城市軌道交通信號控制系統研究

西安交通工程學院 李 歡

信號系統在城市軌道交通中發揮著重要作用，對信號系統進行合理控制使列車按照規定線路高效有序運行。信號系統的核心是ATC系統，它為列車的自動化運行提供全線控制功能，使人員的工作強度降低，減少了由于人員因素導致事故發生的概率，提高了運營質量。城市軌道交通信號系統有多種控制方式，每種控制方式都有各自的特點，通過對信號系統的控制方式進行研究，為城市軌道交通信號系統的控制方式在不同場合的應用提供有效參考。

城市化現象導致城市道路出現擁擠，已有的交通工具無法滿足居民的出行需求。城市軌道交通單向每小時輸送乘客數量可以達到上萬人，且速度快、占用土地面積較小，可以有效緩解市民出行壓力，解決交通擁擠問題，同時其專用軌道也避免了與地面交通相混合，很大程度降低了交通事故的發生率，因此近年來我國大力支持發展城市軌道交通。城市軌道交通信號系統是指揮列車安全運行，提供列車運行信息的重要系統，對信號設備采取合理的控制方式是保障城市軌道交通高效運行，實現列車運行自動化的重要手段。

1 城市軌道交通信號控制系統

信號系統不僅肩負著城市軌道交通安全運行的重擔，也是運營調度指揮中心的中樞神經。對信號設備的控制方式關乎著列車運行速度、運輸效率和行車安全等重要指標，如果信號設備出現故障，可能導致運營控制中心指令無法下達，影響列車正常運行，嚴重時甚至會出現列車脫軌、追尾、火災等重大事故。城市軌道交通信號控制系統可以為控制中心與信號設備建立高效的連接紐帶，不僅為信號設備與控制中心傳輸信息，也實現了對信號設備狀態的實時監控，這樣在設備運行數據不正常時可以及時處理，避免了重大事故的發生，在提高行車效率方面發揮著重要作用。

2 城市軌道交通信號系統的組成

城市軌道交通信號系統中的重要組成部分是列車自動控制系統ATC和聯鎖系統。聯鎖系統讓信號、進路及道岔三者之間實現了相互制約的關系，通過信號設備計軸器或軌道電路可以檢測進路的狀態，若進路處于空閑狀態，信號機是正常通行狀態，則轉轍機扳動尖軌打開道岔；反之若信號機關閉，則道岔鎖閉。在聯鎖方式上，由于計算機聯鎖相比于早期的繼電集中聯鎖具有安全可靠性高、維修方便等優點，目前被廣泛采用。聯鎖系統使設備之間即互相制約又相互關聯，提高了列車運行的安全保障。

ATC是城市軌道交通信號系統的控制核心，它由ATO、ATP和ATS三個子系統構成，各子系統互相支撐，實現地面設備與車載設備相結合的自動控制系統。

2.1 列車自動駕駛系統ATO

ATO依據列車運行計劃，實時計算列車在目標點需要達到的速度值，根據目標點的速度值對列車發出速度控制指令，實現對列車的自動駕駛。ATO是一個閉環控制系統，主要功能是實現列車在區間運行時對速度的精準控制以及列車到站的精確停車。

2.1.1 列車區間運行速度的控制

ATO在接收到ATP發出的控制命令后，向列車牽引系統或制動系統發出加速或減速的指令。在ATO模式下，由于列車運行速度受線路影響，所以實際運行速度曲線在允許范圍內波動，且列車的運行速度受ATP規定的速度限制，因此實際速度曲線位于ATP速度曲線之下，當實際速度接近ATP的最大允許速度時，列車的運行效率得到顯著提升，通過閉環控制方式自動控制列車速度，減少了列車在運行時切換牽引和制動狀態的頻率，使列車能夠平穩運行，為旅客提供良好的乘車體驗。

2.1.2 列車到站精確停車

列車在站臺區規定位置精確停車并與安全門的位置對準，方便乘客上下車，該功能是ATO系統的重要功能。該功能需要ATO中的車載模塊實時采集列車速度并與目標點速度比較，并及時發出速度控制指令，通過對速度實時追蹤，實現列車到站精確停車。精確停車為乘客提供寬敞的乘車通道，避免上下車過程發生擁擠，節約了乘車時間。

2.2 列車自動防護系統ATP

ATP在信號控制系統中有著重要作用，它的實現很大程度提升了列車的運行效率。如果沒有ATP當列車司機長時間駕駛處于疲勞時，可能對突發情況不能及對反應，導致安全事故的發生。ATP對列車在不同線路運行時的速度做出限制，在運行速度大于限制速度，或危及到行車安全的突發事件時，ATP系統會對列車采取制動措施。

2.3 列車自動監控系統ATS

ATS系統具有根據列車運行圖監控全線列車運行的功能，也可以在特殊情況優化或修改列車運行圖，通過人機交互界面實現對列車實時追蹤。中央級和車站級實現了ATS的兩級監控功能。中央級是通過控制中心對全線運行的列車和設備進行控制，在車站擁有控制權時可以對本站范圍內的列車和設備進行控制。中央級是最高級的監控系統，它的控制中心有最高權限，可以將權限下方給它的下一級車站，車站值班員也可以向控制中心申請獲得本站的控制權。

3 城市軌道交通信號系統的控制方式

城市軌道交通信號系統的控制方式分為對列車速度的控制方式、閉塞方式和車地信息傳輸方式三方面。

3.1 列車速度的控制方式

信號系統對列車速度的控制方式主要有兩種，分別是按階梯式速度曲線控制和按速度距離模式曲線控制。

階梯式速度曲線是對列車運行線路進行多區段的劃分，如圖1所示，在每個區段都設置了最大行駛速度，當運行速度超過該區段的最大值時，ATP發出制動命令，制動系統使列車運行速度在規定時間內降至允許速度，若在規定時間范圍內無法使列車速度降至允許值，則在超過規定時間后ATP對列車采取緊急制動措施，使列車盡快停車，避免了事故的發生。

圖1 階梯式速度曲線

速度距離模式曲線是一條平滑的曲線，如圖2所示，曲線是由多個點連接而成，每個點代表一個速度值，表示該點允許的最大速度，如果列車速度超過該點的最大速度，ATP系統對列車發出制動命令，使運行速度降至曲線的下方。若列車運行速度持續在曲線上方，則施加緊急制動使列車緊急停車。速度距離曲線控制方式相比階梯式速度控制方式，列車減速過程較平滑，可以提高乘客的舒適度。

圖2 速度距離模式曲線

3.2 閉塞方式

按照閉塞方式劃分信號系統可以分為三種。第一種是固定閉塞，線路被固定劃分為多個閉塞分區且有相應的速度限制，速度控制模式采用階梯式。通過信號設備軌道電路或計軸器劃分區間并進行線路狀態的檢測，當檢測到軌道線路處于占用狀態時，按照當前區段設置的速度值對列車施加制動力，使速度降至規定速度范圍內；準移動閉塞雖然也將線路劃分了若干個閉塞區間，但它和固定閉塞不同的是，每個分區沒有設速度限制，準移動閉塞計算制動距離的兩個端點中的追蹤目標點是以前方列車閉塞分區的始端為基準是固定點，而制動點根據后方列車的性能計算是非固定點，其控制模式采用速度距離曲線模式；移動閉塞是行車效率最高的一種閉塞方式，取消了固定閉塞區間的劃分，追蹤目標點和制動點都是非固定點，信號系統根據車地雙向通信確定前方列車位置，再依據后方列車自身性能動態計算列車制動距離，由于前后列車都處于動態運行中，所以列車制動距離也處于動態變化中，這種閉塞方式沒有固定的間隔距離，極大地縮短了行車間隔時間，為行車效率提升了保障。

3.3 車地信息傳輸方式

在信號系統中，車地之間信息的傳輸方式主要有點式和連續式兩種，點式傳輸是指在線路的固定點利用車地之間的電磁耦合作用傳遞列車運行信息，如在進站信號機外方400m處向列車傳遞減速信息，這種方式只在固定點顯示信息，無法保證列車在全線的安全運行。連續式車地信息傳輸方式可以持續反映列車在全線的運行狀態和條件，被廣泛應用在自動閉塞中。

城市軌道交通信號系統是軌道交通信息傳遞，列車安全運行的重要保障。將計算機技術、自動控制技術和通信技術等多學科進行融合，為未來提出智能化的信號控制系統提供強大的技術支撐。通過研究信號系統的控制方式為提高運營服務質量，提升運營效益等有重要作用。對信號系統的控制方式進行多方面分析，提出合理意見，為今后研究信號系統的控制方式奠定基礎，也為后續提出更加完善合理的信號控制系統提供參考依據。