有競爭力。而且隨著國產(chǎn)化率的大幅度提高，電子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線移動(dòng)閉塞技術(shù)的日趨成熟，移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的建設(shè)成本將進(jìn)一步降低。

（3）從貫通運(yùn)營、資源共享上來說，點(diǎn)式 ATC 方案雖然滿足初期運(yùn)營間隔要求，但是僅相當(dāng)于使用降級模式下運(yùn)行，故障帶來的影響較大，且不適應(yīng)近期和遠(yuǎn)期逐步提高的運(yùn)營要求，還需要改造升級為 CBTC 系統(tǒng)。而采用 CBTC 信號系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn) ATO 模式下的貫通運(yùn)營，列車在區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行，車站精確停車。綜上所述分析，在建及建成的國內(nèi)外道交通線路的信號設(shè)備選型情況及信號技術(shù)發(fā)展趨勢，并從大站快車、快慢車混跑的運(yùn)行模式上綜合考慮，推薦信號系統(tǒng)采用基于無線通信的移動(dòng)閉CBTC 系統(tǒng)。

參考資料:《城城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件 GB/T12758－2004》；《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范GB50157-2013》；綜合監(jiān)控相關(guān)設(shè)計(jì)資料；圖片來源網(wǎng)絡(luò)，侵刪；

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