浅谈地铁车载信号系统

摘要：随着我国开发利用城市地下空间步伐的加快，地铁将作为城市交通的重要方式来缓解地面交通压力。而地铁车载信号系统是确保列车安全运行和提高运营效率的关键设备，对地铁车载信号系统中关键技术的掌握程度将直接影响我国地铁事业的发展。本文对我国地铁车载信号系统中所运用的部分关键技术进行了讨论，并对地铁信号系统的发展趋势做出了预测。

关键词：ATC；数字轨道电路；准移动闭塞；地铁信号系统

中图分类号： U231+.3 文献标识码： A 文章编号：

1 引言

随着社会经济的迅速发展和城市建设规模的日益扩大，城市的人口膨胀与交通等基础设施建设落后之间的矛盾日益突出，为了缓和这一矛盾，建筑物不断向空中和地下发展，其中地下建筑和设施的发展具有重大意义。专家预测：21世纪将是开发地下空间的世纪。在这一背景下，城市公路隧道和地下铁道以其快速、便捷、运载量大、不占用地面道路等优点，迅速成为一种优先选择的现代化城市交通方式，并在许多国家得到广泛的开展。

信号系统是确保地铁安全运行及提高运营效率的关键设备。本文详细讨论了应用于地铁的先进的信号系统——列车运行自动控制系统（ATC）的组成和结构。在此基础上，针对当前应用广泛的基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统进行了重点分析，详细讨论了数字轨道电路的原理、准移动闭塞系统的列控方式等内容。结合城市地铁信号系统的发展方向和我国的经济形势、发展速度讨论了地铁车载信号系统的发展趋势。

2ATC系统概述

随着城市地下空间中地铁等的开发利用，人们一直在研究既能保证列车安全运行又能提高运行效率的各项关键技术，其中一项重要的技术措施就是采用列车运行自动控制系统——ATC。

列车运行自动控制系统ATC（Automatic Train Control）包括三个子系统：列车自动监控系统ATS（Automatic Train Supervision）、列车自动保护系统ATP（Automatic Train Protection）、列车自动运行系统ATO（Automatic Train Operation）,简称“3A”系统。

ATP是ATC系统最重要的部分。地铁作为现代城市地下交通的主要运载工具，运输的对象主要为人，因此其安全问题不可小觑。同时，由于地铁的运行速度较高并且高峰期车流量密度较大，因此，单纯依靠地铁工作人员来防止运行事故的发生已经远远不能达到地铁安全运行的要求。基于这一背景，引入了主要采用故障安全原则强制系统安全工作的列车自动保护系统ATP。车载ATP设备可以实施对列车距离和速度的监督，并且能够将相应的数据传输至驾驶室，用来指导驾驶员的操作。

城市地铁系统作为一个庞大的网络系统，除了需要各部分的自我安全控制以外，还需要作为一个整体来考虑整个城市地下交通网的统一指挥调度，以便营造安全、快捷、有序城市地下交通秩序。ATS子系统就是负责监视和控制整个地铁线路中列车运行状态的重要系统。通过中央ATS系统与各地铁站本地ATS子系统之间不断的信息交换来实现对整个线路中每一辆列车的实时监督和控制。辅助列车调度人员的统一协调指挥，避免事故的发生和列车晚点等情况的出现。

ATO系统按照设置位置的不同可以分为轨旁ATO系统和车载ATO系统。其主要功能是以列车的自动保护为基础的列车自动运行控制系统。轨旁ATO系统负责将轨道情况等外部情况反应至中央控制器，车载ATO系统则负责将列车、乘客等得内部信息传输至控制器，控制器通过安全分析采取相应的措施，实现列车在站间的自动运行等功能。这一功能可以辅助列车驾驶员更好地对列车进行控制，提高安全性能的同时，对驾驶员的疲劳程度有一定的缓解作用。

目前我国对城市轨道交通的ATC系统的研究和应用与国外相比存在较大差距，主要表现在某些关键性技术主要靠引进，自主研发设计较少，并且对ATC系统中的数字轨道电路、车—地信息传输和列车自动驾驶等关键技术尚不能全面掌握，这就限制了我国地铁车载信号系统的发展。因此，我们的工作重点应该转移到ATC系统中关键技术的研发创新中去，学习国外先进技术的同时要不断的开发、创新，争取实现地铁信号系统关键技术的国有化，进一步推动我国城市地下交通事业的发展。

3 基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统

ATP系统连接数字轨道电路

ATP系统作为重要的信息传输系统，采用数字编码式音频轨道电路作为其主要的信息传输通道。

准移动闭塞ATC系统的列车控制模式

准移动闭塞ATC系统中的列车控制模式是以数字轨道电路技术为依托发展出来的，并且根据该技术的发展阶段和技术先进程度的不同分为基于目标速度的ATC系统和速度——距离模式的ATC系统。模型曲线如图（1）所示。

图（1）准移动闭塞ATP系统模式曲线图

基于目标速度的准移动闭塞ATC系统的基本原理是：通过若干个闭塞分区划分整个的列车运行区间线路，一般情况下每一段数字轨道电路构成一个闭塞分区。对于每一个闭塞分区中都存在一个列车最大安全速度和目标速度，而这两个速度都是有列车自动控制程序确定的。列车的最大安全速度是指，在每个闭塞区间上列车能够安全运行并且在确定的模式下达到最高的运输效率的速度。目标速度是指在考虑列车制动生效时间影响的情况下，从列车以最高运行速度驶入闭塞分区起点后开始制动一直到达到闭塞分区终点时列车的速度。每个闭塞区间的长度、最大安全速度、目标速度等实时信息均会通过数字轨道电路传送到车载信息终端。信息终端分析整合当前列车速度、制动性能和轨道电路的状况等信息，综合考虑各方面的影响因素，在每个闭塞区间内按照最佳模式曲线进行优化，计算出列车允许的最大安全速度，与列车实际速度进行比较，如果实际运行速度低于允许速度即加速，高于允许速度即制动。

除了上述列车运行速度调节之外，列车在区间运行速度的调试可以按照规范分成若干个限速命令等级。各闭塞分区的列车最高运行速度和目标速度在选用80、65、40、25四个基本限速命令时如表1所示。

表1 闭塞区间的划分及目标速度表

我国上海地铁二号线目标速度方式的准移动闭塞系统使列车舒适度，制动、加速性能等方面都有了较大的提高。我国上海地铁三号线采用目标——距离模式的准移动闭塞系统减少了列车运行间隔对轨道电路划分的依赖性，使得列车的运行、制动更加灵活，适应了当今时代的需要，并且具有很好的应用前景。

4 地铁信号系统的发展趋势

根据目前国内外的形势和国内经济发展的趋势可以预测地铁信号系统的发展趋势主要将在以下三个方面：（1）基于通信网络技术在地铁信号中的应用形成ATC系统；（2）目前，从理论上说我国已具备了全程无人驾驶的技术，并且，随着通信安全性、可靠性的进一步提高和通信手段的愈发多样化，相信在不久的将来列车全程“无人化”将会实现；（3）利用先进的网络技术和计算机技术，单一的ATS系统将向集成化的综合地铁控制系统方向发展。

5 结语

随着经济社会的不断发展进步，为缓解城市地面交通压力，对地铁运输能力的要求越来越高。地铁车载信号系统作为确保地铁安全运行及提高运营效率的关键设备，对其相关关键研究的显得尤为重要。目前，国内在这方面的技术并不成熟，ATC系统中的关键技术主要是引进国外的。但是我们相信，在不久的将来实现ATC系统中关键技术的国有化是可能的。

参考文献：

1 白鑫 城市轨道交通信号系统关键技术研究 西安交通大学 2003年；

2 武秀莲 地铁、轻轨车辆信号系统研究 北京交通大学 2006年；

3 杭可 列车自动驾驶数据查询子系统的实现 北京交通大学 2008年；

4 范良 地铁信号系统发展趋势及功能区别 《价值工程》 2011年。