铁路系统：信号与控制 - 全球视角

铁路运输在全球经济中扮演着至关重要的角色，促进了长距离的客运和货运。确保铁路网络安全高效的运营，在很大程度上依赖于复杂的信号与控制系统。本文从全球视角全面概述了这些系统，审视了其基本原理、技术进步、挑战和未来趋势。

铁路信号的基础

从本质上讲，铁路信号是一个旨在防止碰撞和规范列车运行的系统。早期的信号系统依赖于手动操作和简单的视觉信号。然而，现代系统采用先进技术来自动化这些过程并增强安全性。

基本原则

• 间隔控制：在列车之间保持足够的安全距离，以防止追尾碰撞。
• 路径选择：引导列车沿正确轨道行驶，并确保避免冲突的运行。
• 速度控制：强制执行速度限制，调节列车速度，以防止脱轨和其他事故。
• 防护：保护列车免于进入已被占用的轨道区段或存在不安全条件的区域。

关键组成部分

• 信号机：向列车司机传达前方轨道状态信息的视觉指示器（灯、标志）。这些信号机可以从简单的色灯信号到更复杂的多显示信号。
• 轨道电路：用于检测特定轨道区段上是否有列车的电路。
• 联锁系统：通过锁定道岔和信号机来防止冲突运行，以确保安全路径的系统。机械联锁已经发展成为计算机化系统。
• 控制中心：调度员在此集中监控和控制整个网络中的列车运行。
• 列车检测系统：用于可靠确定列车位置的技术。除了轨道电路，还采用了计轴器和基于GPS的系统。

铁路信号技术的演进

为满足日益增长的安全性、容量和效率需求，铁路信号技术经历了重大演变。每一代技术都在前一代的基础上，融合了电子、通信和计算领域的新进展。

早期机械系统

最早的信号系统完全是机械式的，依靠杠杆、拉杆和钢丝来操作信号机和道岔（switches）。这些系统劳动强度大，且容易出错。

机电系统

电力的引入使得机电系统的发展成为可能，这些系统自动化了机械系统的一些功能。基于继电器的联锁系统在很多年里都是标准配置。

固态联锁 (SSI)

固态联锁（SSI）系统用固态电子元件取代了机电继电器，提供了更高的可靠性、速度和灵活性。这些系统在现代铁路网络中被广泛使用。

计算机联锁 (CBI)

计算机联锁（CBI）系统代表了最先进的联锁技术。它们使用强大的计算机来控制信号机和道岔，提供增强的安全功能和诊断能力。这些系统可以与其他铁路管理系统集成，实现无缝操作。

先进列车控制系统 (ATCS)

先进列车控制系统（ATCS）包含一系列旨在自动化列车控制和提高安全性的技术。这些系统通常包括以下功能：

• 自动列车保护 (ATP)：防止列车超速或冒进危险信号。
• 自动列车操作 (ATO)：自动化列车驾驶功能，如加速、制动和停车。
• 自动列车监控 (ATS)：提供列车运行的集中监控和控制。

ATCS 实施案例

• 美国的列车主动控制系统 (PTC)：根据2008年《铁路安全改进法案》强制实施，PTC旨在防止列车相撞、超速脱轨以及侵入施工区。
• 欧洲的欧洲列车控制系统 (ETCS)：一个标准化的列车控制系统，旨在提高欧洲铁路网络的互操作性和安全性。ETCS有不同级别（1级、2级、3级），提供不同程度的自动化和功能。
• 基于通信的列车控制 (CBTC) 系统：主要用于城市轨道交通系统（地铁），CBTC依靠列车与中央控制中心之间的连续双向通信，提供精确的列车定位和速度控制。

基于通信的列车控制 (CBTC)

CBTC系统代表了列车控制技术的重大进步。与依赖轨道电路和固定闭塞分区的传统信号系统不同，CBTC使用无线通信来确定列车位置并动态管理列车运行。

CBTC 的主要特点

• 移动闭塞：CBTC使用“移动闭塞”概念，而不是固定的闭塞分区。安全停车距离是根据列车的速度、位置和制动特性动态计算的。这使得列车能够更紧密地运行，从而增加线路容量。
• 连续通信：列车与中央控制中心持续通信，提供关于其位置、速度和状态的实时信息。
• 高精度定位：CBTC系统使用应答器、信标和GPS等多种技术，以高精度确定列车位置。
• 自动列车保护 (ATP)：强制执行速度限制并防止列车进入不安全区域。
• 自动列车操作 (ATO)：自动化列车驾驶功能，提高效率并缩短行车间隔。

CBTC 的优势

• 增加容量：移动闭塞操作允许更短的行车间隔和更高的列车频率。
• 提高安全性：持续监控和ATP功能增强了安全性，降低了事故风险。
• 降低运营成本：列车驾驶功能的自动化可以减少劳动力成本并提高能源效率。
• 提升乘客体验：更平稳的加减速以及更频繁的服务改善了乘客体验。

CBTC 实施案例

• 伦敦地铁（英国）：伦敦地铁的多条线路已升级为CBTC系统，以增加容量并提高服务可靠性。
• 纽约市地铁（美国）：纽约市地铁正在各条线路上逐步实施CBTC，以实现其信号基础设施的现代化并提升性能。
• 巴黎地铁（法国）：巴黎地铁的一些线路采用全自动CBTC系统运行，实现了无人驾驶操作和高频率服务。
• 新加坡地铁（新加坡）：新加坡地铁在多条线路上使用CBTC来优化容量并保持高水平的安全性。

欧洲列车控制系统 (ETCS)

欧洲列车控制系统（ETCS）是由欧盟开发的一个标准化列车控制系统，旨在提高欧洲铁路网络的互操作性和安全性。ETCS的目标是用一个单一、统一的标准取代各国多样化的信号系统。

ETCS 级别

ETCS有不同的级别，每个级别提供不同程度的自动化和功能：

• ETCS 1级：基于沿轨道放置的欧洲应答器（Eurobalises）提供间歇性的列车监控。列车在经过欧洲应答器时接收前方轨道的信息。
• ETCS 2级：通过GSM-R（全球移动通信系统-铁路），一个专用于铁路的无线通信网络，提供连续的列车监控。列车持续接收前方轨道的信息，从而允许更高的速度和更短的行车间隔。
• ETCS 3级：使用类似于CBTC的“移动闭塞”概念，通过GSM-R或其他无线通信技术进行连续的列车监控。此级别提供最高的容量和灵活性。

ETCS 的优势

• 提高安全性：ETCS集成了ATP功能，可防止列车超速或冒进危险信号。
• 增强互操作性：ETCS允许列车在不同欧洲国家之间无缝运行，无需配备多个车载信号系统。
• 增加容量：ETCS 2级和3级可实现更高的速度和更短的行车间隔，从而增加铁路线路的容量。
• 降低基础设施成本：ETCS可以减少对传统地面信号机的需求，从而降低基础设施成本。

ETCS 实施的挑战

• 高昂的实施成本：将现有铁路基础设施升级到ETCS可能非常昂贵，需要对新设备和软件进行大量投资。
• 复杂性：ETCS是一个复杂的系统，需要专门的培训和专业知识才能操作和维护。
• 互操作性问题：确保不同ETCS级别和版本之间的互操作性可能具有挑战性。

美国的列车主动控制系统 (PTC)

列车主动控制系统（PTC）是一个旨在防止列车相撞、超速脱轨以及侵入施工区的系统。2008年的《铁路安全改进法案》强制要求在美国某些主要线路上实施PTC。

PTC 的主要特点

• 自动列车停车：如果列车即将违反速度限制或进入未经授权的区域，PTC会自动使其停车。
• 强制执行速度限制：PTC强制执行速度限制并防止列车超速。
• 施工区保护：PTC保护列车未经授权不得进入施工区。
• 互操作性：PTC系统必须具有互操作性，允许列车在不同的铁路网络之间无缝运行。

PTC 实施的挑战

• 技术复杂性：PTC是一个复杂的系统，需要先进的硬件和软件。
• 高昂成本：实施PTC需要对基础设施和设备进行大量投资。
• 互操作性挑战：实现不同PTC系统之间的互操作性一直是一个重大挑战。
• 频谱可用性：为PTC通信确保足够的无线电频谱一直是一个障碍。

铁路信号与控制的挑战与未来趋势

铁路信号与控制系统面临若干挑战，包括：

• 网络安全：随着这些系统日益互联，保护铁路系统免受网络攻击变得越来越重要。
• 基础设施老化：许多铁路网络的基础设施老化，需要升级或更换。
• 需求增长：对铁路运输日益增长的需求要求更高的容量和效率。
• 新技术集成：将人工智能和机器学习等新技术集成到铁路系统中可能具有挑战性。

铁路信号与控制的未来趋势包括：

• 更高程度的自动化：列车控制功能将更加自动化，从而实现无人驾驶列车并降低运营成本。
• 改进的通信系统：使用5G和其他先进通信技术来增强车地通信。
• 数据分析：利用数据分析来优化列车运营和改进维护。
• 数字孪生：创建铁路网络的数字孪生，以模拟不同场景并优化系统性能。
• 人工智能（AI）与机器学习（ML）：实施AI和ML算法，用于预测性维护、异常检测和优化的交通管理。

全球标准与法规

各种国际组织和监管机构为铁路信号与控制系统制定标准和法规，以确保安全性和互操作性。这些机构包括：

• 国际铁路联盟（UIC）：制定技术标准并促进全球铁路运营商之间的合作。
• 欧盟铁路局（ERA）：负责为欧洲铁路系统制定和实施互操作性技术规范（TSI）。
• 美国联邦铁路管理局（FRA）：监管铁路安全并执行与铁路运输相关的联邦法律。
• 国家铁路安全当局：每个国家通常都有自己的国家铁路安全当局，负责监管铁路安全和执行国家法律。

结论

铁路信号与控制系统对于铁路网络的安全高效运行至关重要。从早期的机械系统到先进的基于通信的列车控制，这些系统在日益增长的安全性、容量和效率需求的驱动下，经历了重大的演变。随着铁路网络的持续增长和发展，先进的信号与控制技术将在确保全球铁路运输的安全性和可靠性方面发挥越来越重要的作用。通过拥抱创新与合作，铁路行业可以继续提升这一重要交通方式的性能和可持续性。