【项目描述】
1．城市轨道交通的定义及特点。
2．城市轨道交通信号设备的作用。
3．城市轨道交通信号设备的特点。
4．城市轨道交通信号设备的组成。
【项目目标】
1．掌握城市轨道交通信号设备的作用。
2．掌握城市轨道交通信号设备的特点。
3．掌握城市轨道交通信号系统的设备组成。
4．掌握列车驾驶模式建立的条件。
【能力目标】
1．了解城市轨道交通的定义及特点。
2．熟悉正线信号系统和车辆段信号系统的设备组成。
3．熟悉信号安全驾驶模式的分类。
【场景设计】
1．在城市轨道交通通号车间或现场教学。
2．采用多媒体、课件等教学方式。
3．学生每6～8人1组。
4．考评所需的记录、评价表。
【知识准备】
城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统，称为城市轨道交通。在我国国家标准《城市公共交通常用名词术语》中，将城市轨道交通定义为“以电能为动力，采取轮轨运输方式的快速大运量公共交通的总称”。通常，城市轨道交通是指具有固定线路、铺设固定轨道、配备运输车辆及服务设施等的公共交通设施。城市轨道交通具有运量大、速度快、较高的准时性和舒适性、安全可靠、低污染、受其他交通工具干扰小等特点。
城市轨道交通信号设备是城市轨道交通的主要行车设备，是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运营效率的关键系统设备。
（1）城市轨道交通信号设备的作用
1）缩短列车运行间隔
所谓高密度运输，就是尽量地缩小列车之间的运行间隔，进而提高线路的通过能力。目前，城市快速轨道交通系统的最小运行间隔有的已达到60～90 s。与列车运行间隔有关的信号设备如下：
①不同闭塞制式的ATC设备。按照闭塞制式，城市轨道交通ATC可分为固定闭塞式ATC系统、准移动闭塞式ATC系统和移动闭塞制式ATC系统。而移动闭塞制式ATC系统是缩短列车运行间隔最先进的闭塞制式。
②终端站折返线路上轨旁信号设备布置，信号机、动态和静态信标布置等都关系到列车的折返能力。
③车载信号设备。在城市轨道交通信号系统中，车载信号是行车的主要凭证，而地面信号是辅助凭证，因此，车载信号是缩短运行间隔的关键设备。
2）提高列车运行速度
所谓高速度运输，就是在线路和车辆构造速度达到一定高度时，信号防护（ATP）设备提供相应的列车运行推荐速度，供司机驾驶参考，甚至于实现列车的自动驾驶（ATO）。与运行速度相关的信号设备如下：
①轨旁ATP设备（包括联锁设备、动静态信标、ZC）。
②车载信号设备（包括查询应答器天线、车载CC、速度传感器和加速度计等）。
③通信数据传输（DCS）设备。它是一个宽带通信系统，提供了CBTC（新一代智能列车控制系统）内的3个主要列车控制子系统，包括中央控制室（OCC）、轨旁子系统（ZC，MicroLokⅡ）和车载子系统（CC）以及其他沿线地面设备之间双向、可靠、安全的数据交换。
DCS系统包括有线通信网和无线通信网两部分。有线通信网络实际就是轨旁骨干网络，由传输模块和骨干交换模块（接入交换机和骨干交换机）构成，无线通信网络由车载通信网络和轨旁无线设备组成。车载通信网络主要由移动通信设备MR和MR天线组成，用来在车载设备和轨旁设备间传输数据；轨旁无线设备主要由AP箱和AP天线组成。
3）保证列车运行的安全可靠性
城轨信号是指挥列车运行的凭证，无论是地面信号还是车载信号，只有在信号允许状态下列车才能运行，否则车载信号将实现安全防护，信号系统提供以下安全驾驶模式：ATO驾驶模式（AM）、连续式ATP驾驶模式（ATPM）、IATP驾驶模式（IATPM）、有防护的人工驾驶模式（RM）。这4种驾驶模式都是在信号防护下的驾驶模式，故也称为安全驾驶模式。提供安全防护的信号设备如下：
①轨旁ATP设备。
②车载ATP设备（包括CC、MR主机、MR天线等）。
③通信数据传输（DCS）设备。
4）提高列车运行效率
城轨交通运输服务对象比较单一，就是市内客运业务，也正是因为如此，城轨交通运输的效率也是至关重要的。列车运行效率主要包含以下几个方面：列车出入段能力、折返站的折返能力以及列车正线运行指挥能力，而这些均要通过城轨信号设备来满足。与运行效率相关的信号设备如下：
①正线轨旁设备。
②ATS信号设备。
③车载ATO设备。
④车辆段信号系统设备。
（2）城市轨道交通信号设备的特点
城市轨道交通信号系统的技术制式虽然沿袭了铁路信号系统的制式，但两者还是有着很大的区别，相比于传统铁路信号系统，城市轨道交通信号系统有着以下特点：
1）自动化水平和智能化程度更高
由于城市轨道交通种类少、行车规律性强，而且线路短，因此在城市轨道交通信号系统中，自动进路、自动通过进路应用较多，时刻表编辑加载、列车运行调整都实现了自动化，甚至列车驾驶也可实现自动化。而在实现这些功能的同时，一些先进的电子技术、计算机技术应用于其中，足见其自动化和智能化程度之高。
2）正线联锁关系简单但技术含量更高
城市轨道交通的大多数车站不设道岔，仅在几个少数车站才设有道岔，因此联锁设备的监控对象数量少、进路少，设备之间的联锁关系相对简单。一般情况下仅在终端折返站进行折返作业，其他各站只为旅客乘降服务，一个控制中心即可实现对全线设备的联锁功能控制。
虽然正线道岔数量少，但是由于城轨交通涉及的子系统较多，因此信号系统的对外接口就比较多。信号系统最大的特点就是把与行车安全息息相关的设备或特殊功能纳入联锁的控制中，如屏蔽门的开关、防淹门、紧急情况下的停车、扣车以及实现自动进路、自动折返进路等，这样就增加了联锁接口、增加了技术难度。
3）对数据传输系统的依赖性越来越大
城市轨道交通信号系统的自动化技术发展得越来越先进，其采集的信息量也越来越大，为了实现信号控制集中化，一些先进的传输速率较高的通信传输技术应用在信号系统中，特别是城市轨道交通信号系统为了实现CBTC移动闭塞，不但要有先进的有线通信网络来实现地面信息传输工作，更要通过无线WLAN技术，实现车地之间的相互通信，达到列车自动控制的目的。
4）具有完善的列车速度监控功能
城市轨道交通主要承担的是城市客运任务，其行车间隔非常小，最小行车间隔达到90 s，甚至更小，远远高于铁路要求。因此，对列车运行速度的监控要求更高。
5）车辆段采用独立的联锁设备
城市轨道交通的车辆段与铁路的区间站类似，主要作业内容包括车辆检修、停放、接发列车、调车作业以及列车的编解。车辆段信号设备较多，一般采用一套独立的联锁设备控制，用以实现车辆段内建立进路，转换道岔、开放信号以及解锁进路等作业，实现道岔、信号、进路之间的联锁关系，保证行车安全，提高作业效率。
【任务实施】
任务提出：
列车运行是个多专业、多工种配合的工作，围绕安全行车这一中心而组成了一个有序联动、时效性极强的系统。它通常由轨道线路、车站、车辆、维护检修基地、供变电、通信信号、指挥控制中心等组成。城市轨道交通的运输组织、功能实现、安全保证均应遵循轨道交通的客观规律。在运输组织上要实行集中调度、统一指挥、按运行图组织行车。在功能实现方面，各相关专业如线路、车站、隧道、车辆、供电、通信、信号、机电设备及消防系统均应保证状态良好，运行正常。在安全保证方面，主要依靠行车组织和设备正常运行来保证必要的行车间隔和正确的行车线路。
现代城市轨道交通信号控制系统是整个城市轨道交通自动控制系统中的重要组成部分，是保证列车和乘客安全，实现列车高速度、高密度、安全可靠、有序运行的关键设备。城市轨道交通系统采用了先进的信号技术，特别是现代通信技术和信号技术的互相渗透和结合，以及电子技术和计算机技术在信号系统中的应用，使得信号系统的作用更为突出。
城市轨道交通信号系统通常由正线信号系统和车辆段／停车场信号系统两大部分组成。正线信号系统是地域上的泛指，实际就是列车运行自动控制系统（Automatic Train Control，ATC），其设备不仅分布在正线，也分布在控制中心。信号系统用于列车进路控制、列车间隔控制和调整、行车指挥、信息管理、设备监测和维护管理，从而构成了高效的综合自动化系统，如图1．1．1所示。
（1）正线信号系统（列车运行自动控制系统ATC）
列车运行自动控制系统（ATC）一般包括列车自动防护系统（ATP）、列车自动监控系统（ATS）及列车自动运行系统（ATO）3个子系统。系统设置有行车控制中心、沿线各车站（多站设一联锁区，为有岔站），此外列车上装备车载控制设备，控制中心与各控制站通过有线数据网联接，控制站、控制中心与列车之间通过无线网完成车地之间的通信。
1）ATP子系统
列车自动防护子系统简称ATP子系统，是ATC系统中最重要的部分，是保证列车运行安全的设备。城市轨道交通列车运行速度高，在高峰期列车密度大，运输对象为乘客，因此安全性能要求高。依靠人工来防止运行事故的发生远远不能满足运行安全的要求，必须使用列车运行防护ATP子系统。ATP子系统提供列车运行间隔控制、超速防护、车门和站台屏蔽门／安全门的联动和监督等安全防护功能，对列车速度实现动态控制和监督，使之始终在安全速度下行驶，缩短了列车运行间隔，保证了行车的安全可靠性，提高了线路的利用率，符合“故障-安全”原则（发生安全侧故障的可能性远远大于发生危险侧故障的可能性，处于禁止运行状态的故障有利于行车安全，称为安全侧故障；处于允许运行状态的故障可能危及行车安全，称为危险侧故障）。
图1．1．1
ATP子系统包括轨旁ATP设备和车载ATP设备。
轨旁ATP设备主要包括位于设备集中站的联锁设备、区域控制器（ZC）和轨旁应答器（信标）等。
车载ATP设备包括车载控制器（CC）、信标读取器、速度传感器及加速度计等。
一个集中站的联锁设备包括联锁区内所有站的联锁设备，主要有信号机、道岔、屏蔽门、计轴设备等。
2）ATS子系统
列车自动监控子系统简称ATS子系统，ATS子系统用来监视和控制正线上的所有列车的运行，辅助行车人员对全线列车的运行进行管理，统一指挥调度。它可为行车指挥人员提供全线列车的运行状态显示，监督和记录运行图的执行情况，在列车运行偏离运行图时自动调整，保证列车按时刻表正点运行，还可通过系统接口向PAS（Public Address System）（广播系统）和PIS（Passenger Information System）（乘客信息系统）发送列车实时运营信息，从而向旅客实时提供如列车到站时间、出发时间、运行方向、停靠站名、各条线路乘客流量状况等运行信息。
ATS子系统包括控制中心ATS设备、车站ATS设备、车辆段／停车场ATS设备。
中央ATS子系统由设备、电缆、计算机外设、网络、计算机软件等构成。ATS子系统通过数据网络与其他CBTC子系统交换数据和命令。
车站ATS设备包括一套远程ATS主机服务器和远程ATS通信服务器，放置于车站位置，在中央ATS服务器不可用时，这些服务器为中央ATS服务器提供备份服务。
车辆段／停车场ATS设备包括两台车辆段／停车场工作站，放置于车辆段／停车场。其中，一台工作站用于行车计划切换，放置于司机派班室，用于前往正线运行和返回车辆段／停车场的列车行车计划的调整。另一台工作站用于根据ATS列车时刻表，为进、出车辆段／停车场的列车进路计划提供支持信息。此外，还有一台试车线工作站置于试车线，提供试车线的本地控制和监控。
3）ATO子系统
列车自动驾驶子系统简称ATO子系统，ATO子系统是自动控制列车运行的设备。在ATP和联锁子系统的安全保护下，根据ATS子系统的指令，实现列车的自动驾驶运行和列车在区间运行的自动调整功能，确保达到要求的设计间隔及运行速度，并实现列车的节能运行控制等。ATO子系统实现了列车在车站、区间正方向、折返线、出入段／场线、存车线等的自动运行，控制列车按运行图规定的区间走行时分行车，自动完成对列车的启动、加速、巡航、惰行、减速及停车的合理控制。经ATP子系统允许后，ATO子系统向列车发送开／关车门和向屏蔽门控制系统发送屏蔽门的开／关门命令，并确保控制信息的安全传输，实现车门和屏蔽门的同步开关。当接收到车门和屏蔽门均已关闭的信息后，在司机按压发车按钮后自动启动列车运行，自动运行下的列车经常处于最佳运行状态，避免了过于剧烈的加速和减速，明显地改善了乘客的乘坐舒适度，提高了列车正点率的同时也减少了轮轨的磨损。
ATO子系统由车载设备和轨旁设备组成。
轨旁设备包括测定站停精确度的应答器和用于检测列车停车信息的应答器。
车载设备主要包括两套CC（车载子系统）：一套在头车，另一套在尾车。每套CC包括两个独立的ATO模块（主用／备用），在主ATO发生故障后，CC将自动启动从主ATO单元到备用ATO单元的切换。
（2）车辆段／停车场信号系统
车辆段／停车场信号系统主要是独立的一套联锁设备，用来实现车辆段内进路的控制，同时通过联系电路实现与正线的接口，从而实现列车正常的出、入段进路办理。此外，为了便于维修和故障处理，现在的车辆段／停车场还增设一套微机监测设备，作为附属设备。
为了实现信号一体化，车辆段／停车场信号系统通过数据通信子系统（Data Communication Subsystem，DCS）与中央相联，保证了车辆出入段线的监控。
车辆段／停车场设备主要包括ATS车辆段分机、微机联锁设备、微机监测设备、轨道电路及信号机等，如图1．1．2所示。
1）ATS分机
车辆段／停车场设一台ATS分机，用于采集车辆段内存车库线的列车占用情况以及进或出车辆段的列车信号机的状态，用来在控制中心的显示屏上给出以上信息的显示。
2）联锁设备
车辆段／停车场独立设一套联锁设备，实现车辆段内的信号控制，并通过ATS车辆段分机与控制中心交换信息。
3）微机监测设备
微机监测设备主要实现对车辆段／停车场范围内基础设备的实时状态监测。例如，信号灯丝状态、轨道电路、转辙机、电源及电缆绝缘等的实时状态监测，是信号设备实现“状态修”的必要手段。
图1．1．2
4）轨道电路
车辆段／停车场内轨道电路多采用50 Hz相敏轨道电路，用来检查列车的占用和空闲。
5）信号机
在车辆段／停车场的入口处设进段（场）信号机，出口处设出段（场）信号机，存车库线中间进段方向设列车阻挡信号机，段内其他地点根据需要设调车信号机。
6）转辙机
车辆段／停车场内每组道岔一般设一台转辙机进行牵引。
7）电源设备
车辆段／停车场信号设备设有专用电源屏供电，电源屏一般采用模块化结构；对有不间断供电和抗干扰要求的设备应设不间断（UPS）电源设备，UPS电池采用免维护电池，其后备时间一般按30 min设计。
【任务考评】
以学生自评互评为主，教师综合评定。
任务实施过程考核评价表
续表
【项目小结】
本项目主要介绍了城市轨道交通的定义及特点、城市轨道交通信号设备的作用及组成。
城市轨道交通具有运量大、速度快、准时舒适、安全可靠等特点，其信号设备的作用包括缩短列车运行间隔、提高列车运行速度、保证列车运行的安全可靠性及提高列车运行效率等方面。
本项目重点介绍了城市轨道交通信号系统的组成，系统通常由正线信号系统和车辆段／停车场信号系统两部分组成。而正线信号系统是地域上的划分，即列车运行自动控制系统（ATC），其设备不仅分布在正线，也分布在控制中心，ATC系统一般又包括列车自动防护系统（ATP）、列车自动监控系统（ATS）及列车自动运行系统（AT0）3个子系统；车辆段／停车场信号系统是一套独立的联锁设备，通过联系电路实现与正线设备的接口，更主要的是用来实现车辆段内进路的控制，实现列车出、入段进路的办理。
【思考与练习】
1．简述城市轨道交通信号控制系统的特点。
2．简述城市轨道交通信号控制系统的组成。
3．列车在车辆段／场与正线之间的信号控制方式是如何转换的？
4．列车运行自动控制系统ATC包括哪些子系统？简述各自的功能。
5．城市轨道交通信号控制系统的设备在哪些地域有分布？
6．控制中心有哪些信号设备？
7．车站及轨旁有哪些信号设备？
8．车辆段／场有哪些信号设备？简述各自的功能。
9．试车线的功能是什么？一般设置在什么地方？其信号设备的装置的要求是什么？
10．列车在正线上的驾驶模式有哪几种？各自的特点是什么？
11．在正线上及车辆段内正常行驶时，应采取哪些驾驶模式？
12．列车的折返方式有哪几种？简述各种方式下控制列车折返的过程。
13．简述信号控制系统设备维修的模式。
14．一般情况下，信号系统设备维护工区是如何设置的？
15．你所在城市的地铁公司信号设备修程是什么？
16．简述值班工班的通常维修组织流程。
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