1.2　信号系统基本概念

在实际铁路运输过程中，即使在铁路线路、桥梁、机车和车辆等设备条件良好的情况下，也可能发生列车冲突和颠覆等重大事故。发生列车冲突的原因可能是多列列车同时占用一个空间造成的；也可能是由于道岔位置不正确而导致列车驶入错误线而造成冲撞；另外，列车速度超过了线路限制速度也会引起颠覆事故。

因此，在现代铁路运输系统中，除了铁路固定设备（线路、桥、隧）和移动设备（机车、车辆）以外，还需要铁路信号系统的支撑，共同构成铁路运输系统三个不可分割的技术基础。

铁路信号系统是为了保证运输安全而诞生和发展的，在铁路运输中的地位是基础设施、安全设备、指挥工具和服务条件；作用是保证行车安全、提高运输效率和改进服务质量；任务是行车指挥、进路控制、间隔调整、速度控制、编组与解体，系统的第一使命是保证行车安全[10]。铁路信号系统可以准确迅速地组织列车运行和保证调车作业安全，从而提高运输效率，改善行车工作人员的劳动条件。利用信号机的显示，能向列车或调车车列发出指示运行条件、线路状况、列车或车辆位置等信息。

1.2.1　铁路信号基础设备

信号是传递信息的符号，铁路信号设备是一个总称，主要包括信号（Signal）及相关设备、联锁（Interlocking）和闭塞（Blocking）。铁路信号是指向有关行车和调车作业人员发出的指示和命令；联锁设备用于保证站内行车和调车工作的安全和提高车站的通过能力；闭塞设备用于保证列车区间内运行的安全间隔，提高区间内的通过能力。

1.2.1.1　信号机

铁路信号机（Signal）是安装在铁路道旁的机械或电子设备，用以传送线路前方状态的相关信息给司机或调车员。司机或调车员通过理解信号代表的指令采取相应操作，一般来说，铁路信号会指示列车以安全速度行驶（含降速）或立即停止[11]。

我国铁路的色灯信号机目前主要采用的是XS型系列透镜式色灯信号机，有高柱型和矮型之分。不论是高柱型还是矮型，按照机构还可分为二灯式、三灯式、四灯式、五灯式等，这些不同类型的机构由信号设计部门根据需要选用或组合使用。但不同显示数目的信号机构，其显示的原理都是相同的，其结构也是相似的，只是灯室数目不同而已。信号机按用途分为进站、出站、通过、进路、预告、接近、遮断、驼峰、驼峰辅助、复示、调车信号机。出站与进路复示信号机及遮断信号机是单显示的信号机；预告信号机是二显示信号（绿灯或黄灯），预告进站、通过或防护信号机的禁止和进行信号显示；自动闭塞区段的通过信号机是三显示信号（红灯、绿灯或黄灯）；适宜于铁路提速和高速区段的通过信号机则是四显示信号（红灯、绿灯、黄灯或黄绿两灯）[11]。图1-1为典型的信号机设置。

（1）进站信号机（X、S）

进站信号机用于防护车站，指示列车可否进站以及进站时的运行条件，一般设在距车站最外方进站道岔尖轨尖端（逆向道岔）或警冲标（顺向道岔）不少于50m的地方。

（2）出站信号机（S1、SⅡ、S3、X1、XⅡ、X3）

出站信号机的作用是防护区间。作为列车占用区间的凭证，指示列车可否由车站开往区间；与敌对进路相联锁，信号开放后保证进路安全可靠；指示列车站内停车的位置，防止越过警冲标。每条发车线均应单独设置出站信号机以免误认信号造成行车事故。出站信号机应设在每一发车线路警冲标内方的适当地点。

（3）预告信号机（XY）

当非自动闭塞区段未安装机车信号时，在进站、通过、防护等信号机前方均应设置预告信号机；在采用色灯式进站信号机或进站信号机的显示距离不足或瞭望条件受限制的情况下，也必须设置预告信号机。它的作用是将主体信号机的显示状态提前告诉司机。预告信号机应设在距主体信号机不少于一个列车制动距离（目前我国为800m）的地点。

（4）通过信号机

通过信号机的作用是防护自动闭塞区段的闭塞分区或非自动闭塞区段的所间区间（线路所之间），其设置示意如图1-2所示，作用是指示列车可否开进它所防护的闭塞分区或所间区间。通过信号机通常设在所间区间或闭塞分区的分界处。

（5）调车信号机

调车信号机是用来指示调车机车进行作业的，只在电气集中联锁的车站上采用，通常设在调车作业繁忙的线路上（如到发线、咽喉道岔区），以及从非联锁区到联锁区的入口处。

调车信号机一般采用矮型色灯信号机，在到发线上也可以在出站信号机上添设一个允许调车的月白色灯，作为出站兼调车信号机。

（6）进路

在车站上为列车进站与出站所准备的通路，称为列车进路；为各种调车作业准备的通路称为调车进路。一般每一个列车、调车进路的始端都应设有一架信号机进行防护，以保证作业时的安全。信号机灯光显示的一方为信号机的前方，信号机的后方则为所防护的进路。

信号机既然是防护进路的，就要有一个明确的范围，也就是说进路应有明确的始端和终端。不然的话，就没有办法防护。进路通常用信号机、警冲标、车挡表示器、站界标或次一信号机来确定管辖范围[11]。如图1-3所示的进路包括以下设置。

①下行I道接车进路：X为防护信号机；进路范围从X到XI（含股道）。

②下行3道接车进路：X为防护信号机；进路范围从X到X3（含股道）。

③下行5道接车进路：X为防护信号机；进路范围从X到X5（含股道）

④下行I道发车进路：XI为防护信号机；进路范围从XI到站界。

⑤下行3道发车进路：X3为防护信号机；进路范围从X3到站界。

⑥下行5道发车进路：X5为防护信号机；进路范围从X5到站界。

⑦上行Ⅱ道接车进路：S为防护信号机；进路范围从S到SⅡ（含股道）。

⑧上行4道接车进路：S为防护信号机；进路范围从S到S4（含股道）。

⑨上行5道接车进路：S为防护信号机；进路范围从S到S5（含股道）。

⑩上行Ⅱ道发车进路：SⅡ为防护信号机；进路范围从SⅡ到站界。

上行4道发车进路：S4为防护信号机；进路范围从S4到站界。

上行5道发车进路：S5为防护信号机；进路范围从S5到站界。

1.2.1.2　继电器

继电器（Relay）是一种自动控制与远程控制系统必不可少的元件。这种元件的特性是当输入x达到一定值时，输出量y发生突变。如图1-4所示，当输入量x从0增大到x1时，输出量y从0突然增大到y1，此后如x再增大，输出量y保持不变；当输入量x从大于或等于x2减小到小于x1时，输出量y突然从y1减小到0，此后，如x再继续减小至零，y仍保持在y1大小。如上所述的二值特性，就称为继电特性。具有继电特性的元件，称为继电器。

由此可见，继电器是一种控制参数变化时能引起被控制参数突然变化的电器元件。它能以极小的电信号来控制执行电路中功率相当大的对象，并能控制数个回路，以此来完成由人工难以实现的具有复杂逻辑关系的控制过程。

由于继电器具有这样的基本功能，故成为自动控制与远程控制必不可少的器件，广泛应用于国民经济各个部门的生产过程和国防系统的自动化与远动化之中。在铁路系统中，铁路信号设备也大量地应用铁路信号专用的各种类型继电器（如信号安全型继电器）及其他类型继电器[12]。

1.2.1.3　道岔和转辙机

由一条线路分歧为两条线路，在分歧点上铺设的转辙线路叫做道岔（Turnout）。道岔用来使机车车辆从一股道转入另一股道。单开道岔采用最为广泛，占各类道岔总数95％以上。在站场中，当需要连接的股道较多时，可以在主线的两侧或同侧连续铺设两个普通单开道岔，如因地形长度限制不能在主线上连续铺设两个单开道岔时，可以设法把一个道岔纳入另一个道岔之内，这就组成了复式道岔。

转辙机（Switch）是道岔的转换装置，能转换道岔、锁闭道岔及反映道岔尖轨所处的位置，是实现车站信号等自动控制及远距离控制必不可少的设备。按转辙机的动力来分，我国目前主要有以电动机为动力的电动转辙机、以压缩空气为动力的电空转辙机及以高压液体（油压）为动力的电液转辙机三种。按转辙机的转换时间可将其分为快速（0.5～1.5s）、中速（3～6s）和低速（8～20s）三种。

上述各种动力的转辙机，只要选用适当功率的电动机或设计合适的机械结构，都可以获得不同的转换速度。电动转辙机转换时间的长短决定于电动机的功率及机械结构的减速比。同样功率的电动机，转换时间长一些可使转换力增大；而同样的转换力，转换时间长一些，可选用功率较小的电动机。

我国绝大多数电气集中设备的车站，以及无风源过滤设备的驼峰调车场都采用电动转辙机，因此，电动转辙机使用的数量最多。其次是电空转辙机，凡是有风源过滤设备的驼峰调车场，一般都采用电空转辙机。电液转辙机目前使用得还不多[13]。

1.2.1.4　轨道电路

轨道电路（Track Circuit）是一段以铁路线路的钢轨为导体构成的电路，用于自动连续检测这段线路是否被机车车辆占用，也用于控制信号或转辙装置，以保证行车安全。如图1-5所示，整个路网依适当距离分成许多闭塞区间，各闭塞区间以轨道绝缘接头隔开，形成独立轨道电路，各区间的起始点皆设有色灯信号机。

当有列车驶入闭塞区间时，电流改经列车车轴，不会流经继电器，接点接通红灯电路（信号机即显示禁行）。当轨道电路某段线路上空闲时，轨道电路上的继电器有足够的电流通过，吸起被磁化的衔铁，闭合前接点，从而接通色灯信号机的绿灯电路，显示绿色灯光，表示前方线路空闲，允许机车车辆占用。轨道电路的这种工作特性能够防止列车追尾和冲突事故，确保行车安全。

轨道电路的另一个重要作用是能发现钢轨发生断裂。一旦前方钢轨折断或出现阻碍，切断了轨道电流，就会使继电器因供电不足而释放衔铁接通红色信号电路。此时，线路虽然空闲，信号机仍然显示红灯，从而防止列车颠覆事故。

轨道电路有四种状态，即调整状态（无车占用）、分路状态（有车占用）、断轨故障状态和短路故障状态。

（1）调整状态：平时在轨道电路的两根钢轨完好、又无列车占用时，电源电流通过两根钢轨和接收设备——轨道继电器，使它有电磁力吸起衔铁，并且闭合其前接点，反映了轨道电路空闲——调整状态。

（2）分路状态：当有列车占用轨道区段时，电源电流被列车轮轴分路，使继电器由于得不到足够的电流而失磁，使衔铁落下，并且闭合其后接点，反映了轨道电路被占用——分路状态。

（3）断轨状态：当轨道电路发生断轨或断线等故障时，同样使接收电流减少而继电器失磁，使衔铁落下，反映出轨道电路故障——断轨状态。

（4）短路故障状态：当轨道电路区段无列车占用时，由于钢轨辅助设备的不正常接触，或外界短路线造成两根钢轨之间短路（此时的短路也是分流），使继电器由于得不到足够的电流而失磁落下衔铁，并且闭合其后接点，此为短路故障状态。

由上述轨道电路的四种工作状态可知，轨道电路可以检查钢轨线路上的列车运行情况及线路完整状态，并将这些信息连续地传递到自动控制系统中去，从而可以迅速和准确地指挥列车运行。

例如：区间自动闭塞与机车信号就是利用轨道电路传递前方列车运行状态的信息，自动地指挥后方续行列车，以最小的间隔运行，从而提高行车的密度和速度，并确保了行车安全性。在电气集中车站的到发线上装设轨道电路，可以检查出轨道上是否有车占用，防止向有车占用的股道上再接入列车。道岔区段轨道电路，可以防止列车轮对占用道岔时，发生道岔中途转换的危险。由此可见，轨道电路在铁路信号自动控制系统中具有极其重要的作用[11]。

1.2.1.5　应答器

应答器（Balise）从定义上来讲就是利用电磁感应理论在特定地点实现机车与地面间相互通信的数据传输装置，通常安装在两根钢轨中心枕木上。

应答器主要分为无源应答器和有源应答器，其中无源应答器不要求外加电源，平时处于休眠状态，仅靠瞬时接收车载BTM（Balise Transmission Module）天线的能量信号而工作，并能在接收到车载天线能量信号的同时向车载天线发送大量的编码信息。应答器的典型组成结构如图1-6所示。

当车载天线接近应答器时，应答器的耦合线圈感应到27MHz的磁场，能量接收电路将其转化为电能，从而建立起应答器工作所需要的电源，应答器开始工作，控制模块首先判断C接口来的数据是否有效，若无效或无数据，则使用报文存储器中的数据输出到数据收发模块，经功率放大后，由耦合线圈发送。只要在车载天线在应答器上方，控制模块就会不间断地发送报文。一旦控制模块作出报文选择（选择存储的数据还是C接口传来的数据），在本次上电工作周期内，无论C接口数据有效与否，应答器都不会改变发送的数据。C接口工作电源仅用于该接口电路，不给控制模块和数据收发供电，因此，有源应答器也只有在车载天线出现时才发送数据[14]。

1.2.2　区间闭塞

区间的界限，对于单线区段以进站信号机作为车站与区间的界限；对于复线或多线区段，分别以各线的进站信号机或站界标作为车站与区间的界限。由车站向区间发车时，必须确认区间无车；在单线线路上还必须防止两个车站同时向一个区间发车。为此，要求按照一定的方法组织列车在区间内运行，一般叫做行车闭塞法，或叫做区间闭塞（Section Block）。

所谓“闭塞”，是指当一列车出发占用区间后，就使该区间两端封闭起来，不允许再向这一区间发车，直到该列车驶离这一区间之后，才能向该区间发第二个列车，这样就可以防止追尾。实现闭塞的方法一般有下列四种。

1.2.2.1　人工闭塞（路牌、路签闭塞）

为了仅仅准许一列列车有权占用区间，必须发给一定形式的行车凭证。电报或电话闭塞的行车凭证是路票。路票是发车站值班员在和接车站值班员取得联系后签发的。列车司机得到路票后，即可向路票所指定的区间发车。因为这种方法是以人工保证的，所以也叫做人工闭塞方法，简称人工闭塞（Manual Blocking）。

在工作繁忙时容易因疏忽而造成错误签发路票，以至引起撞车事故，因而后来又采用了电气路签或电气路牌闭塞（Electronic Blocking）。此种闭塞方式的行车凭证是从闭塞机里取出的路签或路牌。在一个区间的两端车站上各安装一台闭塞机，并作为一组。在一组闭塞机里装有这个区间的行车凭证——路签或路牌。只有在区间开通的条件下，由两站的车站值班员协同操作，才能由一组闭塞机里取出一个路签或路牌。列车司机得到路签或路牌后，才有权占用该路签或路牌所属的区间。因此能保证区间只有一个列车运行。只有将已取出的路签或路牌再纳入该组的闭塞机里之后，才说明这个区间由闭塞状态又复原为开通状态，才有可能重新取出另一个路签或路牌，亦即才有可能向这个区间发出另一列车。这样就克服了电报或电话闭塞的缺点，行车安全得到了保证。

路牌和路签闭塞虽然在铁路运输中起了很重要的作用，但当行车密度加大时，这种闭塞方法就不适应了。因为取送路牌或路签的工作很繁重，还会限制列车通过车站速度，有时会发生路签或路牌破损、丢失等事故，在运量不平衡区段还要调整路签或路牌数，因而延长了车站间隔时间，而车站间隔时间延长就阻碍着线路通过能力的进一步提高，不能适应高速行车的要求。正是因为如此，半自动闭塞就逐步发展了起来。

1.2.2.2　半自动闭塞

为了取消像路签或路牌那样的实物凭证，半自动闭塞以出站信号机的进行信号作为列车占用区间的行车凭证。某一区间的两个车站，所属同一区间的出站信号机同时只准许一架开放，并且只有取得区间空闲证明时才能开放。

发车站必须在办好闭塞的基础上才能开放出发信号。出站信号机开放后，区间即成为闭塞状态。列车依据出站信号机的进行信号开出车站时，这架出站信号机就自动关闭，并和有关出站信号机一样被锁在关闭的位置上。只有取得证明该列车确实全部出清区间以后，才能解除对出站信号机的锁闭，这个区间才又复原为开通状态。可见，半自动闭塞能缩短会车时间，从而提高了区间的通过能力，改善了车站值班员和机车乘务人员的劳动条件。半自动闭塞只用到列车进出车站的检查设备（用较短的一段轨道电路），在区间没有检查设备。为了证实列车在区间没有遗留下车辆，列车到站要由车站值班员确认。亦即列车是否出清区间还要由人工保证。这种方法，既要人的操纵，又依靠列车的作用自动动作，所以叫做半自动闭塞（Semi-Automatic Blocking）。

由于半自动闭塞办理闭塞的手续（包括开放出站信号机）还是需要一定的时间，而且在这种制度下，一个区间仍只准有一列列车运行。这样，当铁路运量不断增大，要求进一步提高区间通过能力时，就显示出半自动闭塞本身的局限性。

1.2.2.3　自动闭塞

如果将区间划分若干个闭塞分区，每个闭塞分区都装以轨道电路，在分界点处设通过信号机，并使之与轨道电路相联系，依据列车占用和出清闭塞分区而自动地变换信号显示，这样就可以在一个区间内同时允许多列列车运行，从而使线路的通过能力得到进一步提高；并且，闭塞分区内是否留有车辆也由设备直接检查出来。这种方法，不再需要人为操纵，称之为自动闭塞（Automatic Blocking）。

自动闭塞运用在复线铁路上，提高线路通过能力的效果特别显著，因为复线铁路没有列车交会。在自动闭塞区段，一般在机车上还要装有机车自动信号，以反映地面固定信号机的显示。机车自动信号又往往附有自动停车装置，当列车司机没有按机车自动信号的显示采取措施时，自动停车装置就发挥其作用，迫使列车自动地停车。很明显，装上机车自动信号和自动停车装置后，就能进一步地发挥出自动闭塞的效果。

1.2.2.4　移动闭塞

移动闭塞（Movable Blocking）方式不需要将区间划分成固定的若干闭塞分区，而是在两个列车之间自动地调整运行间隔，使之经常保持一定距离的闭塞方法。这种闭塞方式是由列车自动调整间隔，使两列车之间的间隔最小，从而增大了区间内的行车密度，大大提高区段的通过能力，但其准确性也依赖于列车定位精度的响应速度[11]。

1.2.3　联锁

在车站内有许多条线路，线路之间用道岔连接着，根据道岔不同的位置来开通不同的线路。列车和调车车列是根据信号机的显示来运行的。如车站某一端向某一股道接车，不但要求有关道岔开通方向正确，而且车站另一端没有向同一股道办理接车，该端的进站信号机才能开放。否则，车站两端的列车同时进人某一股道就会发生正面冲突，造成严重的行车事故。

为了保证行车安全，通过技术方法使道岔（Turnout）、进路（Route）和信号机（Signal）三者之间按一定的程序、一定的条件建立起既联系而又制约的关系，这种关系称为联锁（Interlocking），如图1-7所示。为完成联锁关系而装设的信号设备称为联锁设备。

为了保证行车安全，各种联锁设备应满足下列主要技术条件：

①当进路有关道岔开通位置不对或敌对信号未关闭，该信号机不能开放。

②信号机开放后，该进路上有关道岔不能扳动，其敌对信号机不能开放。

③正线上的出站信号机未开放时，进站信号机不能开放，通过信号主体信号机未开放时，预告信号机不能开放。

目前，我国铁路上采用的联锁设备主要有电锁器联锁（Interlocking with ElectricLock）、电气集中联锁（Electronic Interlocking）和计算机（微机）联锁（Microcomputer-based Interlocking）三种类型。

1.2.3.1　联锁类型

（1）电锁器联锁

电锁器联锁利用电锁器实现联锁关系。电锁器联锁设备因其采用信号机类型不同，可分为臂板电锁器联锁（Interlockingby Electric Locks with Semaphore）、电动臂板电锁器联锁及色灯电锁器联锁（Interlockingby Electric Locks with ColorLight Signals）三种。

（2）电气集中联锁

应用电气方法由一个地方集中控制和监督道岔、进路和信号，并实现它们之间联锁关系的设备称为电气集中联锁。电气集中联锁可分为大站电气集中联锁和小站电气集中联锁等。

（3）计算机联锁

计算机联锁是用微型计算机和其他一些电子、继电器件组成具有“故障—安全”性能的实时控制系统。计算机联锁安全可靠、处理速度快，优势明显，也是目前铁路系统主流的联锁方式[11]。

1.2.3.2　联锁图表

依据车站信号设备平面布置图，编制记载信号、进路以及道岔之间联锁关系的文件是联锁表，由车站信号设备平面布置图和联锁表组成联锁图表。联锁图表是决定车站信号设备设计工作的基本文件。图1-8为典型的联锁图表（上为车站信号设置平面布置图，同图1-3一样，下为对应的联锁表）。

在图1-8下面的联锁表中，由左至右，通常分为以下七栏：

①方向：记载接发车方向和调车方向。

②进路：记载列车进路到达哪一股道，或从哪一股道发车（通过进路是由接车进路和发车进路组成），记载调车进路由哪些股道或哪些线往外调车，以及向哪些股道或哪些线调车。

③进路号码：将各条进路编以号码，以便填写敌对进路关系时比较方便。

④信号机：记载防护进路的信号机编号名称和相应的显示。

⑤道岔：记载与进路有关的道岔。在该栏中，仅填道岔号码时，表示该道岔为定位；填有带小括弧（）道岔号码时，表示该道岔为反位。

⑥敌对进路：记载敌对进路的编号。

⑦轨道区段：在设有轨道电路的车站，需要记载进路上轨道区段的编号。在未设轨道电路（为半自动闭塞所设的一段专用轨道电路除外）的车站，则可不列此栏。

1.2.4　铁路综合数字移动通信系统

铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）作为信号系统数据传输通道之一，是在公用蜂窝移动通信系统（GSM）基础上增加了调度通信功能和适合高速移动下使用的要素，能够满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求。在GSM-R网上实现铁路无线列调需增加一个车站台，而车站台既要具有调度业务又要具有站内通信、站间通信、区间通信等通信业务。

GSM-R是以移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC）为平台的移动通信网和以固定用户接入交换机（Fixedusers Access Switching，FAS）为平台的有线通信网的融合，从而形成现代化的调度通信、公务移动、列车信息传输一体化的通信系统[15]。GSM-R由三大部分组成，包括GSM-R陆地移动网络、FAS固定网络和终端系统（包括移动终端和固定终端）。其中陆地移动网络又由基站子系统（Base Station System，BSS）、网络交换子系统（Network Switching System，NSS）、操作维护子系统（Operation Support System，OSS）组成，如图1-9所示。

（1）基站子系统（BSS）

基站子系统（BSS）由一个基站控制器（BSC）和若干个基站收发信机（BTS）组成。BTS主要负责与一定覆盖区域内的移动台（MS）进行通信，并对空中接口进行管理。BSC负责管理BTS与MSC之间的信息流。

（2）网络交换子系统（NSS）

网络交换子系统（NSS）建立在移动业务交换中心（MSC）上，负责端到端的呼叫、用户数据管理、移动性管理、与固定网络的连接。它包括GMSC（网关MSC）、HLR（归属位置寄存器）、VLR（拜访位置寄存器）、GCR（组呼寄存器）、AuC（鉴权中心）、EIR（设备识别寄存器）等。

（3）操作和维护子系统（OSS）

操作和维护子系统（OSS）是相对独立的子系统，为GSM-R网络提供管理和维护功能。它主要提供移动用户管理、移动设备管理、网络操作和控制三类功能，由操作维护中心（OMC）来完成，其中OMC-R负责管理BSS，OMC-S负责管理NSS。