铁路信号知识经典读本 railway signaling.docx
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铁路信号知识经典读本railwaysignaling
铁路信号知识经典读本railwaysignaling
铁路信号railwaysignaling
用特定的物体（包括灯）的颜色、形状、位置，或用仪表和音响设备等向铁路行车人员传达有关机车及车辆运行条件、行车设备状态以及行车的指示和命令等信息。
目前，人们对铁路信号有不同的理解。
有人把铁路信号广义理解为：
保证铁路行车安全的技术和设备；有人狭义理解为：
用于向行车人员指示行车条件的符号；有人则认为：
铁路信号是铁路上信号显示、联锁、闭塞设备的总称。
铁路信号主要功能是保证铁路行车安全。
随着铁路信号技术的发展和铁路信号的广泛应用，铁路信号也成为提高铁路区间和车站的通过能力、增加铁路运输经济效益、改善铁路员工劳动条件的一种现代化科学管理手段和技术。
发展简况 1825年，世界上第一列列车在英国运行时用一人持信号旗骑马前行,引导列车前进。
1832年,美国在纽卡斯尔－法兰西堂铁路线上开始使用球形固定信号装置，以传达列车运行的消息。
如列车能准时到达则悬挂白球,如晚点则挂黑球。
这种信号机每隔5公里安装1架。
铁路员工用望远镜了望,沿线互传消息。
1839年，英国铁路开始用电报传递列车运行消息。
1841年英国铁路出现了臂板信号机。
1851年英国铁路用电报机实行闭塞制度。
1856年，J.萨克斯贝发明机械联锁机。
1866年，美国利用轨道接触器检查闭塞区间有无机车车辆。
1867年，出现点式自动停车装置，这种装置能强迫列车在显示停车信号的信号机前停车。
1872年美国人W.鲁宾逊发明了闭路式轨道电路。
1923年，美国铁路研制了车内信号，并于1925年正式应用于铁路。
1925年，美国铁路协会（AAR）决定:
美国各铁路公路平交道口必须装设标准化防护设备。
此後，铁路公路平交道口防护设备发展起来。
1927年，美国铁路采用了调度集中控制装置。
随着电子计算机的出现和发展，调度集中控制正向着行车指挥自动化的方向发展；列车运行正向着列车自动控制和列车自动驾驶的方向发展。
中国铁路于1907年在大连－长春线路间开始装设臂板信号机。
1924年，开始使用色灯信号机。
1949年中华人民共和国成立後，铁路信号有了较快的发展。
1951年，在京广线的衡阳车站装设了中国自己设计、自己制造、自己施工的进路继电式集中联锁。
此後在全国的铁路线上相继装设了半自动闭塞、自动闭塞、车站电气集中联锁、调度集中控制和调度监督等设备，并建成机械化和半机械化驼峰调车场。
此外，在北京的地下铁道上还成功地装设了行车自动指挥和列车自动控制系统。
分类 铁路信号按人的感觉可分为视觉信号和听觉信号。
视觉信号是以物体（包括灯）的形状、颜色、位置、数目等显示信号；听觉信号是利用号角、笛、响墩等发出的音响表示信号。
按功能可分为行车信号和调车信号。
行车信号用于指挥列车运行；调车信号用于指挥调车。
按结构可分为臂板信号和色灯、灯列信号。
按显示制式可分为选路制信号和速差制信号。
选路制信号是用臂板位置或灯光的颜色特征来表示列车的站线进路；速差制信号是用臂板位置或灯光的颜色特征、数目来表示列车运行应采取的速度。
按设置地点可分为铁路车站信号、铁路区间信号、铁路行车指挥自动化和列车运行自动化等。
铁路信号设备包括：
①信号机。
包括固定信号机和移动信号机。
其中固定信号机有主体信号机（主要是进站信号机、出站信号机、通过信号机、遮断信号机、进路信号机、调车信号机、防护信号机、驼峰信号机等）、辅助信号机（预告信号机、复示信号机、驼峰复示信号机等）和附加信号设备（引导信号和容许信号等）；移动信号机主要有停车信号机、减速信号机和减速终了信号机等。
此外，在不能使用信号机或没有装设信号机的地方，有时也用手信号（手旗、手灯）显示信号；在特殊情况下也用响墩、火炬、汽笛等表示信号。
②表示器。
用于补充说明信号的意义，包括发车表示器、调车表示器、进路表示器、发车线路表示器、道岔表示器、脱轨表示器、车挡表示器、水鹤表示器等。
③标志。
用于说明设备的状态，包括警冲标、站界标、预告标、引导员接车、地点标、放置响墩地点标、司机鸣笛标、作业标、减速地点标、补机终止推进标、机车停车位置标等。
技术和设备 现代铁路信号应用自动控制、远程控制的技术原理和设备，形成了包括区间信号、车站信号、行车指挥自动化、列车运行自动化，以及驼峰调车控制、铁路道口防护等完善的信号系统。
区间信号 为了保证单线区间的行车安全，早期采用时间间隔法，即开行第一列列车後间隔一定时间才准许开行第二列列车。
但是第一列列车由于某种原因不能准时到达或中途停车时,往往会造成行车事故。
後来,采用空间间隔法，即在一个区间或分区内，同时只准一列列车占用运行的方法，这种方法又称为闭塞法。
在用人工方法办理闭塞手续时，列车司机必须获得办妥闭塞手续的凭证才能开车。
这种行车凭证可以是路票、路签或路牌。
人工闭塞的进一步发展，是利用轨道电路而构成的半自动闭塞和自动闭塞，列车占用区间或分区的凭证是出站信号机或通过信号机的准许显示，它不仅保证行车安全，而且不需授受路签，可大大提高区间行车效率。
此外，还将地面信号引入机车驾驶室内，形成易于了望的车内信号；在和公路平面交叉道口安设面向公路的道口防护以及防护报警等。
车站信号 在车站内股道很多，进路交叉复杂，为了保证站内行车安全，指挥机车车辆运行的信号必须同有关道岔、进路之间有一定的操作顺序和制约关系。
这种关系称为联锁。
早期，车站内的信号机和道岔是用人力单独操纵的。
当车站范围较大、运行较繁忙时，人们就把车站内的信号机和道岔的操纵握柄集中在一个地方操作，制成了机械联锁机。
轨道电路的应用，以及电力等能源的应用，由机械联锁发展成为机电联锁、电气联锁等，现在已经广泛使用继电集中联锁。
最近又出现了允许车列连续溜放，保持退路安全的平面调车控制和节省人力、电缆的车站信号远程遥控遥信CTC系统。
此外，目前计算机联锁CIS已经得到普及和推广。
行车指挥自动化 主要是调度集中控制。
由调度所直接控制远距离的一个大站或一个枢纽、一个区段内的信号机和道岔,并监督行车设备动作和列车运行情况,以指挥列车运行。
只用来监督行车设备动作和列车运行，以便帮助调度员了解情况，发出调度命令的设备称为调度监督。
列车在区间运行都是按照运行图规定的计划到达和离开沿途各车站的。
当运行中的列车发生故障或受到外界干扰而不能按计划运行时，列车长或有关车站值班员就要随时报告调度员，以便及时调整运行计划。
电子计算机的应用可及时收集贮存行车有关设备和列车运行状态的信息，并由计算机进行判断处理，及时向列车发出指挥命令，同时适当地控制铁路信号机和进路，调整列车运行计划，从而实现铁路行车指挥自动化。
这样就有必要自动采集车号（见铁路车号采集系统）。
列车运行自动化 在列车发生冒进信号危险时，能迫使列车自动停车的装置，称为列车自动停车设备。
这种设备有点式和连续式两种。
点式停车设备只在沿线某些固定地点向列车传递信息,必要时迫使列车停车;而连续式自动停车设备是连续地从地面向列车传递信息，使停车设备处于随时都能动作的状态。
连续式自动停车设备能自动作用于机车上的速度控制设备，使列车降低速度运行甚至停车，这就称为列车自动控制。
当列车上应用电子计算机後，列车起动、行驶、调速和停车都可实现自动控制，而司机只起监督作用。
这样就实现了列车运行自动化。
驼峰调车控制 在铁路运输网中，改善编组场的解编能力，对加速车辆周转，降低运输成本有极大的意义。
驼峰编组场利用驼峰的坡度，使各种去向的车组凭本身重力分别溜向峰下分路编组线路。
溜放过程中采用车辆调速设备和峰下道岔的自动控制设备进行控制，要求不溜错道,挂钩不撞坏车辆，减少翻钩整理时间。
这样,车辆的行程和作业时间将会大大缩短。
1924年美国首先建成用减速器进行对溜放车辆调速的机械化驼峰编组场。
自电子计算机问世後出现了半自动化和自动化驼峰编组场。
1953年驼峰编组场开始采用模拟计算机进行钩车的制动和控制。
60年代初期在驼峰编组场开始采用电子数字计算机。
现代化的驼峰编组场除采用电子计算机外，还常设置有线电话、无线电话、电传打字机、气动传递管道和闭路电视等设备，以加速站内技术作业。
铁路道口防护 在铁路与公路平面交叉处，为了保证列车运行和公路交通的安全，必须将列车接近平交道口的消息及时发出，并遮断公路交通。
这种保证平交道口安全的措施称为道口防护。
道口防护设备有由看守人员人工控制的和由列车自动控制的两类。
列车自动控制的道口防护设备有带闪光信号的道口自动信号机和自动栏木。
防护报警 当铁路的线路、车辆发生危及列车安全运行时，能自动报警，引起人们注意，以便及时采取措施的设备，通常称为防护报警。
这类设备在线路方面有报告落石、坍方、雪崩、洪水等的检测设备；在车辆方面有报告热轴的轴温探测装置；在驼峰上有检查车辆下部轮廓大小的限界检查器等；在大桥或车站附近有检查车辆下部有无拖挂器件的检查设备。
可靠性和故障-安全原则 铁路信号故障-安全原则是设备或电路发生故障时，使其後果导向安全或事先报警缩小危险面的原则。
铁路信号的可靠性是指信号设备在规定条件和规定时间内，完成规定功能而不发生失效的概率。
可靠性评价指标主要有可靠度、故障率、平均故障时间、故障平均间隔时间、可养度、平均修复时间、可用性等。
铁路信号故障-安全原则包括:
①防止信号设备的错误操纵，如采用的各种联锁和闭塞技术等；②故障後使功能软化或降级使用技术，如自动闭塞中绿灯烧坏改亮黄灯等；③应急顶替，如电源故障时利用备用蓄电池供电；④检测、报警和预防性养护技术；⑤冗馀技术，如用多重设备；⑥降低使用应力，如信号灯泡的降压使用等技术。
发展趋势 铁路信号在元部件制造方面正向着小型化、固态化和高可靠性发展；在设计方面向着故障自动检测、自动诊断、高可用度、与计算机或微处理机相结合的方面发展；在安装施工方面正向着模块化和工厂施工化的方向发展；在使用方面正向着无维修或少维修、高度自动化或智能化的方向发展。
以标志物、灯具、仪表和音响等向铁路行车人员传送机车车辆运行条件、行车设备状态和行车有关指示的技术与设备。
其作用是保证机车车辆安全有序地行车与调车作业。
铁路信号随着第一列列车在英国出现而出现。
早期的信号是十分简陋的。
现代信号借助电子工业的发展，使行车指挥系统走上自动化，列车运行也向着自动驾驶与自动控制发展。
中国于1907年在大连至长春的铁路上开始安装了臂板式信号机，1951年自行设计与制造的进路继电式集中联锁设备装在衡阳铁路车站。
此後在各铁路线上逐步配置了自动闭塞、集中联锁、调度集中控制等设备。
分类铁路信号按其作用可分为指挥列车运行的行车信号和指挥调车作业的调车信号；按信号设置的处所可分为车站信号、区间信号，以及行车指挥和列车运行自动化等；按信号显示制式可分为选路制信号和速差制信号；按结构可分为臂板信号和色灯、灯列信号。
铁路信号设备可分为三大类：
一是信号机，其原始形式是手灯、手旗、明火、声笛等，现代信号机主要有进、出站信号机，通过信号机，进路信号机，驼峰信号机，调车信号机，防护信号机，减速信号机和停车信号机等，以及其他复示信号机等辅助性信号机；二是标志，主要有预告标、站界标、警冲标、鸣笛标、作业标、减速地点标及机车停止位置标等；三是表示器，其作用是补充说明信号的意义，主要有发车表示器、发车线路表示器、进路表示器、调车表示器、道岔表示器等。
技术和设备包括车站信号、区间信号、行车指挥自动化、列车运行自动化、驼峰调车控制等项。
①铁路车站信号。
在车站范围内，指示列车或机车运行条件以保证行车和调车安全的信号，其内容主要包括车站联锁、平面调车控制、车站信号遥控遥信等。
通常在站内股道很多，进路交叉也复杂，因此信号必须与道岔、进路保持一定的操作顺序，形成联锁。
现代已广泛使用继电集中联锁，以及允许车列溜放、保持退路安全的平面调车控制和节省电缆、人力的车站信号遥控遥信系统。
②铁路区间信号。
用以保护区间内列车行车安全，主要包括区间闭塞、车内信号、铁路道口防护、防护报警和轴温探测等。
区间闭塞是为了防止在区间运行的列车发生对撞和追尾事故。
当区间采用半自动或自动闭塞後，区间信号得到了很大完善，同时可将地面信号引入机车驾驶室中，形成易见的车内信号；而和公路相交的道口，可设置面向公路的道口防护和防护报警。
③铁路行车指挥自动化是应用计算机等设备自动收集信号设备状况和列车运行的信息并进行处理，及时发出指挥列车运行的命令，以实现调度集中控制。
行车指挥自动化的设备是在现有设备的基础上增加车次跟踪和计算机系统、通信设备以及故障检测设备等。
系统应用的主要软件有列车追踪、进路控制和运行调整。
④铁路列车运行自动化是利用计算机对列车起动、行驶、调度和停车实行自动监督、控制和调整，由此提高行车的安全性，提高运行效率，改善司机的工作条件。
⑤驼峰调车控制是在驼峰调车场上，为控制货车溜放进路和溜放速度，实现列车的分类、解体和编组控制。
控制方法可分为非机械化、机械化、半自动化和自动化的驼峰调车控制。
铁路信号发展的方向主要是实现高度自动化、智能化，以便保证行车和各种作业的安全、准确，提高效率。
矮型透镜式色灯信号机
中国郑州至武汉铁路四显示自动信号系统是信号四显示高新技术系统工程，也是解决高速铁路的一项关键性控制课题。
铁路信号系统新技术的发展趋势
近20多年来，在运输市场激烈竞争的压力下，各国铁路，特别是发达国家铁路为实现提速、高速和重载运输，积极引进采用新技术，大幅度提高了现代化通信信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌现。
一、故障-安全技术的发展
随着计算机技术、微电子技术和新材料的发展，故障—安全技术得到了飞速发展。
高可靠性、高安全性的故障—安全核心设备出现了“二取二”、“二乘二取二”和“三取二”等不同结构形式，其同步方式有软同步和硬同步。
西门子公司、阿尔斯通公司、日本京山公司、日本日信公司等推出了不同类型的采用硬件同步方式的安全型计算机。
故障—安全技术的提高为高可靠和高安全的铁路信号系统的发展打下坚实的基础。
二、高水平的实时操作系统开发平台
实时操作系统（RTOS,RealTimeOperationSystem）是当今流行的嵌入式系统的软件开发平台。
RTOS最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是RTOS的应用程序接口（API,ApplicationProgrammingInterface）。
在铁路、航空航天以及核反应堆等安全性要求很高的系统中引入RTOS，可以有效地解决系统的安全性和嵌入式软件开发标准化的难题。
随着嵌入式系统中软件应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课题。
在这种情况下，如何保证系统的容错性和故障—安全性成为一个亟待解决的难题。
基于RTOS开发出的程序，具有较高的可移植性，可实现90%以上设备独立，从而有利于系统故障—安全的实现。
另外一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会，嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高知识创新的效率。
在铁路这样恶劣工作环境下的计算机系统，对系统安全性、可靠性、可用性的要求更高，必须使用安全计算机，以保证系统能安全、可靠、不间断地工作。
而安全计算机系统的软件核心就是RTOS。
目前，英国的西屋公司（Westinghouse）已经在列车运行控制系统中采用了RTOS，瑞典也有很多铁路通信和控制系统采用OSE实时操作系统。
采用实时操作系统可以满足如下性能或特性：
提高系统的安全性。
实时操作系统可以成为整个软件系统的中间件，即实时操作系统通过驱动程序与底层硬件相结合，而上层应用程序通过API和库函数与实时操作系统相结合。
实时操作系统完成系统多任务的调度和中断的执行，这样系统的安全模块和非安全模块将会得到有效的隔离，RTOS可以很好地解决硬件冗余模块的同步问题。
满足系统实时性的要求。
列车运行控制系统要求的是硬实时响应，实时性要求非常高，如果在系统中选用实用操作系统开发该系统的软件，会对该系统的实时性指标的提高有很大帮助。
缩短了新产品的开发周期。
由于RTOS提供了系统中的多任务调度、管理等功能，在此基础上用户只需开发与应用对象相关的应用程序，所以缩短了新产品的开发周期，降低了设备的成本。
RTOS还具有开发手段可靠、检测手段完善等特点。
充分发挥实时操作系统可移植性、可维护性强等优势。
采用RTOS后，一旦系统需要升级，只需改动力量程序，而不像以前系统需要重新进行设计，体现出RTOS再开发周期短，升级能力强的优点。
三、数字信号处理新技术的应用
随着铁路运输提速、重载的发展，基于分立元器件和模拟信号处理技术的传统铁路信号设备越来越满足不了铁路运输安全性和实时性的要求。
因此，全面引进计算机技术，利用计算机的高速分析计算功能，来提高信号设备的技术水平已非常紧迫。
数字信号处理技术（DSP,DigitalSignalProcessing）的出现为铁路信号信息处理提供了很好的解决方法。
与模拟信号处理技术相比较，数字信号处理技术具有更高的可靠性和实时性。
数字信号处理的频域分析和时域分析的两种传统分析方法有着各自的优缺点。
频域分析的优点是运算精度高和抗干扰性能好，而缺点是在强干扰中提取信号时容易造成解码倍频现象，例如将移频的低频11Hz误解成22Hz；时域分析的优点是定型准确，而缺点是定量精确地剔除带内干扰难度大。
随着数字信号处理技术的新发展，在铁路信号处理中引入了新的实用技术，如ZFFT（ZOOM-FFT）、小波信号处理技术、现代谱分析技术等。
目前，我国的轨道电路的信号发送、接收以及机车信号的接收普通采用了数字信号处理技术，日本的数字ATC和法国UM2000数字编码轨道电路也都采用了数字信号处理技术。
四、计算机网络技术的发展
随着计算机网络技术的飞速发展，实施企业网络化管理已成为企业实现管理现代化的客观要求和必然趋势。
铁路信号系统网络化是铁路运输综合调度指挥的基础。
在网络化的基础上实现信息化，从而实现集中、智能管理。
网络化。
现代铁路信号系统不是各种信号设备的简单组合，而是功能完善、层次分明的控制系统。
系统内部各功能单元之间独立工作，同时又互相联系，交换信息，构成复杂的网络化结构，使指挥者能够全面了解辖区内的各种情况，灵活配置系统资源，保证铁路系统的安全、高效运行。
信息化。
以信息化带动铁路产业现代化，是铁路发展的必然趋势。
全面、准确获得线路上的信息是高速列车安全运行的保证。
因而现代铁路信号系统采用了许多先进的通信技术，如光纤通信、无线通信、卫星通信与定位技术等。
智能化。
智能化包括系统的智能化与控制设备的智能化。
系统智能化是指上层管理部门根据铁路系统的实际情况，借助先进的计算机技术来合理规划列车的运行，使整个铁路系统达到最优化；控制设备的智能化则是指采用智能化的执行机构，来准确、快速地获得指挥者所需的信息，并根据指令来指挥、控制列车的运行。
近年来，我国铁路行业已成功地推广应用了原TMIS和DMIS（现称TDCS）等系统，在利用信息技术方面取得了长足的进步。
具有代表性的列车调度指挥系统TDCS，以现代信息技术为基础，综合运用通信、信号、计算机网络、多媒体技术，建立了新型现代化运输调度指挥系统（铁道部、铁路局、基层信息采集网）。
五、通信技术与控制技术相结合
随着计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和控制技术（Control）的飞跃发展，向传统的以轨道电路作为信息传输媒体的列车运行控制系统提出了新的挑战。
综合利用3C（Computer、Communication、Control）技术代替轨道电路技术，构成新型列车控制系统已成必然。
用3C技术代替轨道电路的核心是通信技术的应用，目前计算机和控制技术已经渗透到列控系统中，称为“基于通信的列车运行控制系统”（CBTC，CommunicationBasedTrainControl）。
如上所述，世界发达国家陆续试验的CBTC系统有ATCS、ARES、ASTREE、CARAT、FZB等。
所有上述各类系统，均具有两个基本特点：
列车与地面之间有各种类型的无线双向通信。
可分为连续式和点式的。
其中又可分为短距离传输（指1m以内）和较长距离传输（远至几公里至几十公里）的移动通信。
它们仍然保留闭塞分区，其中最简易方式CBTC仍采用固定的闭塞分区，但是闭塞分区的分隔点不是用轨道电路的机械绝缘节或电气绝缘节（如无绝缘轨道电路），而是用应答器或计轴器，或其他能传送无线信号的装置构成分隔点，这种简易形式仍然保留固定长度的闭塞分区（FAS，FixedAotoblockSystem），简称为CBTC—MAS。
在CBTC中进一步发展的闭塞分区不是固定的,而是移动的（MAS,MovingAutoblockSystem）,简称CBTC-MAS。
被欧洲联盟采用的ERTMS/ETCS的2级和3级是当前CBTC的代表。
ERTMS/ETCS经过多个试验项目的测试和认证后，进行了商业项目的建设，德国铁路计划到2021年在所有的高速铁路装备ETCS2级设备。
表1-2给出了其他欧洲国家铁路正在建设或已投入商业运营的ERTMS/ETCS商业项目。
通信技术与控制技术的结合重新规划了铁路信号系统的结构与组成，为列车运行控制的未来发展开辟了新开地。
六、通信信号一体化
随着当代铁路的发展，铁路通信信号技术发生了重大变化，车站、区间和列车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术，冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。
从铁路信号系统纵向发展看，德国已经形成从LZB、FZB发展到ERTMS的发展趋势。
LZB利用轨道电缆环线传输列车运行控制系统行车指令和速度指令机车信号，取消地面闭塞信号机，保留闭塞分区，列车按固定闭塞方式（即FAS）运行。
FZB是基于无线的列车运行控制系统，是新一代移动自动闭塞系统（即MAS），其目的是实现低成本、高性能的列车运行控制系统，并已加入ETCS。
ERTMS/ETCS（欧洲铁路运输管理系统/欧洲列车控制系统）是欧盟支持的统一的行车控制系统，采用GSM—R作为传输系统，其成功应用将进一步推动铁路通信信号的技术进步，加快实现铁路通信信号一体化的进程。
从信号系统的横向发展来看，日本新干线在1995年成功开发和投入运行的COSMOS系统，则是通信信号一体化的又一个成功案例。
该系统包含运输计划、运行管理、维护工作管理、设备管理、集中信息管理、电力系统控制、车辆管理、站内工作管理等8个子系统，以通信信号一体化技术，实现中心到车站各子系统的信息共享，并使系统达到很高的自动化水平。
另外成功地应用了安全光纤局域网，使之成为联锁系统、列车运行控制系统的安全传输通道，达到通信技术与信号安全技术的深度结合，实现了通信信号一体化。
通信信号一体化是现代铁路信号的重要发展趋势，铁路信号技术发展所依托的新技术，如网络技术，与通信技术的技术标准是一致的，属于技术发展前沿科学，为通信信号一体化提供了理论和技术基础。
在借鉴世界各国经验的基础上，结合中国国情、路情，我国已制定了中国统一的CTCS技术标准（暂行）。
七、安全性与可靠性分析
保证铁路运输的安全，要求铁
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