信号系统的认识

任务3　信号系统的认识

【活动场景】在城市轨道交通车辆段和正线的信号室内、外设备现场教学，或用多媒体展示信号相关知识。

【任务要求】掌握城市轨道交通信号系统基本知识，及地铁联锁、闭塞、列车自动控制等方面知识。

【知识准备】

在城市轨道交通中，信号系统是用于指挥和控制列车运行的设备系统，对于保证行车安全、提高线路通过能力有着至关重要的作用。

1　信号系统的基本原理

为了防止两个或多个列车同时误入同一区间，造成列车冲突，行车组织上把城市轨道交通线路划分为若干个空间（称为闭塞分区），在同一时间、同一空间内只允许一列车在其中运行，在空间的入口处设置信号机防护，以此来确保行车安全。

信号系统本身正常工作时能保证行车安全，系统发生故障时也不应危及行车安全，此为“故障—安全”原则，它是城市轨道交通信号安全系统必须贯彻的基本准则。如果构成信号安全系统的部件和电路本身不一定是“故障—安全”的，在这种情况下，必须采取其他安全措施，如故障检测等手段，是整个系统具有故障导向安全的特性。

2　转辙机

转辙机是信号系统的重要组成部分，在车辆段和正线联锁站内的每组道岔处都要设置转辙机，用以转换道岔、机械锁闭道岔并反映道岔的实际位置，如图2．18和图2．19所示。

图2．18　转辙机

图2．19　转辙机内部结构

转辙机的具体作用：

①转换道岔的位置，根据需要转换至左位或右位；

②道岔转至所需位置并且密贴后，实现锁闭，防止外力转换道岔；

图2．20　信号机

③正确地反映道岔的实际位置，道岔的尖轨密贴于基本轨后，给出相应的表示；

④道岔被挤或因故处于“四开”（两侧尖轨均不密贴）位置时，及时给出报警及表示。

3　信号机

信号机是供城市轨道交通车辆段、正线区间作为进站、出站、进路、防护、调车、通过及引导等地面灯光信号使用（在移动闭塞系统中，信号机只在后备或降级模式下起作用），一个灯位为一个独立单元和一种颜色，每个灯位可以显示绿、红、黄、月白、蓝等色，使用时根据需要进行组合，如图2．20所示。色灯信号机有高柱型和矮型之分，无论是高柱型还是矮型，其机构都可分为单显示、二显示和三显示。

红灯：表示停车；

绿灯：表示前进，前方道岔在定位（直股）；

黄灯：表示前进，前方道岔在反位（侧股）；

黄灯＋红灯：表示引导信号；

月白灯：表示允许调车；

蓝灯：禁止调车通过。

4　联锁

联锁是指进路、进路上的道岔、防护进路的信号机之间相互制约的关系。联锁设备是实现道岔、信号机、轨道区段间正常的联锁关系及进路控制的安全设备。联锁设备是ATP子系统的重要组成部分，是确保行车安全的基础设备，必须符合“故障—安全”原则及必要的设备冗余。

联锁设备的主要功能：

①按正确的联锁关系、运营规则及列车位置自动设定、解锁列车进路；

②能对正常的进路、延续进路、侧翼道岔、超限区段进行防护；

③无论是中央集中式联锁还是车站分布式联锁，联锁设备均能对其控制范围内的道岔进行单独操作、单独锁闭。除对列车开放信号外，还能对道岔、防护信号机、轨道区段等信号控制元素实施封锁，禁止通过该元素排列进路；

④能利用联锁设备的工作站轨道和道岔区段进行临时限速设置、信号元素复原的操作及状态表示；

⑤进路的办理方向必须与列车的运行方向相一致，并开放相应方向的信号；

⑥能向ATP提供信号状态、列车进路设置情况、保护区段的建立、轨道区段的临时限速、信号元素的封锁及区间运行方向等条件；

⑦联锁设备与ATS子系统结合，可实现ATS和联锁两级控制。根据运营要求实现自动和人工控制两种模式办理进路；

⑧联锁级自动控制可实现根据列车识别号自动地进行进路和信号机控制，或者根据列车位置自动地排列固定的基本进路和列车折返进路；

⑨联锁设备应具有完善的自诊断功能，能对联锁设备本身、转辙机、信号机、电源等实施监测；

⑩出入车辆段的列车作业和段内的调车作业由车辆段内单独设置的国产微机联锁设备独立控制；

皕瑏瑡要求完成正线与防淹门、联络线、车辆段等接口功能，完成必要的逻辑判断以及对其接口对象进行正确的控制和监督。

5　列车自动控制系统

列车自动控制系统（简称ATC系统）是列车自动运行全过程的控制系统，包括列车自动防护（ATP）、列车自动驾驶（ATO）、列车自动监控（ATS）3个子系统，3个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

6　信号系统闭塞制式分类

闭塞就是用信号或凭证，保证列车按照空间间隔制运行的技术方法。空间间隔制就是前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离的行车方法。在城市轨道交通系统中，信号控制系统可分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞几种模式。其中移动闭塞模式代表了信号控制系统的发展方向，其追踪列车间的安全距离相比之下最小，能最大限度地提高线路运输能力。目前国内新建地铁线路相继采用了移动闭塞系统。

7　CBTC介绍

（1）CBTC定义

基于通信的列车控制技术（CBTC）是一种采用先进的通信、计算机技术，连续控制、监测列车运行的移动闭塞方式。它摆脱了用轨道电路判别对闭塞分区的占用与否，突破了固定闭塞的局限性。CBTC实现了列车与轨旁设备实时双向通信且信息量大，改变了以往列车运行时信息只能由轨旁设备向车上传递，信息量小的缺点。CBTC能大大减少轨旁设备，安装维修方便。在进一步完善其降级使用模式后，有利于降低运营成本。CBTC便于短编组、高密度运行，可缩短站台长度和端站尾轨长度，提高服务质量，降低土建工程投资。CBTC确立“信号通过通信”的新理念，使列车与地面（轨旁）紧密结合、整体处理，改变以往车—地相互隔离、以车为主的状态，它意味着只要车—地通信采用统一标准协议后，就易于实现不同线路间不同类型列车的联通联运。

（2）移动闭塞方法的原理

移动闭塞系统是采用交叉感应环线或无线扩频等通信方式来实现列车定位和车—地之间双向大信息量数据传输的信号系统，地面划分固定的闭塞分区，列车定位方式也不同于采用轨道电路系统，其列车定位精度高。线路上前行列车经ATP/ATO车载设备将本车的实际位置，通过传输系统传送给轨旁的移动闭塞处理器，并将此信息经系统处理，生成后续列车的运行权限，传送给后续列车的ATP/ATO车载设备。列车控制采用实时速度—距离模式曲线控制列车，追踪运行列车的停车点仅为一个距前行列车尾部预留一定的保护距离处。由于能按照列车性能自动调整列车运行间隔，追踪间隔距离由前后列车的关系和线路情况等动态确定，故称之为移动闭塞系统，如图2．21所示。

图2．21　移动闭塞原理图

（3）移动闭塞的特点

①可最大限度缩短行车间隔时间，提高系统的运输能力；

②提供实时、连续速度曲线的控制功能，列车的运行舒适性好；

③信息传输独立于轨道电路，受外界各种因素干扰小，运行可靠；

④采用交叉感应环线的移动闭塞系统因数据传输速率低、对乘客向导及多媒体信息支持的传输通道受到限制，是当其被用户选择时的不利因素，但投资较低；

⑤无线扩频通信系统的数据传输速率高，可实现多媒体的功能，进一步提高乘客向导信息功能，系统功能强大，但投资较高。

（4）移动闭塞与传统ATC的比较

传统ATC的传输方式采用固定闭塞，通过轨道电路判别闭塞分区占用情况，并传输信息码，需要大量的轨旁设备，维护工作量较大，此外，传统方式还存在以下缺点：

①轨道电路工作稳定性易受环境影响，如道渣阻抗变化、牵引回流干扰等；

②轨道电路传输信息量小；

③利用轨道电路难以实现车对地的信息传输；

④固定闭塞的闭塞分区长度是按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计的，分区较长，且一个分区只能被一列车占用，不利于缩短列车运行间隔。

基于CBTC的移动闭塞克服了固定闭塞的缺点，它实现了车—地间双向、大容量的信息传输，在真正意义上实现了列车运行的闭环控制。采用无线通信可以达到连续通信的目的，能够提供连续的列车安全间隔保证和超速防护，在列车控制中具有更好的精确性和更大的灵活性，并能够更快地检测到故障点，易于实现联通联运。而且，移动闭塞可以根据列车的实际速度和相对速度来调整闭塞分区的长度，尽可能缩小列车运行间隔，提高行车密度。此外，这种系统与传统系统相比将大大减少沿线设备，安装维修方便，有利于降低运营成本。

【任务实施】

以西安地铁二号线为例对西安地铁信号系统进行概括总结，西安地铁二号线信号系统根据供货商及地理位置分为正线信号和车辆段信号两大部分。

1．正线信号系统

正线信号系统为浙大网新公司集成，采用基于无线通信技术的、移动闭塞制式的、具有完整ATC功能的列车自动控制系统，即CBTC信号系统。同时还提供了连续式ATP功能丧失情况下的点式ATP列车超速防护系统。满足二号线一期工程的技术指标、功能以及行车组织和运营需要。

（1）西安地铁二号线正线信号系统原理

车载控制器（CC）负责列车安全定位。CC通过速度感应器和加速度传感器来确定列车的安全位置，使安全位置通过数据通信子系统（DCS），传输到区域控制器（ZC）以及列车自动监控（ATS）系统。CC通过检测安装在轨道中间的静态信标来修正列车的位置误差。

区域控制器基于该区域内所有列车的位置和方向，发出移动权限（MAL）指令，并持续更新和传输。计算移动权限，以保证列车安全间隔，并达到最小的列车运行间隔。车载控制器利用MAL信息来执行ATP和ATO功能。

每个区域控制器通过DCS，与区域内的轨旁联锁控制器单元接口。每个设备集中站都配备联锁控制器。联锁控制器控制和监测轨旁设备，诸如转辙机、计轴器、信号机和屏蔽门等，并将状态信息传递到区域控制器和ATS。

（2）西安地铁二号线正线信号基础设备

正线轨旁子系统设备包括：正线信号联锁主机、区域控制器、转辙机、信号机、计轴器、应答器等。

正线车载子系统设备包括：车载ATP/ATO、人机界面TOD、测速传感器、加速度计、车载MR天线、车载应答器天线等。

正线ATS子系统设备包括：ATS中央服务器、ATS各工作站、人机界面MM I、现地控制工作站LCW、发车指示器PDI等。

正线DCS子系统设备包括：轨旁AP、骨干交换机、介入交换机、光/电缆等，整个正线信号系统由DCS统一组网。

2．车辆段信号系统

车辆段信号系统由北京国铁铁信通科技发展有限公司生产的DS6-K5B计算机联锁系统、TJWX-2006-HH微机监测系统、DSG2电源系统组成。该技术较为成熟，已应用于我国多条地铁线路中。

【效果评价】

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