一文了解地铁信号系统

从一位普通乘客的角度讲了下信号系统

地铁信号系统是干嘛的？假如你只是个地铁乘客，下图你是可以理解的，司机看着前方的红绿灯，开着地铁，在隧道里始发站和终点站直接转圈圈。没错，是这样的。

此时你可能会想到一个问题，地铁没有方向盘，怎么转弯和调头？你是个爱思考的同学。

列车在钢轨上行走，转弯和调头是通过道岔实现的。道岔可能你不会陌生，通过轨道旁边的电机拖动钢轨向另一组钢轨靠拢，来实现列车通过时方向的转换。

司机看信号灯行车(业内叫信号机，见下图，常见的信号机有3灯位，还有2灯位和5灯位信号机。)

控制道岔的方向转换和信号灯的颜色是怎么控制的呢？这个问题提的很好。也就是这里要聊的，就是信号系统控制的。地铁司机负责驾驶，开关车门，还有就是紧急情况下按下紧急停车(业内叫紧制)。

隧道里跑了不至一列车，会有很多车（一般常规的地铁线路20km，列车在早晚高峰会有45列左右上线）。信号系统需要知道每列车都在哪，才能安全准确的控制它。这是可以理解的，这就需要人为的把整个地铁线路切分成数个小段（业内叫轨道区段，根据不同类型的控制机制及位置，轨道区段在200m-1km不等），把这些轨道区段进行编号，信号系统就可以通过收集每列车在哪个轨道区段来粗略知道每列车在线路上的位置，这样，信号系统就可以通过内部复杂的逻辑关系（业内叫微机联锁，是一组工业计算机协作实现，当然还包括最初的骨灰级继电器联锁），来衡量和决策在线路上每列车前方的信号机应该何种颜色，相关的道岔应该切换到哪个方向，这样列车就可以在全线安全顺畅的运行了。

不得不解释下联锁，我们人为的把信号机、道岔和轨道区段等元素组成一组，形成一条路径，让列车能以这个路径为最小单位来行车，而且这个路径只批准一列车进入，这个单位路径业内叫进路。把列车在全线上出现的所有可能的转换成无数条进路，每条进路内信号机、道岔和轨道区段之间是有逻辑关系的，比如前方道岔还没有准备好，信号机不能开放绿灯，否则列车就越轨了。不同的进路之间也有逻辑关系，比如某进路已经开放绿灯信号机，对面开过来的进路是绝对不能开放绿灯的，否则就撞车了。等等复杂周到的逻辑。这些被穷举出来的无数条进路的内部逻辑以及进路间的逻辑关系合在一起，就构成了联锁系统的进路表，它是联锁系统的安全核心，有着最高的优先级，是行车的起码安全保障，任何人和系统都无法超越这些逻辑，否则就会有安全事故，或车毁人亡。

聊到这里，有一个比较'大'的问题，信号系统直接决定了道岔和信号机，间接决定了列车的行进，但是谁让信号系统这么干的呢。在此，我只是浅显地按照我的思路带你慢慢了解信号系统雏形，但这可绝不是信号系统的全部。这只是信号系统最低级的控制级别，联锁级，它只作为列车控制运营的后备模式。

这样，你就理解了信号系统的最低控制级别，联锁级的基本控制原理。总结一下，即操作员人为排列进路，联锁系统根据进路表进行安全逻辑判断后执行道岔任务再按信号机指示是否许可，然后司机看着信号灯行车。当然，如果地铁每日按这样来运营几十列车，那还不把操作员累死。对，要不说是信号系统的最低控制级别呢。信号系统的能力远不止此，它可以实现进路集中监控、自动排列、自动驾驶等功能，那才是你每日坐的地铁的正常功能。

基于无线的移动闭塞系统CBTC

上面是我们从一位普通群众角度描述的地铁信号系统的雏形，现在我们就来完整的介绍下信号系统的具体构成。现在主流的地铁信号系统（ATC）都是基于无线通信的移动闭塞系统（CBTC）。它采用移动闭塞原则，由 ATP（列车运行防护系统）/ATO（列车自动运行系统） 子系统、联锁子系统、ATS （列车自动监控系统）子系统、DCS （数据通信系统）子系统和信号维护监测子系统等构成，并以计轴设备作为列车次级检测设备实现系统的降级及后备功能。

ATP/ATO 子系统由以下设备组成：

1. 包含车载控制器和 I/O 模块的 CC；
2. 实现区域控制功能的 ZC；
3. 实现线路管理功能的线路控制器 LC; 
4. 实现车载数据更新功能的 DSU；
5. 其它设备。

ZC区域控制器负责管理正线的所有列车的运行。

联锁子系统是基于通常冗余结构（二乘二取二或三取二）的计算机联锁系统。

自动监控子系统(ATS) 是监控系统的核心，它实时采集和处理来自轨旁、车站和车载设备的信息。

信号维护监测子系统，包含维护支持系统和微机监测系统（设在控制中心）。

DCS 子系统用来传输大流量信号数据和其他外部信息，分为地-地通信及车-地无线通信两个层面，为整个信号系统的信息传输提供通道。

一般配置信号降级及后备系统配置了点式 ATP 级后备系统。

系统结构图如下图所示：

正线ATC信号系统方案

信号系统是轨道交通自动化系统中的重要组成部分，该系统以安全为核心、以保证和提高列车运行效率为目标，在保证列车和乘客安全的前提下，通过调节列车运行间隔和运行时分，实现列车运行的高效和指挥管理的有序。

轨道交通信号系统的自动化水平较高，系统协同性较强，通常又被称为列车自动控制（ATC）系统。市域快轨的信号系统应由正线信号系统和车辆段信号设备等组成，并配置信号维护支持系统。正线信号系统应采用完整的列车自动控制系统(ATC)。正线 ATC 系统由列车自动监控（ATS）、列车自动防护（ATP）、计算机联锁（CI）和列车自动运行（ATO）子系统组成，子系统间通过信息交换网络构成闭环系统，通过车载、轨旁、车站和控制中心设备共同完成列车运行的自动控制。可供选择的主要信号系统方案有：

1. 点式列车自动控制 ATC 系统方案；
2. 基于通信的列车自动控制（CBTC）系统方案。

（1）点式ATC系统方案

点式 ATC 系统是在区间采用欧式应答器点式通信方式上列车移动授权，控制列车安全运行；在车站（含折返线、存车线等）及站台接区域布设无线通信设备（如与通信系统共用综合承载或综合传输平台时，可实现全线无线覆盖），可实现列车精确停车、站台门/车门联动、站台区域防护、无人自动折返、临时限速等功能。点式 ATC 系统原理如图 所示：

点式 ATC 系统在列车运行控制方面采用准移动闭塞控制方式，利用闭塞分区控制列车的运营间隔，在每个闭塞分区的入口设置信号机，每架信号机配置有源应答器，ATS 子系统结合联锁子系统根据列车的运行和进路设置情况编制列车运行移动授权信息发送给 LEU，LEU 设备进行编码后通过有源应答器发送至列车，车载设备将根据获得的移动授权信息，结合无源应答器提供的线路数据以及列车自身的运行数据，按照速度-目标模式计算列车的运行控制曲线，实现列车运营间隔及安全间隔的控制、超速防护，也可实现列车自动驾驶。

点式 ATC 系统要实现站台防护、精确停车和站台门联动等功能，故需配置车地无线双向通信设施。综上所述，点式 ATC 系统的优势：

1. 点式 ATC 系统作为简化的 CBTC 系统，各子系统均较成熟，系统架构简单，轨旁设备少，后期维护量较小；
2. 合理的闭塞设计可以满足最小 2.5min.行车间隔要求；
3. 点式 ATC 系统能满足 120km/h 及以上速度目标值的要求；
4. 能够平滑地升级至 CBTC 系统满足 2min.运营间隔要求；
5. 工程造价较低、性价比高。点式 ATC 系统在本工程项目中应用存在的不足：
6. 相对于 CBTC 系统的移动闭塞控制方式而言，点式 ATC 系统的实时调节能力稍弱，不利于高密度运营情况下的复杂的工况（例如大站快车等）；

点式 ATC 系统为 CBTC 系统的降级及备用系统，可满足贯通运营的要求，但非正常运营模式，效率不足。

（2）基于通信的（CBTC）信号系统方案

基于通信的列车自动控制系统（CBTC）的特点是列车的定位基于通信而不依赖于轨道区段，CBTC 系统能够实现移动闭塞的功能，大大提高线路的通过率，增加了运营效率。

移动闭塞列控原理图如下：

CBTC 系统是一个自动化程度高、复杂且关系运营安全和效率的城市轨道交通运营的核心系统。它是利用无线通信媒介来实现列车和地面设备的实时双向通信，用以代替传统的轨道区段作为媒体来实现列车运行控制。无线“车—地”双向通信的传输信息量大，传输速度快，可实现移动闭塞，大幅度提高区间通过能力，能灵活组织双向运行和单向连续发车，适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制。从工程投资和运营维护上讲，CBTC 系统轨旁设备较少，可大量减少区间敷设电缆，降低工程造价，并减少运营之后日常维护工作量等。在最近几年轨道交通信号系统的建设中，大多采用基于通信的移动闭塞信号系统。国内在武汉轨道交通 1 号线首次成功开通了 CBTC 信号系统后，其他在建和新建的轨道交通项目几乎都选用了 CBTC 移动闭塞信号系统设备综上所述，基于无线通信的 CBTC 系统优势：

1. CBTC 系统是轨道交通主流信号系统，代表城市轨道交通信号系统的发展方向；
2. 能够实现移动闭塞的功能，满足 2min 行车间隔的要求；
3. 系统调节能力较强，可适应多种模式的运营方式；
4. 基于中国城市轨道交通协会相关技术规范，可实现 CBTC 层面的互联互通。

基于无线通信的 CBTC 系统在本项目中应用存在的不足：

工程造价相对于点式 ATC 系统较高，在初、近期较大运营间隔要求的线路上性价比不如点式 ATC 系统。

ATC信号系统方案比较

一般地铁工程采用 120km/h 的较高线路速度目标，针对正线 ATC 信号系统方案作如下比选：

（1）从系统能力上来说，城市轨道交通系统的能力主要包括折返站折返能力、车辆段出入能力、正线区间追踪能力和在线列车控制能力，其中正线列车追踪间隔是考察系统能力的最为主要的因素。本线工程行车要求远期系统追踪间隔为 2min，点式 ATC 方案难以达到。根据国内工程项目的设计和实施经验，点式ATC 系统可满足站站停运行方式，但要满足站站停车及大站快车混跑、不均匀行车间隔要求没有工程经验，方案实施有一定的困难。而移动闭塞 CBTC 系统列车在区间的最小追踪间隔时间可达到 90s 以下，满足站站停车及大站快车混跑行车要求，CBTC 具有更好的技术先进性优势，可提供更优化的列车控制方式。

（2）从建设投资上来说，根据国内已实施的招标情况，基于通信的移动闭塞系统经过多年的研究、开发与应用，产品日趋成熟，其结构简单、硬件设备数量少的优势逐渐显现，工程造价与准移动闭塞系统大致相当，相比采用点式 ATC系统方案，在改造或升级系统的投资总量有更大的优势。所以从性价比上说，一次性投资采用基于通信的移动闭塞 CBTC 系统更具有竞争力。而且随着国产化率的大幅度提高，电子通信技术的不断发展，无线移动闭塞技术的日趋成熟，移动闭塞系统的建设成本将进一步降低。

（3）从贯通运营、资源共享上来说，点式 ATC 方案虽然满足初期运营间隔要求，但是仅相当于使用降级模式下运行，故障带来的影响较大，且不适应近期和远期逐步提高的运营要求，还需要改造升级为 CBTC 系统。而采用 CBTC 信号系统，可以实现 ATO 模式下的贯通运营，列车在区间自动运行，车站精确停车。综上所述分析，在建及建成的国内外道交通线路的信号设备选型情况及信号技术发展趋势，并从大站快车、快慢车混跑的运行模式上综合考虑，推荐信号系统采用基于无线通信的移动闭CBTC 系统。

参考资料:《城城市轨道交通信号系统通用技术条件 GB/T12758－2004》；《地铁设计规范GB50157-2013》；综合监控相关设计资料；图片来源网络，侵删；