轨道交通信号系统

轨道交通信号系统是确保列车安全、高效运行的核心基础设施，其通过先进的技术手段实现列车定位、速度控制、路径管理和调度指挥等功能。以下从系统组成与功能的角度，详细阐述轨道交通信号系统的关键部分及其协同运作机制。

一、地面设备子系统

1. 轨道电路

轨道电路是基础检测设备，利用钢轨作为导体构成回路，通过电流变化检测列车占用状态。当列车进入某段轨道时，轮对导致电路短路，触发信号传输至控制中心，实时更新列车位置信息。轨道电路同时承载列车与地面间的双向通信，为列车自动控制系统提供数据支持。

2. 联锁系统

联锁系统是安全核心，通过逻辑运算控制道岔、信号机与轨道区段的联动。其确保列车进路排列的唯一性，例如：在道岔未锁闭时，信号机保持红灯；若进路存在冲突，系统自动禁止开放信号。现代多采用计算机联锁（CBI），相比继电联锁，具备故障自诊断与远程维护能力。

3. 信号机与应答器

信号机通过红、黄、绿灯光指示列车运行权限。应答器（Balise）沿轨道铺设，向车载设备传输定位校准数据与线路参数（如坡度、限速）。固定应答器提供绝对位置基准，可变应答器可动态更新临时限速信息。

二、车载控制子系统

1. 列车自动防护（ATP）

ATP实时计算列车安全制动曲线，若司机超速或冒进信号，立即触发紧急制动。其通过接收地面传输的移动授权（MA），动态调整列车最大允许速度，确保与前车保持安全间隔。在CBTC（基于通信的列车控制）系统中，ATP采用连续通信模式，最小追踪间隔可缩短至90秒。

2. 列车自动驾驶（ATO）

ATO在ATP防护下实现精准停站、节能调速与自动折返。通过比对实际速度与预设曲线，自动调节牵引/制动量。例如，进站时ATO控制列车以±0.3米精度停靠站台，车门与屏蔽门同步开启，提升运营效率。

三、中央控制系统

1. 列车自动监控（ATS）

ATS作为调度指挥中枢，具备自动排列进路、调整时刻表与运行图可视化功能。系统实时采集全线列车数据，若检测到晚点，自动计算并下发调度指令（如压缩停站时间）。高级ATS还支持人工智能预测性调整，基于客流与设备状态动态优化资源分配。

2. 数据传输网络

信号系统依赖高可靠通信网络，如采用冗余光纤环网传输控制指令。在CBTC系统中，车地通信使用2.4GHz/5.8GHz无线频段，通过AP接入点实现连续覆盖，数据传输延时需低于500ms以满足实时性要求。

四、后备与降级模式

系统设计多重冗余机制：主控系统故障时，可切换至区域控制器（ZC）本地控制；无线通信中断时，自动降级为基于轨道电路的固定闭塞模式。此外，全系统符合“故障-安全”原则，任何单点故障均导向安全侧（如信号灯故障默认显示红灯）。

五、技术演进趋势

新一代信号系统正向全自动运行（FAO）升级，整合云计算与大数据分析，实现设备健康度预测与维护决策优化。例如，北京地铁燕房线应用全自动驾驶技术，整合信号、车辆与站台门系统，实现无人值守运营。

轨道交通信号系统通过上述子系统的深度协同，构建了立体化的安全防护体系。随着数字化技术的渗透，该系统正从被动防护转向主动预警，为轨道交通网络化、智能化运营提供坚实支撑。未来，5G通信、北斗定位与人工智能的深度融合，将推动信号系统向更高层次的自主决策能力演进。

轨道交通信号系统是现代城市交通网络的中枢神经，其作用远不止于传统的“红绿灯”功能。作为保障列车安全、提升运输效率、优化运营管理的核心技术，信号系统通过智能化、网络化的控制手段，深刻影响着轨道交通的可靠性与服务水平。以下从五大核心维度解析其关键作用。

一、安全防护：构建立体化防护体系

信号系统通过三级防护机制确保行车安全：第一级基于轨旁信号机的视觉指令，第二级通过车载ATP设备实时监控列车速度，第三级采用移动闭塞技术动态计算安全距离。例如，当列车超速时，ATP会自动触发紧急制动，将反应时间从人工操作的数秒缩短至毫秒级。伦敦地铁引入CBTC系统后，人为因素导致的事故率下降达92%。

二、智能调度：动态优化路网效能

现代信号系统可实时处理超过2000个/秒的列车定位数据，通过AI算法动态调整运行图。东京山手线应用数字化调度后，高峰时段最小行车间隔压缩至90秒，运能提升40%。系统还能智能分配越行站点，使快慢车混跑效率提升25%，有效缓解跨站列车的越行冲突。

三、自动化运行：重塑运营管理模式

全自动运行系统（FAO）已实现列车唤醒、自检、运行、休眠全流程无人化。新加坡汤申-东海岸线FAO系统使正点率达到99.996%，能耗降低15%。车地无线通信时延控制在50ms以内，实现厘米级精准停靠，车门与站台门的对齐误差不超过±5cm。

四、故障容灾：构建多层级应急体系

信号系统采用双环网光纤通信，单点故障恢复时间<500ms。热备冗余架构确保控制中心切换时业务中断<2s。北京大兴机场线设置的三级降级模式（CBTC-点式ATP-联锁控制）使系统可用性达到99.999%，故障情况下仍能维持75%的运力。 五、数据中枢：驱动智慧运维升级 信号系统日均产生超过10TB的运营数据，通过机器学习实现设备寿命预测。上海地铁16号线应用PHM系统后，道岔故障率下降60%，维修响应速度提升4倍。客流分析模块可实时监测车厢满载率，自动生成加开方案，高峰期运力匹配精度达95%。 随着5G通信、数字孪生等技术的融合应用，未来信号系统将向"感知-决策-控制"一体化方向发展。例如，深圳地铁试验的"车-路-云"协同系统，使列车追踪间隔理论值缩短至50秒，预示着轨道交通将进入真正的智能时代。这些技术创新持续推动着城市交通向更安全、高效、绿色的方向演进。

轨道交通信号系统的列车自动控制系统（Automatic Train Control, ATC）是保障列车安全、高效运行的核心技术体系。它通过集成多个子系统，实现对列车运行状态的实时监控、自动防护和智能调度。以下是其核心子系统的详细解析：

一、列车自动防护系统（ATP, Automatic Train Protection）

功能与作用

ATP是ATC系统的安全核心，负责防止列车超速、追尾及冲突。其通过实时监控列车速度、位置及前方轨道状态，动态计算安全制动距离，并在超速或危险情况下自动触发紧急制动。

关键技术

- 速度控制：基于线路条件（如弯道、坡道）和列车性能设定限速。

- 间隔保护：通过移动闭塞或固定闭塞技术，确保前后列车的最小安全距离。

- 车门联动：仅在站台停稳且位置对准时允许车门开启，防止乘客跌落风险。

实现方式：结合轨旁设备（如应答器、轨道电路）与车载传感器，形成闭环控制。

二、列车自动运行系统（ATO, Automatic Train Operation）

功能与作用

ATO在ATP的安全防护下实现列车自动驾驶，优化运行效率与乘客舒适度。其自动控制加速、巡航、减速及精准停车，减少人为操作误差。

核心功能

- 自动驾驶：按预设曲线调节牵引和制动，兼顾准点率与节能。

- 站台精准停靠：误差通常控制在±30厘米内，确保车门对齐。

- 节能优化：通过算法选择经济工况，降低能耗达10%-15%。

应用场景：广泛应用于地铁等高频次、短间隔线路。

三、列车自动监控系统（ATS, Automatic Train Supervision）

功能与作用

ATS作为调度中枢，实时监控全线列车状态并动态调整运行计划，提升路网整体效能。

核心模块

- 运行图管理：自动生成时刻表，支持临时加车或停运。

- 冲突检测与调整：预测列车晚点并重新分配进路，避免连锁延误。

- 故障报警：集成环境监测（如火灾报警），触发应急响应。

技术支撑：依托大数据与AI算法，实现预测性调度。

四、计算机联锁系统（CI, Computer Interlocking）

功能与作用

联锁系统确保轨旁设备（道岔、信号机、轨道区段）按安全逻辑协同工作，防止进路冲突。

安全机制

- 进路锁闭：列车占用区段时自动锁定相关道岔。

- 故障导向安全：任何设备故障均强制导向安全侧（如信号显示红灯）。

演进趋势：从继电器联锁向全电子化智能联锁升级。

五、车地通信系统（如CBTC）

功能与作用

基于无线通信（如LTE-M、Wi-Fi 6）实现列车与控制中心的高频数据交互，支撑移动闭塞技术。

优势

- 实时性：传输间隔可缩短至1秒以下，提升线路容量。

- 灵活性：支持动态调整运行间隔，适应潮汐客流。

冗余设计：多信道备份确保通信中断时系统降级运行。

六、后备系统与冗余设计

为应对极端故障，ATC系统常配备冗余机制：

- 点式ATP：在CBTC失效时提供分级降级防护。

- 传统信号备份：保留信号机与轨道电路作为应急方案。

- 双套热备：关键设备（如联锁控制器）采用双机并行，无缝切换。

结语

现代ATC系统通过ATP、ATO、ATS、联锁及通信子系统的深度协同，构建了“防护-控制-调度”三位一体的智能体系。随着5G、人工智能技术的渗透，未来系统将向全自动无人驾驶（UTO）和云化调度演进，进一步推动轨道交通的智慧化转型。