城市軌道交通信號系統(tǒng)簡介

城市軌道交通信號系統(tǒng)是保證列車運行安全，實現(xiàn)行車指揮和列車運行現(xiàn)代化，提高運輸效率的關鍵系統(tǒng)設備。
城市軌道交通信號系統(tǒng)通常由列車自動控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，簡稱ATC）組成，ATC系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：
— 列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，簡稱ATS）
— 列車自動防護子系統(tǒng)（Automatic Train Protection，簡稱ATP）
— 列車自動運行系統(tǒng)（Automatic Train Operation，簡稱ATO）
三個子系統(tǒng)通過信息交換網(wǎng)絡構成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)地面控制與車上控制結合、現(xiàn)地控制與中央控制結合，構成一個以安全設備為基礎，集行車指揮、運行調(diào)整以及列車駕駛自動化等功能為一體的列車自動控制系統(tǒng)。
1.列車自動控制系統(tǒng)（ATC）分類
（1）按閉塞布點方式：可分為固定式和移動式。固定閉塞方式中按控制方式，又可分為速度碼模式（臺階式）和目標距離碼模式（曲線式）；
（2）按機車信號傳輸方式：可分為連續(xù)式和點式；
（3）按各系統(tǒng)設備所處地域可分為：控制中心子系統(tǒng)、車站及軌旁子系統(tǒng)、車載設備子系統(tǒng)、車場子系統(tǒng)。
2.固定閉塞ATC系統(tǒng)
固定閉塞ATC系統(tǒng)是指基于傳統(tǒng)軌道電路的自動閉塞方式，閉塞分區(qū)按線路條件經(jīng)牽引計算來確定，一旦劃定將固定不變。列車以閉塞分區(qū)為最小行車間隔，ATC系統(tǒng)根據(jù)這一特點實現(xiàn)行車指揮和列車運行的自動控制。固定閉塞ATC系統(tǒng)又可分為速度碼模式和目標距離碼模式。
2.1 速度碼模式（臺階式）
如北京地鐵和上海地鐵1號線分別引進的英國西屋公司和美國GRS公司的ATC系統(tǒng)均屬此類ATC系統(tǒng)，該系統(tǒng)屬70～80年代的產(chǎn)品，技術成熟、造價較低，但因閉塞分區(qū)長度的設計受限于最不利線路條件和最低列車性能，不利于提高線路運輸效率。固定閉塞速度碼模式ATC是基于普通音頻軌道電路，軌道電路傳輸信息量少，對應每個閉塞分區(qū)只能傳送一個信息代碼，從控制方式可分成入口控制和出口控制兩種，從軌道電路類型劃分可分為有絕緣和無絕緣軌道電路兩種。
以出口防護方式為例，軌道電路傳輸?shù)男畔⒓丛搮^(qū)段所規(guī)定的出口速度命令碼，當列車運行的出口速度大于本區(qū)段的出口命令碼所規(guī)定的速度時，車載設備便對列車實施懲罰性制動，以保證列車運行的安全。由于列車監(jiān)控采用出口檢查方式，為保證列車安全追蹤運行，需要一個完整的閉塞分區(qū)作為列車的安全保護距離，限制了線路通過能力的進一步提高和發(fā)揮。能提供此類產(chǎn)品的公司有：英國WSL公司、美國GRS公司、法國ALSTOM公司、德國SIEMENZ公司等。
2.2 目標距離碼模式（曲線式）
目標距離碼模式一般采用音頻數(shù)字軌道電路或音頻軌道電路加電纜環(huán)線或音頻軌道電路加應答器，具有較大的信息傳輸量和較強的抗干擾能力。通過音頻數(shù)字軌道電路發(fā)送設備或應答器向車載設備提供目標速度、目標距離、線路狀態(tài)（曲線半徑、坡道等數(shù)據(jù)）等信息，車載設備結合固定的車輛性能數(shù)據(jù)計算出適合于列車運行的目標距離速度模式曲線（最終形成一段曲線控制方式），保證列車在目標距離速度模式曲線下有序運行。不僅增強了列車運行的舒適度，而且列車追蹤運行的最小安全間隔縮短為安全保護距離，有利于提高線路的通過能力。如上海地鐵2號線引進美國US&S公司、明珠線引進法國ALSTOM公司和廣州地鐵1、2號線引進德國西門子公司的ATC系統(tǒng)均屬此類。
3.移動閉塞ATC系統(tǒng)
移動閉塞方式的ATC系統(tǒng)通常采用無線通信、地面交叉感應環(huán)線、波導等媒體，向列控車載設備傳遞信息。列車安全間隔距離是根據(jù)最大允許車速、當前停車點位置、線路等信息計算得出，信息被循環(huán)更新，以保證列車不間斷收到即時信息。
移動閉塞ATC系統(tǒng)是利用列車和地面間的雙向數(shù)據(jù)通信設備，使地面信號設備可以得到每一列車連續(xù)的位置信息，并距此計算出每一列車的運行權限，動態(tài)更新發(fā)送給列車，列車根據(jù)接收到的運行權限和自身的運行狀態(tài)，計算出列車運行的速度曲線，實現(xiàn)精確的定點停車，實現(xiàn)完全防護的列車雙向運行模式，更有利于線路通過能力的充分發(fā)揮。
移動閉塞ATC系統(tǒng)在我國還未有應用實例，國外能提供此類系統(tǒng)的公司有：阿爾卡特公司交叉感應電纜作為傳輸媒介的ATC系統(tǒng)，在加拿大溫哥華“天車線”和香港KCRC西部鐵路等應用，技術比較成熟，但交叉感應軌間電纜給線路日常養(yǎng)護帶來不便；美國哈蒙公司基于擴頻電臺通信的移動閉塞應用在舊金山BART線，其系統(tǒng)結構、系統(tǒng)運用尚不成熟；阿爾斯通公司基于波導傳輸信息的移動閉塞正在新加坡西北線試驗段安裝調(diào)試。
4.信號系統(tǒng)基本功能
4.1 列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）
ATS系統(tǒng)由控制中心、車站、車場以及車載設備組成。ATS系統(tǒng)在ATP系統(tǒng)的支持下完成對列車運行的自動監(jiān)控，實現(xiàn)以下基本功能：
（1）通過ATS車站設備，能夠采集軌旁及車載ATP提供的軌道占用狀態(tài)、進路狀態(tài)、列車運行狀態(tài)以及信號設備故障等控制和監(jiān)督列車運行的基礎信息。
（2）根據(jù)聯(lián)鎖表、計劃運行圖及列車位置，自動生成輸出進路控制命令，傳送至車站聯(lián)鎖設備，設置列車進路、控制列車停站時分。
（3）列車識別跟蹤、傳遞和顯示功能。系統(tǒng)能自動完成正線區(qū)段內(nèi)列車識別號（服務號、目的地號、車體號）跟蹤，列車識別號可由中央ATS自動生成或調(diào)度員人工設定、修改，也可由列車經(jīng)車—地通信向ATS發(fā)送識別號等信息。
（4）列車計劃與實跡運行圖的比較和計算機輔助調(diào)度功能。能根據(jù)列車運行實際的偏離情況，自動生成調(diào)整計劃供調(diào)度員參考或自動調(diào)整列車停站時分，控制發(fā)車時間。
（5）ATS中央故障情況下的降級處理，由調(diào)度員人工介入設置進路，對列車運行進行調(diào)整，由ATS車站完成自動進路或根據(jù)列車識別號進行自動信號控制，由車站人工進行進路控制。
（6）在計算機輔助下完成對列車基本運行圖的編制及管理，并具有較強的人工介入能力。通過設在車輛段的終端，向車輛段管理及行車人員提供必要的信息，以便編制車輛運用計劃和行車計劃。
（7）列車運行顯示屏及調(diào)度臺顯示器，能對軌道區(qū)段、道岔、信號機和在線運行列車等進行監(jiān)視，能在行調(diào)工作站上給出設備故障報警及故障源提示。
（8）能在中央專用設備上提供模擬和演示功能，用于培訓及參觀。能自動進行運行報表統(tǒng)計，并根據(jù)要求進行顯示打印。
（9）能在車站控制模式下與計算機聯(lián)鎖設備結合，將部分或所有信號機置于自動模式狀態(tài)。
（10）向通信無線、廣播、旅客向導系統(tǒng)提供必要的信息。
4.2 列車自動防護子系統(tǒng)（ATP）
ATP系統(tǒng)由地面設備、車載設備組成，監(jiān)督列車在安全速度下運行，確保列車一旦超過規(guī)定速度，立即施行制動，主要實現(xiàn)以下功能：
（1）自動連續(xù)地對列車位置進行檢測，并向列車發(fā)送必要的速度、距離、線路條件等信息，以確定列車運行的最大安全速度。提供列車速度保護，在列車超速時提供常用制動或緊急制動，保證前行與后續(xù)列車之間的安全間隔，滿足正向行車時的設計行車間隔和折返間隔。對反向運行列車能進行ATP防護。
（2）確保列車進路正確及列車的運行安全。確保同一徑路上的不同列車之間具有足夠的安全距離，以及等防止列車側面沖撞。
（3）防止列車超速運行，保證列車速度不超過線路、道岔、車輛等規(guī)定的允許速度。
（4）為列車車門的開啟提供安全、可靠的信息。
（5）根據(jù)聯(lián)鎖設備提供的進路上軌道區(qū)間運行方向，確定相應軌道電路發(fā)碼方向。
（6）任何車—地通信中斷以及列車的非預期移動（含退行）、任何列車完整性電路的中斷、列車超速（含臨時限速）、車載設備故障等均將產(chǎn)生安全性制動。
（7）實現(xiàn)與ATS的接口和有關的交換信息。
（8）系統(tǒng)的自診斷、故障報警、記錄。
（9）列車的實際速度、推薦速度、目標速度、目標距離等信息的記錄和顯示。具有人工或自動輪徑磨耗補償功能。
4.3 列車自動駕駛子系統(tǒng)（ATO）
ATO子系統(tǒng)是控制列車自動運行的設備，由車載設備和地面設備組成，在ATP系統(tǒng)的保護下，根據(jù)ATS的指令實現(xiàn)列車運行的自動駕駛、速度的自動調(diào)整、列車車門控制。
（1）自動完成對列車的啟動、牽引、巡航、惰行和制動的控制，以較高的速度進行追蹤運行和折返作業(yè)，確保達到設計間隔及旅行速度。
（2）在ATS監(jiān)控范圍的入口及各站停車區(qū)域（含折返線、停車線）進行車—地通信，將列車有關信息傳送至ATS系統(tǒng)，以便于ATS系統(tǒng)對在線列車進行監(jiān)控。
（3）控制列車按照運行圖進行運行，達到節(jié)能及自動調(diào)整列車運行的目的。
（4）ATO自動駕駛時實現(xiàn)車站站臺定點停車控制、舒適度控制及節(jié)省能源控制。
（5）能根據(jù)停車站臺的位置及停車精度，自動地對車門進行控制。
（6）與ATS和ATP結合，實現(xiàn)列車自動駕駛、有人或無人駕駛。
5. 信號系統(tǒng)運營模式
5.1 ATS自動監(jiān)控模式
正常情況下ATS系統(tǒng)自動監(jiān)控在線列車的運行，自動向聯(lián)鎖設備下達列車進路命令，列車在ATP的安全保護下由司機按規(guī)定的運行圖時刻表駕駛列車運行。控制中心行車調(diào)度員僅需監(jiān)督列車和設備的運行狀況。每天開班前，控制中心調(diào)度員選擇當日的行車運行圖/時刻表，經(jīng)確認或作必要的修改，作為當日行車指揮的依據(jù)。
5.2 調(diào)度員人工介入模式
調(diào)度員可通過工作站發(fā)出有關行車命令，對全線列車運行進行人工干預。調(diào)整列車運行計劃包括對列車實施“扣車”、“終止站?！?、改變列車進路、增減列車等。
5.3 列車出入車場調(diào)度模式
車輛調(diào)度員根據(jù)當日列車運行圖/時刻表編制車輛運用計劃和場內(nèi)行車計劃，并傳至控制中心。車場信號值班員按車輛運用計劃設置相應的進路，以滿足列車出入段作業(yè)要求。
5.4 車站現(xiàn)地控制模式
除設備集中站其他車站不直接參與運營控制，車站聯(lián)鎖和車站ATS系統(tǒng)結合實現(xiàn)車站和中央兩級控制權的轉換。在中央ATS設備故障或經(jīng)車站值班員申請，中央調(diào)度員同意放權后，可改由車站現(xiàn)地控制。
在現(xiàn)地控制模式下，車站值班員可直接操從車站聯(lián)鎖設備，可將部分信號機置于自動模式狀態(tài)，也可將全部信號機設為自動模式狀態(tài)，控制中心行車調(diào)度員應通過通信調(diào)度系統(tǒng)與列車駕駛員、車站值班員保持聯(lián)系。
5.5 車場控制模式
列車出入場和場內(nèi)的作業(yè)均由場值班員根據(jù)用車計劃，直接排列進路。車場與正線之間設置轉換軌，出入場線與正線間采用聯(lián)鎖照查聯(lián)系保證行車安全。
5.6 列車運行控制模式
列車在正線、折返線上的運行作業(yè)時，常用ATO自動駕駛模式和ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式，限制人工駕駛和非限制人工駕駛模式均為非常用模式。
（1）ATO自動駕駛模式
列車啟動后，在ATP設備安全保護下，車載ATO設備自動控制列車加速、巡航、惰行、制動，并控制列車在車站的停車位置，開關車門，司機僅需監(jiān)督ATP/ATO車載設備運行狀況。
（2）ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式
列車啟動后，車載ATP設備根據(jù)地面提供的信息，自動生成連續(xù)監(jiān)督列車運行的一次速度模式曲線，實時監(jiān)督列車運行。司機根據(jù)ATP顯示的速度信息駕駛列車，當列車運行速度接近限制速度時，提出報警；當列車運行速度超過限制速度時，ATP車載設備將對列車實施制動。
（3）限制人工駕駛模式
司機以不超過車載ATP的限制速度行車，列車運行安全由司機負責，當列車超過該限制速度時，ATP車載設備則對列車實施制動。
（4）非限制人工駕駛模式
在車載ATP設備故障狀態(tài)下運用，ATP將不對列車運行起監(jiān)控作用。列車運行安全由司機、調(diào)度員、車站值班員共同負責。
5.7 列車折返模式
列車在ATP監(jiān)督人工駕駛模式下折返時，列車由人工駕駛自到達股道牽出至折返線，由司機轉換駕駛端，并折返至發(fā)車股道。
在ATO有人駕駛模式下折返時，列車能以較合理的速度從到達股道牽出至折返線，由司機轉換駕駛端和啟動列車，然后從折返線進入發(fā)車股道。
6.結束語
信號ATC系統(tǒng)依據(jù)控制方式以及信息傳輸方式的不同，系統(tǒng)結構組成和配置方式也完全不同，在工程設計中選擇何種配置，須根據(jù)行車組織、車輛性能、車站規(guī)模、線路條件等，以安全性、可靠性為基本原則，兼顧成熟性、經(jīng)濟性、合理性，以發(fā)揮最大效能為目標，并需適當考慮先進性等。