1. 城市軌道
1.1城市軌道交通現(xiàn)狀
近年來，隨著改革開放政策的貫徹執(zhí)以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)世紀(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)， 我國國民經(jīng)得到了蓬勃發(fā)展， 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將會(huì)伴隨更大都市化，促進(jìn)了城市的建立和發(fā)展，2000年城市人口即達(dá)到4億6千萬。目前，約有40城市歸類為大城市，人口超過100萬，其中個(gè)城市人口超過300萬。由于城市經(jīng)濟(jì)區(qū)域局的變化以及大城市的聚集和輻射效應(yīng)越來強(qiáng)烈，城市流動(dòng)人口大為增加，居民出行更頻繁，城市交通需求的矛盾也就越來越突出同時(shí)，隨著工業(yè)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的快，人們的工作節(jié)奏也越來越快，時(shí)間觀念來越強(qiáng)。因此，需要準(zhǔn)時(shí)、安全、快捷的交方式來滿足人們的出行需要。因此軌道交通的安全性非常重要，信號(hào)系統(tǒng)有則是完成軌道交通運(yùn)行不可分隔的重要環(huán)節(jié).
1.2 軌道交通的形式與特點(diǎn)
一般地，特大城市特別是首都、直轄市及省會(huì)城市都是全國或地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心， 每天進(jìn)出市區(qū)的上班族和進(jìn)行商業(yè)活動(dòng)的人員及各種流動(dòng)人員數(shù)量十分龐大， 為了輸送如此數(shù)量的旅行人員，應(yīng)該分地區(qū)、分區(qū)域、分路段，根據(jù)客流需要，結(jié)合城市總體規(guī)劃,考慮環(huán)保等要求，合理選擇相應(yīng)的城市軌道交通系統(tǒng)。 城市軌道交通系統(tǒng)按照軌道建筑物在城市內(nèi)所處的空間位置、 能夠滿足的運(yùn)量大小、 運(yùn)行方式、 軌道結(jié)構(gòu)、 管理方式的不同，劃分為地下鐵道、現(xiàn)代有軌電車、單軌交通、小型地鐵以及軌道新交系統(tǒng)。
1.3 地下鐵道
地下鐵道，簡稱地鐵，是線路的大部分建筑物在地下， 作為大運(yùn)量軌道交通手段的城市高速鐵道的總稱， 其特別適合于城市內(nèi)市區(qū)及老城區(qū)建設(shè)。其特點(diǎn)是在市內(nèi)地下通行，不占用地表及地上空間，運(yùn)營干擾小，輸送能力大， 每小時(shí)運(yùn)量達(dá)30000～60000人， 但造價(jià)比較昂貴。1863 年，世界上最初的地鐵在倫敦開通，全長6km。1969年10月，我國在北京建成了第一條地鐵， 即北京地鐵第一期工程投入試運(yùn)營，也是我國自行設(shè)計(jì)、建設(shè)的第一條地下鐵道。目前，北京地下鐵道的運(yùn)營里程全長41.6km，有30個(gè)運(yùn)營車站，日平均客運(yùn)量達(dá)125萬人，同時(shí),北京地鐵的滿載率和單車運(yùn)行均居世界第一。
1.4現(xiàn)代有軌電車
現(xiàn)代有軌電車是利用軌道作為車輛導(dǎo)向的運(yùn)輸軌道交通系統(tǒng)。它以客運(yùn)為主，它是在舊式有軌電車的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代化水平很高的客運(yùn)系統(tǒng)，輸送能力為每小時(shí) 10000～30000人，屬于中運(yùn)量城市交通客運(yùn)系統(tǒng)，具有高速、高加速性能，噪音小，低振動(dòng)，對周圍環(huán)境影響小的特點(diǎn)，省功、節(jié)能，可以無人駕駛，同時(shí)建設(shè)費(fèi)用比較便宜，運(yùn)營費(fèi)用也較小。 法國是世界上最早擁有現(xiàn)代有軌電車的國家之一。在法國的南特市，城市人口約45萬，1984 年建成一條自東向西穿過市區(qū)的現(xiàn)代有軌電車線路，線路全長10.6km，平均運(yùn)行速度可達(dá)24km/h，目前年客運(yùn)量已接近2 千萬人次。在我國上海,也采用現(xiàn)代有軌電車交通系統(tǒng)，即輕軌明珠線，1998 年投入運(yùn)營。目前，在世界上擁有城市軌道交通系統(tǒng)的320個(gè)國家當(dāng)中，擁有有軌電車(包括現(xiàn)代有軌電車和舊式有軌電車)的達(dá)84%。
1.5單軌交通
單軌交通是指以橡膠輪胎為主的車輛在一根軌道上運(yùn)行的交通方式。 按支撐方式的不同可劃分為跨座式和懸吊式兩種。 單軌交通具有以下特點(diǎn)：運(yùn)行安全,運(yùn)行速度快,容易在陡坡上、小半徑曲線上行駛，公害小，支撐少，建設(shè)費(fèi)用低，建設(shè)工期短的特點(diǎn)。但單軌交通通過城市景觀區(qū)、市中心、住宅區(qū)的時(shí)候，乘客總有點(diǎn)擔(dān)心；和其他交通設(shè)施不能換乘；和其他高架交通設(shè)施交叉時(shí)， 要建成更高的高架結(jié)構(gòu)：道岔裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間也較長；車輛出現(xiàn)故障等緊急情況，需要避難時(shí)間。小型地鐵和新交通系統(tǒng)，都是20世紀(jì)80年代至90年代發(fā)展起來的新型軌道交通系統(tǒng)，具有技術(shù)先進(jìn)、建設(shè)造價(jià)低的特點(diǎn)。在世界上許多地方得到不同程度的修建。
2. 信號(hào)系統(tǒng)
2.1城市軌道交通信號(hào)所具有的特點(diǎn)及優(yōu)勢
軌道交通信號(hào)系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)及優(yōu)勢：技術(shù)密集度高、更新?lián)Q代快；投資少、見效快、效益高；滲透鐵路運(yùn)輸各部門及軌道運(yùn)輸部門，全程全網(wǎng)服務(wù)于軌道運(yùn)輸；由軌道交通信號(hào)產(chǎn)生的各種實(shí)時(shí)信息傳輸速度快、準(zhǔn)確率高；控制命令邏輯關(guān)系嚴(yán)密，安全可靠度強(qiáng)。軌道交通信號(hào)是城市軌道交通現(xiàn)代信息技術(shù)的重要領(lǐng)域，列車運(yùn)行控制與行車調(diào)度指揮自動(dòng)化是鐵路信號(hào)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)，代表著城市軌道行車信息與控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。隨著我國軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，當(dāng)今城市軌道信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)已融通信、信號(hào)、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)于一體，并向數(shù)字化、智能化、綜合自動(dòng)化方向發(fā)展，其發(fā)展水平已成為我國城市軌道現(xiàn)代化建設(shè)的重要標(biāo)志之一。
研究軌道交通信號(hào)的發(fā)展方向也將有助于鐵路行業(yè)的運(yùn)輸能力及競爭能力。
軌道交通信號(hào)設(shè)備是軌道運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)備之一。它猶如人的耳目和中樞神經(jīng)，擔(dān)負(fù)著路網(wǎng)上行車設(shè)備的運(yùn)用狀況、列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)、運(yùn)輸調(diào)度的指令控制等信息的傳遞與監(jiān)控任務(wù)。鐵路信號(hào)的主要功能是：保證軌道交通行車安全、擴(kuò)大線路通過能力、提高運(yùn)輸組織效率、改善職工勞動(dòng)條件。
本文還分析了我國傳統(tǒng)運(yùn)輸模式下信號(hào)技術(shù)在信號(hào)顯示、車站信號(hào)聯(lián)鎖、機(jī)車信號(hào)與列車運(yùn)行控制、行車調(diào)度指揮、軌道交通樞紐信號(hào)和信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備等方面發(fā)展的現(xiàn)狀、技術(shù)特征及我國軌道交通信號(hào)系統(tǒng)適應(yīng)提速發(fā)展的發(fā)展方向。
2.2城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)
城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)通常由列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，簡稱ATC）組成，ATC系統(tǒng)包括三個(gè)子系統(tǒng)：
　 — 列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，簡稱ATS）
　　— 列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)（Automatic Train Protection，簡稱ATP）
　　— 列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（Automatic Train Operation，簡稱ATO）
　　三個(gè)子系統(tǒng)通過信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面控制與車上控制結(jié)合、現(xiàn)地控制與中央控制結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集行車指揮、運(yùn)行調(diào)整以及列車駕駛自動(dòng)化等功能為一體的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。
　 2.3列車自動(dòng)控制系統(tǒng)分類
　　1、按閉塞布點(diǎn)方式：可分為固定式和移動(dòng)式。固定閉塞方式中按控制方式，又可分為速度碼模式（臺(tái)階式）和目標(biāo)距離碼模式（曲線式）。
　　2、按機(jī)車信號(hào)傳輸方式：可分為連續(xù)式和點(diǎn)式。
　　3、按各系統(tǒng)設(shè)備所處地域可分為：控制中心子系統(tǒng)、車站及軌旁子系統(tǒng)、車載設(shè)備子系統(tǒng)、車場子系統(tǒng)。
　2.4固定閉塞ATC系統(tǒng)
　　固定閉塞ATC系統(tǒng)是指基于傳統(tǒng)軌道電路的自動(dòng)閉塞方式，閉塞分區(qū)按線路條件經(jīng)牽引計(jì)算來確定，一旦劃定將固定不變。列車以閉塞分區(qū)為最小行車間隔，ATC系統(tǒng)根據(jù)這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行的自動(dòng)控制。固定閉塞ATC系統(tǒng)又可分為速度碼模式和目標(biāo)距離碼模式。
　　2.5 速度碼模式
　　如北京地鐵和上海地鐵1號(hào)線分別引進(jìn)的英國西屋公司和美國GRS公司的ATC系統(tǒng)均屬此類ATC系統(tǒng)，該系統(tǒng)屬70～80年代的產(chǎn)品，技術(shù)成熟、造價(jià)較低，但因閉塞分區(qū)長度的設(shè)計(jì)受限于最不利線路條件和最低列車性能，不利于提高線路運(yùn)輸效率。固定閉塞速度碼模式ATC是基于普通音頻軌道電路，軌道電路傳輸信息量少，對應(yīng)每個(gè)閉塞分區(qū)只能傳送一個(gè)信息代碼，從控制方式可分成入口控制和出口控制兩種，從軌道電路類型劃分可分為有絕緣和無絕緣軌道電路兩種。
　　以出口防護(hù)方式為例，軌道電路傳輸?shù)男畔⒓丛搮^(qū)段所規(guī)定的出口速度命令碼，當(dāng)列車運(yùn)行的出口速度大于本區(qū)段的出口命令碼所規(guī)定的速度時(shí)，車載設(shè)備便對列車實(shí)施懲罰性制動(dòng)，以保證列車運(yùn)行的安全。由于列車監(jiān)控采用出口檢查方式，為保證列車安全追蹤運(yùn)行，需要一個(gè)完整的閉塞分區(qū)作為列車的安全保護(hù)距離，限制了線路通過能力的進(jìn)一步提高和發(fā)揮。能提供此類產(chǎn)品的公司有：英國WSL公司、美國GRS公司、法國ALSTOM公司、德國SIEMENZ公司等。
　　2.6 目標(biāo)距離碼模式（曲線式）
　　目標(biāo)距離碼模式一般采用音頻數(shù)字軌道電路或音頻軌道電路加電纜環(huán)線或音頻軌道電路加應(yīng)答器，具有較大的信息傳輸量和較強(qiáng)的抗干擾能力。通過音頻數(shù)字軌道電路發(fā)送設(shè)備或應(yīng)答器向車載設(shè)備提供目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、線路狀態(tài)（曲線半徑、坡道等數(shù)據(jù)）等信息，車載設(shè)備結(jié)合固定的車輛性能數(shù)據(jù)計(jì)算出適合于列車運(yùn)行的目標(biāo)距離速度模式曲線（最終形成一段曲線控制方式），保證列車在目標(biāo)距離速度模式曲線下有序運(yùn)行。不僅增強(qiáng)了列車運(yùn)行的舒適度，而且列車追蹤運(yùn)行的最小安全間隔縮短為安全保護(hù)距離，有利于提高線路的通過能力。如上海地鐵2號(hào)線引進(jìn)美國US&S公司、明珠線引進(jìn)法國ALSTOM公司和廣州地鐵1、2號(hào)線引進(jìn)德國西門子公司的ATC系統(tǒng)均屬此類。
　3移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)
　　移動(dòng)閉塞方式的ATC系統(tǒng)通常采用無線通信、地面交叉感應(yīng)環(huán)線、波導(dǎo)等媒體，向列控車載設(shè)備傳遞信息。列車安全間隔距離是根據(jù)最大允許車速、當(dāng)前停車點(diǎn)位置、線路等信息計(jì)算得出，信息被循環(huán)更新，以保證列車不間斷收到即時(shí)信息。
　　移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)是利用列車和地面間的雙向數(shù)據(jù)通信設(shè)備，使地面信號(hào)設(shè)備可以得到每一列車連續(xù)的位置信息，并距此計(jì)算出每一列車的運(yùn)行權(quán)限，動(dòng)態(tài)更新發(fā)送給列車，列車根據(jù)接收到的運(yùn)行權(quán)限和自身的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算出列車運(yùn)行的速度曲線，實(shí)現(xiàn)精確的定點(diǎn)停車，實(shí)現(xiàn)完全防護(hù)的列車雙向運(yùn)行模式，更有利于線路通過能力的充分發(fā)揮。
　　移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)在我國還未有應(yīng)用實(shí)例，國外能提供此類系統(tǒng)的公司有：阿爾卡特公司交叉感應(yīng)電纜作為傳輸媒介的ATC系統(tǒng)，在加拿大溫哥華“天車線”和香港KCRC西部鐵路等應(yīng)用，技術(shù)比較成熟，但交叉感應(yīng)軌間電纜給線路日常養(yǎng)護(hù)帶來不便；美國哈蒙公司基于擴(kuò)頻電臺(tái)通信的移動(dòng)閉塞應(yīng)用在舊金山BART線，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)用尚不成熟；阿爾斯通公司基于波導(dǎo)傳輸信息的移動(dòng)閉塞正在新加坡西北線試驗(yàn)段安裝調(diào)試。
3.1信號(hào)系統(tǒng)基本功能
　　3.1.1 列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)
　　ATS系統(tǒng)由控制中心、車站、車場以及車載設(shè)備組成。ATS系統(tǒng)在ATP系統(tǒng)的支持下完成對列車運(yùn)行的自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)以下基本功能：
　?。?）通過ATS車站設(shè)備，能夠采集軌旁及車載ATP提供的軌道占用狀態(tài)、進(jìn)路狀態(tài)、列車運(yùn)行狀態(tài)以及信號(hào)設(shè)備故障等控制和監(jiān)督列車運(yùn)行的基礎(chǔ)信息。
　?。?）根據(jù)聯(lián)鎖表、計(jì)劃運(yùn)行圖及列車位置，自動(dòng)生成輸出進(jìn)路控制命令，傳送至車站聯(lián)鎖設(shè)備，設(shè)置列車進(jìn)路、控制列車停站時(shí)分。
　　（3）列車識(shí)別跟蹤、傳遞和顯示功能。系統(tǒng)能自動(dòng)完成正線區(qū)段內(nèi)列車識(shí)別號(hào)（服務(wù)號(hào)、目的地號(hào)、車體號(hào)）跟蹤，列車識(shí)別號(hào)可由中央ATS自動(dòng)生成或調(diào)度員人工設(shè)定、修改，也可由列車經(jīng)車—地通信向ATS發(fā)送識(shí)別號(hào)等信息。
　?。?）列車計(jì)劃與實(shí)跡運(yùn)行圖的比較和計(jì)算機(jī)輔助調(diào)度功能。能根據(jù)列車運(yùn)行實(shí)際的偏離情況，自動(dòng)生成調(diào)整計(jì)劃供調(diào)度員參考或自動(dòng)調(diào)整列車停站時(shí)分，控制發(fā)車時(shí)間。
　?。?）ATS中央故障情況下的降級(jí)處理，由調(diào)度員人工介入設(shè)置進(jìn)路，對列車運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，由ATS車站完成自動(dòng)進(jìn)路或根據(jù)列車識(shí)別號(hào)進(jìn)行自動(dòng)信號(hào)控制，由車站人工進(jìn)行進(jìn)路控制。
　　（6）在計(jì)算機(jī)輔助下完成對列車基本運(yùn)行圖的編制及管理，并具有較強(qiáng)的人工介入能力。通過設(shè)在車輛段的終端，向車輛段管理及行車人員提供必要的信息，以便編制車輛運(yùn)用計(jì)劃和行車計(jì)劃。
　?。?）列車運(yùn)行顯示屏及調(diào)度臺(tái)顯示器，能對軌道區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)和在線運(yùn)行列車等進(jìn)行監(jiān)視，能在行調(diào)工作站上給出設(shè)備故障報(bào)警及故障源提示。
　?。?）能在中央專用設(shè)備上提供模擬和演示功能，用于培訓(xùn)及參觀。能自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)要求進(jìn)行顯示打印。
　?。?）能在車站控制模式下與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備結(jié)合，將部分或所有信號(hào)機(jī)置于自動(dòng)模式狀態(tài)。
　?。?0）向通信無線、廣播、旅客向?qū)到y(tǒng)提供必要的信息。
　　3.1.2列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)（ATP）
　　ATP系統(tǒng)由地面設(shè)備、車載設(shè)備組成，監(jiān)督列車在安全速度下運(yùn)行，確保列車一旦超過規(guī)定速度，立即施行制動(dòng)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
　?。?）自動(dòng)連續(xù)地對列車位置進(jìn)行檢測，并向列車發(fā)送必要的速度、距離、線路條件等信息，以確定列車運(yùn)行的最大安全速度。提供列車速度保護(hù)，在列車超速時(shí)提供常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)，保證前行與后續(xù)列車之間的安全間隔，滿足正向行車時(shí)的設(shè)計(jì)行車間隔和折返間隔。對反向運(yùn)行列車能進(jìn)行ATP防護(hù)。
　?。?）確保列車進(jìn)路正確及列車的運(yùn)行安全。確保同一徑路上的不同列車之間具有足夠的安全距離，以及等防止列車側(cè)面沖撞。
　?。?）防止列車超速運(yùn)行，保證列車速度不超過線路、道岔、車輛等規(guī)定的允許速度。
　?。?）為列車車門的開啟提供安全、可靠的信息。
　?。?）根據(jù)聯(lián)鎖設(shè)備提供的進(jìn)路上軌道區(qū)間運(yùn)行方向，確定相應(yīng)軌道電路發(fā)碼方向。
　　（6）任何車—地通信中斷以及列車的非預(yù)期移動(dòng)（含退行）、任何列車完整性電路的中斷、列車超速（含臨時(shí)限速）、車載設(shè)備故障等均將產(chǎn)生安全性制動(dòng)。
　?。?）實(shí)現(xiàn)與ATS的接口和有關(guān)的交換信息。
　?。?）系統(tǒng)的自診斷、故障報(bào)警、記錄。
　　（9）列車的實(shí)際速度、推薦速度、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離等信息的記錄和顯示。具有人工或自動(dòng)輪徑磨耗補(bǔ)償功能。
3.1.3 列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)（ATO）
　　ATO子系統(tǒng)是控制列車自動(dòng)運(yùn)行的設(shè)備，由車載設(shè)備和地面設(shè)備組成，在ATP系統(tǒng)的保護(hù)下，根據(jù)ATS的指令實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的自動(dòng)駕駛、速度的自動(dòng)調(diào)整、列車車門控制。
　?。?）自動(dòng)完成對列車的啟動(dòng)、牽引、巡航、惰行和制動(dòng)的控制，以較高的速度進(jìn)行追蹤運(yùn)行和折返作業(yè)，確保達(dá)到設(shè)計(jì)間隔及旅行速度。
　?。?）在ATS監(jiān)控范圍的入口及各站停車區(qū)域（含折返線、停車線）進(jìn)行車—地通信，將列車有關(guān)信息傳送至ATS系統(tǒng)，以便于ATS系統(tǒng)對在線列車進(jìn)行監(jiān)控。
　?。?）控制列車按照運(yùn)行圖進(jìn)行運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能及自動(dòng)調(diào)整列車運(yùn)行的目的。
　?。?）ATO自動(dòng)駕駛時(shí)實(shí)現(xiàn)車站站臺(tái)定點(diǎn)停車控制、舒適度控制及節(jié)省能源控制。
　?。?）能根據(jù)停車站臺(tái)的位置及停車精度，自動(dòng)地對車門進(jìn)行控制。
　?。?）與ATS和ATP結(jié)合，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛、有人或無人駕駛。