轨交信号系统基础简介

作者 | 刘艳青 上海控安安全测评中心安全测评部测试经理

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系列简介：随着城市轨道交通网的逐步扩大，信号系统在保证行车安全前提下，于提高运输效率、以及改善和行车有关的技术人员作业条件等方面起到至关重要的作用。为了让不了解轨交信号系统的技术人员对本领域内专业知识有一定认识，我们编制了轨交信号系统相关系列文章，希望本系列文章可以对读者在专业知识的积累和补充上有所帮助。本系列文章从轨交信号系统基础简介开始，逐步向信号基础设备细化，梳理轨交安全系统的框架，到联锁系统功能解析等深入，从粗到细，从框架再到具体，逐步展开。

01 铁路设备的分类和组成

铁路设备通常是由铁路线路及经过的各个车站，运行在铁路轨道上的机车车辆及相关车辆整备和修理设备，以及统称为铁路通信和铁路信号的设备组成。

铁路现场一般分为五大工种：车务、机务、工务、电务和车辆，简称车、机、工、电、辆。其中车务是直接负责运输的部门，机、工、电、辆都是维护单位，为运输服务。因此，我们所说的作业，通常指车务进行的运输作业。

铁路运输分为“线”和“点”的运输。“线”上运输是列车在铁路路网上运行传递，一般是成对传输，“线”的运输能力反映了在单位时间内列车传递的车辆对数。另外，“点”上运输是指对车流的组织控制，主要进行摘挂和解编作业，反映了对列车的编组能力。

“线”运输就是指列车在车站和区间进行的列车作业，“点”运输就是指车辆在车站内进行不同股道或不同的轨道区段上进行的调车作业，其中换车头作业就是调车作业的一种。因此，铁路上也把这两种作业类型分为列车作业和调车作业。

指挥列车运行和调车工作的铁路信号系统有广义和狭义之分。广义的信号是指：在铁路运输系统中起保证行车和提高作业能力的控制技术的总称，这种作业能力可以为手动控制、自动运行，也可以为远程指挥。狭义的（一般是指能连续控制的、自动生成的）信号，主要由电气集中信号设备组成。

02 城市轨道交通系统组成和分类

2.1 城市轨道交通系统的组成

（1）线路

铁路线路是机车车辆行走的必要设备，是由路基、铁轨、桥梁、隧道等共同组成线路的统称。列车在线路上进行客货运输，按照规定的速度，保持平稳运行。列车运行和调车作业所在的车站也是线路的一部分，车站办理旅客上下客的作业。而停车场是列车、车辆集散和装备基地。轨道线路也分为有砟轨道和无砟轨道，无砟轨道的道床和钢轨，以及路基的维护成本较低，城市轨交线路一般采用无砟轨道。

（2）站台

城市轨道交通的线路中，除了始发站和终到站，也有不含道岔的中间站，叫无岔（道岔）站，也叫非集中站。线路上两端的始发站和终到站的折返车站，以及只进行调车作业或小交路中途进行折返的中间站上，需要进行不同股道的变道作业，或在不同轨道区段上作业，就必须设置道岔，这些有道岔的车站通常统一称为有岔站。城市轨道交通系统的车站根据运行需要也都设置上下行站台，旅客在站台进行上下客。有岔站联锁集中控制道岔（由转辙机制动）、轨道电路和信号机，所以也会将这些车站统称为联锁集中车站或设备集中站。

（3）供电和电力牵引

轨道交通系统的动力来源是供电和电力牵引，电器集中设备控制，尤其在现代电气集中化的轨道交通系统中，供电是八大系统之一，轨道交通的任何设备都离不开电力，设备的控制和信息的采集都离不开电力的驱动。

（4）车辆

车辆是轨道交通牵引和运输旅客的设备，不同线路要求不同的编组数量，根据运能的需要，多个车辆编组为列车。除了正常运行需求，车辆也需要在维护基地进行维护，完整列车车辆的整备（编组和解编作业）和修理作业，为了保持列车车辆的完好且能正常运行使用。在普速铁路或高速铁路中，司机室设置在车头或者车尾位置，而轨交列车一般在车头和车尾都设置司机室，从而在上行和下行时都可以驾驶列车运行。当然，具备自动驾驶的线路中，不单纯依靠司机驾驶列车运行。列车机车的车载设备大多也设置在车头车尾的司机室或列车车辆的底部。

（5）通信、信号设备

通信信号设备是城市轨道交通系统网的耳目，是用来控制和指挥列车正常运行的大脑。尤其，信号系统是确保行车安全、提高运输能力和车流效率的专用设备。

轨交信号系统通过信号设备发送给线路和列车命令，指挥列车按照规定速度运行、进站上下客等作业。轨交信号系统通过联锁设备保证时间和空间上列车在车站变道、停在规定站台、降速或越站通过等运行安全。轨交信号系统通过列车站间闭塞设备保证列车在区间的运行安全。

我国城市轨道交通信号系统中，已经普遍采用基于计算机实时控制的列车运行自动控制（ATC）系统，该系统由三个子系统组成：列车自动防护（ATP）子系统、列车自动运行（ATO）子系统和列车自动监控（ATS）子系统。

图1 城市轨道交通信号系统组成

2.2 城市轨道交通对信号系统的要求

（1）安全性高（行车安全、人身安全）；

（2）列车客运通过能力大；

（3）保证信号正确显示；

（4）自动化作业程度高；

（5）抗外界不利因素干扰、抗阻能力强；

（6）可靠性高；

（7）限界条件要求苛刻。

图2 城市轨道交通对信号系统的要求

2.3 城市轨道交通信号系统的分类

城市轨道交通信号系统按照闭塞方式可以分为固定式和移动式。固定式信号系统又可以根据控制方式分为台阶式信号系统和曲线式信号系统，也叫速度码模式和目标距离码模式信号系统。

03 城市轨道交通信号系统功能

3.1 保证列车运行（行驶和停止）的安全

列车行进之前，需判断如下条件：（1）前方的轨道区段无列车占用（轨道区段空闲）；（2）道岔已被搬动到且被锁闭在规定位置；（3）没有建立敌对信号和相抵触的信号等。满足上述条件才可以允许正在停止状态的列车或将要运行的列车发出进路锁闭的状态，进路才会排路成功，信号才会开放。因此，列车需要严格遵守联锁条件控制的信号，才能够确保列车能安全运行。

反而言之，如果列车不按照信号指挥的显示运行或停止（违反规章运行），将可能导致事故，如：脱轨、挤岔、正面冲突、追尾、侧冲等安全事故，确保旅客的旅途安全是城市轨道交通运输中最重要的环节。信号系统可以避免和减少列车运行发生事故，在不能避免事故发生时，也尽可能降低事故等级、缩小事故影响的范围。

3.2 提高轨道交通的运行效率和线路通过能力

信号设备在轨交建设中的投入产出比很高。轨交在城市运行过程中，承载着通勤和出行的社会责任，信号设备投入占比较小，仅占总投资的5％，但其产出效益达25%以上。

在城市轨道交通中，有先进的信号系统加持，使得行车密度变大，间隔大大缩短，根据时间空间间隔原则，自动调整设置的列车运行时刻表，ATS系统可自动、安全地指挥列车按列车运行图运行，既缩短列车停站时间，又保证了行车效率和整个轨交系统网络的通过能力。

3.3 改善职工作业条件

通过ATO自动运行系统和ATS自动监控系统，有效地降低了司机等技术人员的劳动强度，也保护了各工种的操作安全。

图3 事故率和扳道效率对比（来自网络）

3.4 信号系统是轨道交通现代化信息技术综合应用的集中体现

ATC保证全线列车运行安全，ATP实现全线列车运行自动监视和控制，ATO是自动或辅助实现全线行车调度指挥的行车安全关键系统，ATS是全线列车运行及行车调度指挥的大脑，根据轨道电路或轨旁设备采集到的运行位置和设备状态，根据列车运行图，制定列车进路序列，从而根据进路序列，实现自动排路。

图4 ATS系统设备关系图

04 城市轨道交通信号系统的发展

根据国民经济和城市发展的需要，轨道交通建设已不再仅限于一线城市专有。轨道交通技术也不仅限于满足安全和运行的需求，在上海15号线、18号线等线路已运用自动驾驶等先进技术，轨道交通系统信号设备和控制系统也已实现本地化，大大降低了建设轨交系统的成本。在轨交系统结构与规模，新型城际客运专线、轻轨、地铁网和铁路网之间的对接等方面，也都在不断完善优化中，城市建设中的城市轨道交通网逐步往更成熟、经济、合理、先进的方向发展。

　　审核编辑：汤梓红