地铁信号系统是干嘛的？-再晋级篇(连续式ATP) - 知乎专栏
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上上次从一位普通乘客的角度讲了下信号系统的雏形，应大家提议，需要再局部展开下，上次我粗略介绍了下一种典型的非连续式ATP工作原理雏形。另外，这一系列文章旨在描述地铁信号系统的核心子系统ATP，并未覆盖信号系统的所有子系统，尤其是车载和ATS子系统。因为作为信号系统的安全核心部件，ATP应首先被介绍，当然如介绍过程中不得不涉及其他子系统时我会逐步说明。 如需要以后可另开辟文章专题介绍ATS和车载子系统。(注：不是所有信号系统都是完全符合我下述功能实现的，这里只介绍一般典型的或常见的一类设备，请勿对号入座。）\t《晋级篇》里我介绍了信号系统的非连续式控制级别，也叫点式，这是一种典型的ATP控制级别，并不适用于所有信号供应商。它是高于最低控制级别-联锁级而低于连续式的一种中间级别。前面我们比喻过，联锁级下相当于联锁保证道岔信号机区段等安全部件元素间协作安全，司机看信号机指示动车；非连续式ATP下也就是让列车自己自动读取前方信号灯指示，信号灯之间的列车基础行为安全由车载ATP保证。那连续式ATP（CTC-Continuous Train Control）呢。这里我不得不想从车地通讯方式说起。\t所谓车地通讯，这里的“车”指的当然是车载，具体就是车载ATP；“地”指的是地面，以前提到过，地铁信号系统不仅仅是列车两个车头的两个机柜，还包括轨旁，除了真正安装在轨道旁边的检测原件外，还有一个重要的房间，它位于联锁站的站厅后部，一般在大玻璃窗的车控室附近，这个房间叫信号设备室，里面有重要的信号核心设备，我提到过的有联锁相关控制机柜、ATS机柜，还有这里需要隆重介绍的两套设备，第一套叫轨旁ATP，它才是整个信号系统的核心，相当于白蚁家族的蚁后，第二套叫radio，也就是无线系统，这个很容易理解，你的手机用的网络或wifi，还有移动、联通和电信，对，就是和他们一模一样的的东西，即标准的通讯设备。再回去下，非连续ATP下车地通讯其实是单向的，即信号灯指示报文间断性通过应答器传递给车载ATP，所谓间断性是指有应答器的地方才能传递，应答器之间的区域是没有数据传输的，只能沿用上一个应答器报文数据。这种非连续ATP下的一个重要特点或缺陷是没有车对地的数据传输的，即只有地对车间断性通讯；没有车对地通讯。再回来，在连续ATP下，我们引入了无线通信设备，它安装于列车车头、轨道上和信号设备室，负责给车载ATP和轨旁ATP提供实时的双向通讯，这样，车地通讯就是双向的了，就能实现在轨旁ATP领导下的各个车载ATP的安全与协作了。\t提到无线系统，我粗略介绍下，对通讯行业熟悉的人可跳过本段。列车车头的控制柜里有个无线车载单元，它连接于列车车头上的天线，在轨道附近的隧道顶上每隔几百米会有和车载类似的可收发无线信号的天线，天线通过馈线连接于一个控制柜，叫AP（access point），AP通过光纤连接于车站信号设备室的交换机上，然后这些交换机再统一连接于整条线路只会有一套的无线总交换机和服务器，考虑到漫游和可用性，采用环形网络较为普遍。无线服务器通过数据总线负责为轨旁ATP和车载ATP提供实时双向的数据交换。
大家已经知道非连续式ATP下车载ATP结合信号机指示来抉择列车行为，车载ATP是每个车头一套，它仅仅能管本列车的行为，但是在一个联锁区内，可能同时运行着几十列车，它们之间互相的安全保证并高效协作可不是一套车载ATP能办到的，这时就引入了轨旁ATP，它是由一整套高运算工业计算机来实现，在考虑了各种冗余和安全的基础之上而设计，但各家又略有不同。我们说过蚂蚁家族的例子，既然轨旁ATP是蚁后，那车载ATP就是工蚁，蚁后是怎么来控制工蚁的，即它们之间是怎么交流的呢？当然首先是通过无线系统的平台了，无线系统作为通讯工具已经介绍了，那它们之间都在交流什么内容呢。
轨旁ATP要控制它辖区的所有车载ATP，必须先知道他们的状态，这个状态包括列车位置及关键部件状态，这个状态信息显然是车对地的，即车载ATP-&轨旁ATP。这个信息被称作“位置报告 position report”，轨旁ATP以毫秒级的频率实时接收它辖区所有列车的车载ATP发过来的位置报告，这样它就对所有列车的动向和状态一览无余，然后轨旁ATP会与联锁系统密切握手，依靠于联锁系统已经掌握的线路各元素之间的基本安全，在此之上运筹帷幄了。然后，轮到它发号施令了，即它需要下达命令来指挥每列车了，这个命令信息被称作“移动授权moving authority”，车载ATP收到这个移动授权就像拿到作战令牌一样，这个令牌里包含轨旁ATP对于车载ATP的所有下一步详细行动计划，移动授权也是以毫秒级的频率实时有地面下达到车上，这个令牌包含信息量很大，比如到站开哪边车门和屏蔽门、当前不可逾越的最大限速、是否马上紧急制动等。如果轨旁ATP发现危险需要某列车马上停车，它会在发给该车的移动授权中标注EB信息，列车收到这个移动授权后立即紧急制动，当然如果由于通讯系统问题，某个时间间隔内列车接收不到移动授权，车载ATP也会默认立即紧急制动，紧急制动后列车默认降级到联锁级，即当前的连续式控制级别无效了，需要重新投入升级为CTC。
其实，这就是连续式ATP控制系统的全部了。但里面有些枝节需要说明才能更明白些。别着急，我会试着站在外行的角度想象下你还需要了解哪些才能更容易清晰理解连续式ATP控制系统，放心吧，我会尽量逐一介绍的。
首先是控制级别，我们总结下，有基础联锁下的联锁级，有非连续式ATP的ITC级，也有连续式ATP的CTC级。这个控制级别从联锁级&ITC&CTC依次升高，每个级别都有门槛，需要满足一些条件才能晋级下一更高级，这些说的都是列车安全控制级别，请不要和驾驶模式混淆。驾驶模式典型的有RM&SM&ATO，是根据ATP和ATO的参与程度设置了不同的驾驶模式。这里说下ATO，即自动列车驾驶，这是个好东西，是司机真正喜欢的东西，它解放了司机双手（虽然双手还装模作样的放操作杆上面）。它能连接并调动列车上各个动作机构，如列车制动系统和加速系统，这个类似于汽车的自动倒车系统，其实最典型的就是它还能让列车平滑并精确地停站在站台上与屏蔽门位置对齐，这个功能的实现是以来与密布在站台区域轨道上的几个应答器来实现的，ATO系统厘米级的精确计算列车当前速度和位置，并与列车制动系统和加速系统联动，实现了精确停车。你坐地铁时，如果列车以无比丝滑的减速到屏蔽门与车门准确对齐，这肯定是ATO的功劳，如果是一抖一抖，坑坑洼洼，最后还给停过头了，还得退一点，这肯定是司机的功劳。
其次是列车的测速系统，既然是连续式实时控制，那列车是不是得报告它每时每刻的位置？对，测速系统满足这个要求。我们上节在介绍非连续式ATP时已经介绍过了，测速系统有雷达、测速电机和应答器联合实现。假定应答器被按厘米级精确安装在轨道上，两个应答器之间利用雷达测速和测速电机测距来联合提供实时位置，随着雷达和测速电机测量误差的增大，这样列车的位置就需要考虑这个误差，列车实际长度加上这个误差才是ATP认为的基础列车位置，还得考虑过其他不确定性，这些所有位置不确定性综合起来会得出一个综合列车位置，作为ATP计算安全的依据。列车继续前行直到下个应答器又把测速误差修正为零，依次周而复始。我不重复介绍了，大家可温习下上节。对于每列车的初始状态，列车需要定位，即经过第一个应答器，可获得位置信息，经过第二个应答器，可获得方向信息。总之，通过这套测速系统列车可这样把自己定位的实时精确位置提供给轨旁ATP。
然后想说下轨道数据库（TDB），上节非连续式ATP里也介绍过了。轨道数据库包含线路所有元素的位置信息，包括应答器、信号机、道岔、物理区段、站台信息、坡度、弯度等信息。它位于每列车上，供车载ATP需要时调用参考。连续式ATP下，轨旁ATP里也必须有轨道数据库，它被封装在轨旁ATP软件里，作为轨旁ATP运筹帷幄的基本依据。另外，它也存在于另一套为ATS系统服务的TTS系统和车载ATO里，其实我不想说这么多，算了提下也无妨。前面我们介绍的车地之间的核心通讯数据为，车到地的位置报告和地到车的移动授权，这两个数据为安全数据，是轨旁ATP的安全核心，至关重要，关乎着一切的安全前提。但我们知道在ATS系统上，如车站显示系统和中央控制中心OCC，有很多可提高效率的列车调整ATR和基础显示功能及与列车互动功能的应用，需要车载和ATS交换大量数据，这些都是锦上添花的功能，虽不会像位置报告和移动授权那样动不动就关系到车毁人亡的生死攸关级别，但也很必要，如时刻表自动调整下放到车、车次号调整、跳站功能以及全线所有列车及线路状态显示。基于这些非安全的需求，在轨旁专门设置了一个控制单元叫TTS（Train and Track data base Server），它专门配合ATS负责上述非安全需求。TTS里也有TDB。不多说了。最后，不得不提下闭塞概念。以下内容有些专业，我尽量通俗。对于闭塞(Block)，我们可以这样想，线路上同时有很多车，车与车之间需要相隔，属于每列车的每段区域就是一个闭塞，那只要管理好闭塞之间的安全距离就才是安全的，当然车与车之间越远越安全，但却降低了效率，这里要权衡安全和效率的问题。前面讲过联锁级，你可以把闭塞看成是进路，进路之间的安全由联锁的联锁表来保证的，因为这种控制级别下的车地通讯限制一个进路只允许被一列车独占，进路又是由若干个区段组成，区段是通过安装在轨道上的硬件人为的按数百米把线路分成的很多个区段(物理区段)。所以就决定了这种闭塞形式只能以固定进路为准，进路之间有保护区段，我们业内称\"固定闭塞\"。连续式ATP控制下，列车在线路的运行也是基于类似联锁的进路概念进行路径设置和管理的。如果连续ATP下也按这个物理区段组成的进路来调度列车那就太大材小用了，因为轨旁ATP能拿到所有列车在物理区段内的精确位置，有些一条数百米的物理区段我们需要高效的调度数列车进去，不像联锁级一条进路只能为一列车所独占，连续式ATP下轨旁ATP基于车地双向通讯可以精确获得每列车的精确位置，这样我们就需要再把物理区段细分成很多段，我们称逻辑区段。CTC下进路被精细到很多逻辑区段，一条进路可调度进多列车，ATP实时计算每列车的速度曲线来保障列车互相间的安全距离，更高效的调度更多车。这样，每列车的闭塞是随着列车移动而动态变化的，这种闭塞形式不受进路限制，也不固定，而是移动的，这种闭塞形式业内称作\"移动闭塞\"。这种连续ATP控制下的与联锁级别下同样安全，但要高效很多。以进路和逻辑区段为基础，再配合ATS的多种智能高效的进路排列策略，需要赞一个。\t好，总结下了。连续式ATP控制就是通过无线系统来承载车载ATP和轨旁ATP之间的位置报告和移动授权的连续通讯来实现对于多列车的安全高效的\"移动闭塞\"式控制。即在轨旁ATP蚁后的控制下的辖区内多个车载ATP工蚁之间安全高效协作，辖区可以与联锁区对等，一条线路大概2-3个辖区，有些长线路4-5个辖区。所有进入辖区的工蚁都归该辖区蚁后管理，每个工蚁也必须通过位置报告汇报给蚁后它的实时位置和状态，具体如何进行下一步完全依据蚁后发给它的令牌，即移动授权。这样，在蚁后领导下的工蚁们就可有条不紊的紧张忙碌的为四个现代化努力奋斗！","updated":"T06:51:09.000Z","canComment":false,"commentPermission":"anyone","commentCount":8,"collapsedCount":0,"likeCount":53,"state":"published","isLiked":false,"slug":"","isTitleImageFullScreen":false,"rating":"none","titleImage":"/v2-de75da496df48_r.png","links":{"comments":"/api/posts//comments"},"reviewers":[],"topics":[{"url":"/topic/","id":"","name":"地铁"},{"url":"/topic/","id":"","name":"广州地铁"}],"adminClosedComment":false,"titleImageSize":{"width":638,"height":393},"href":"/api/posts/","excerptTitle":"","column":{"slug":"c_","name":"地铁信号系统"},"tipjarState":"inactivated","annotationAction":[],"sourceUrl":"","pageCommentsCount":8,"hasPublishingDraft":false,"snapshotUrl":"","publishedTime":"T14:51:09+08:00","url":"/p/","lastestLikers":[{"bio":"工程师","isFollowing":false,"hash":"d4acb86e36bae","uid":410400,"isOrg":false,"slug":"zhang-yi-cong-2","isFollowed":false,"description":"","name":"张艺聪","profileUrl":"/people/zhang-yi-cong-2","avatar":{"id":"v2-55ad4a3b6bc0d9ba5200abb85a0040b6","template":"/{id}_{size}.jpg"},"isOrgWhiteList":false},{"bio":"一句话","isFollowing":false,"hash":"6c5a096b13b3e82a0153","uid":522500,"isOrg":false,"slug":"bie-lai-wu-yang-34-17","isFollowed":false,"description":"介绍","name":"别来无恙","profileUrl":"/people/bie-lai-wu-yang-34-17","avatar":{"id":"b9153a1bed0b","template":"/{id}_{size}.jpg"},"isOrgWhiteList":false},{"bio":"爱好广泛的小孩","isFollowing":false,"hash":"d5b07ccc921f0ce5a7ed607f1f8811cb","uid":12,"isOrg":false,"slug":"huang-xiao-ming-75","isFollowed":false,"description":"","name":"黄小明","profileUrl":"/people/huang-xiao-ming-75","avatar":{"id":"fcb1d745c48b52decca3353","template":"/{id}_{size}.jpg"},"isOrgWhiteList":false},{"bio":"拉偏架的吃瓜群众","isFollowing":false,"hash":"b89af72fdc94c91c890bec0e","uid":00,"isOrg":false,"slug":"zhou-dang-dang","isFollowed":false,"description":"为什么吃得越来越少却长得越来越胖
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《基础篇》里我介绍了信号系统的最低控制级别，联锁级的基本控制原理。即操作员人为排列进路，联锁系统根据进路表进行安全逻辑判断后执行道岔任务再按信号机指示是否许可，然后司机看着信号灯行车。这种方式肯定不是目前地铁运营的方式，只是信号系统的最低后备控制模式。其中提到了司机看着信号机指示行车。其实，对于坐地铁的乘客而言，他能看到的只有列车。所以他去理解地铁信号系统也不由自主的从列车的角度。那我们也从这个角度来展开吧。
地铁列车车头没有前后之分，两边各有一套司机室，列车朝哪个方向开车头就是哪个。当然信号系统很重要的一部分，车载单元（业内叫OBCU,OnBoard\nControlling Unit，或TBU，TrainBoard\nUnit），就坐落在司机座位和乘客之间的机柜里。既然需要司机看信号灯行车是一种安全运营模式，那能否让机器帮司机做这个事情呢。当然可以，司机看着信号灯来观察当时情景来判断下一步操作，这些代有机器来完成，这就是一种稍高级的模式，点式（这不是所有信号系统都有的一种半高级模式，西门子的系统称为ITC，Intermittent Train Controlling）。这种模式其实就是让机器代替司机看信号机灯位行车，要实现这个其实不难，但必须要在列车上以及信号机旁安装检测设备来实现。这一方面先打住，后面再一并展开。
其实，如果仅仅依靠列车前方的信号机指示来行车，虽然信号灯指示由负责进路安全的联锁来体现，但每条单位进路是由两架信号机作为基础的，所有以进路作为单位来运营效率是很低的。试想下，一条地铁全线20公里，得装多少信号机啊，再说再高的密度最起码也得数百米一个吧。更重要的是一条单位进路内的列车该怎么走才能安全并高效呢，开多快，哪里开快些，哪里开慢些，哪里是上坡得加速，哪里有转弯需要限速防止脱轨，列车出现危及安全的险情需要立即停车等等。我们能想象到，对于上述这些要求，联锁系统是无能为力了，联锁一系列操作和判断后指示完信号机红绿灯后，等列车进入到一个单位进路里面后，就“推卸责任”了。那谁来接手这个重大责任呢。答案是列车自动防护系统（业内称ATP，Automatic Train Protection）。ATP来决定列车该怎么走等一系列问题，他和联锁是好基友，一起来保障列车的安全。
ATP和列车密切相关，因为我们知道在一条单位进路外能不能进来是联锁说了算，但单位进路内列车怎么走是ATP说了算。ATP来决定车怎么走，他就必须得获得起码的必要信息，如列车当前位置和速度，这个完全可以理解。那ATP是通过哪些检测设备来获得所需信息的呢。让我们逐个介绍。
首先这里我不得不给大家展开一点，介绍个设备，它叫应答器（业内叫balise，最早发源于欧洲，所以也叫欧式应答器）。这是个高科技玩意，它是一块2cm厚A3纸大小的黄色模块，不怕风吹雨淋，因为它是密封的。被浇筑在中心的是一块烟盒大小的电路板，很灵敏，能接受电磁波信号。把它安装在轨道中间某个位置，提前用特殊的编程器用电磁波信号为其编程，烧入位置ID信息。另外列车头底部也安装一套与之匹配的应答器天线，它负责加载电磁波并检测反馈信号。轨道上的应答器一般处于没电沉睡中，列车通过时加一电磁波信号，为其充电，其开始工作并迅速把器位置ID信息反馈电磁波给列车，整个过程在几十毫秒时间内完成，然后继续沉睡。高科技吧，据说造价还不高。如果在进路里面装上一些应答器，列车上也安装有与其配套的应答器天线，列车在经过应答器时就能收到位置ID信号，这样列车的准确位置信息就有了，而且还很精确，因为应答器可以被很精确的安装（最高精度+/-2cm）。另外还有一种由此延伸的应答器，叫可变应答器，大体相同，区别是尾部有根线。干嘛有线呢。这就要回到刚才提到的让机器帮司机看信号机灯位的问题。
既然要看信号机灯位，就必须要有一套设备来检测信号机灯位，叫轨旁电子单元（LEU，Lineside Electronic Unit）,原理很简单（主要是串联进信号机的电灯电路里，用电流互感原理来检测电流来判断信号灯是否点亮），它与可变应答器尾部那根线连接。即LEU读取信号机灯位状态，发给可变应答器，列车通过可变应答器时再发给列车的ATP。这样，我们就已经解决了ATP帮司机看信号机灯位的问题。
截止现在，ATP已经拿到了列车的位置ID信息和信号机灯位信息（此处不宜展开太多，如实际ATP有轨道数据库，即TDB，其中存有全线所有应答器、信号机、道岔位置以及线路坡度、弯道等线路信息）。但这还不够，ATP需要速度和距离信息。
首先是测速电机（业内叫OPG），它安装在列车轮子上，每转一圈会脉冲计数一次，一个脉冲就是一个车轮周长，相乘脉冲数就是走了多远，貌似简单实用，但有缺陷，假如刹车时轮子打滑，。。。。那怎么办。然后又引入一个高科技玩意，即雷达，安装于车头，其原理简单，多普勒测速原理。这玩意是通过发送信号和遇障碍后反射回信号的频率差来计算速度和距离的，原理高大上，但也有缺陷。如果下雨时流动的雨滴会误导它，所以雨天效果不好。但如果测速电机和雷达结合起来，perfect！完美。就这样吧。
好，总结一下。ATP收集到信号灯灯位信息（业内及系统内部叫移动授权，moving\nauthority），宏观方向上得以把握。进入单位进路内，通过测速电机、雷达和应答器得以列车准确速度位置信息，然后呢。这些信息会归结于ATP的安全计算机内，结合内建的轨道数据库信息，计算后给出列车安全保障和高效运行建议。
到此，我已经从列车的角度讲述了一种典型的非连续式ATP的基本原理和架构。很明显，这比上篇提到的联锁级更有安全保障，也体现了引入ATP的目的，即对于列车安全的防护，这是整个信号系统的关键部件，也是各家信号供应商的技术核心。但上述通篇讲到的只是基础ATP的一种形式，也算是典型的一种，这种形式的ATP只发挥了小小的能量。其实，涉及到整个区域的所有列车之间的安全防护和运筹帷幄才是ATP的用武之地，这就是连续式或准连续式ATP的内容了。我们下次再展开。","state":"published","sourceUrl":"","pageCommentsCount":0,"canComment":false,"snapshotUrl":"","slug":,"publishedTime":"T16:04:13+08:00","url":"/p/","title":"地铁信号系统是干嘛的？ - 晋级篇(非连续式ATP)","summary":"上次从一位普通乘客的角度讲了下信号系统的雏形，应大家提议，需要再局部展开下，我试下。为什么说试下呢，因为我不想让该讲述沦为学术copy，我仍旧坚持我的两个原则，一是用我自己的语言，二是站在外行的角度。要做到这两个原则并非易事，当然如果从学术文…","reviewingCommentsCount":0,"meta":{"previous":null,"next":null},"commentPermission":"anyone","commentsCount":12,"likesCount":63},"next":null},"annotationDetail":null,"commentsCount":8,"likesCount":53,"FULLINFO":true}},"User":{"joeleez-hu":{"isFollowed":false,"name":"zeeleoj","headline":"","avatarUrl":"/da8e974dc_s.jpg","isFollowing":false,"type":"people","slug":"joeleez-hu","bio":"钢琴陪练爸爸","hash":"d1ef03cca0a4","uid":28,"isOrg":false,"description":"","profileUrl":"/people/joeleez-hu","avatar":{"id":"da8e974dc","template":"/{id}_{size}.jpg"},"isOrgWhiteList":false,"badge":{"identity":null,"bestAnswerer":null}}},"Comment":{},"favlists":{}},"me":{},"global":{"experimentFeatures":{"ge3":"ge3_9","ge2":"ge2_1","nwebStickySidebar":"sticky","nwebAnswerRecommendLive":"newVersion","newMore":"new","sendZaMonitor":"true","liveReviewBuyBar":"live_review_buy_bar_2","liveStore":"ls_a2_b2_c1_f2","homeUi2":"default","answerRelatedReadings":"qa_recommend_by_algo_related_with_article","qrcodeLogin":"qrcode","newBuyBar":"liveoldbuy","newMobileColumnAppheader":"new_header","zcmLighting":"zcm","favAct":"default","appStoreRateDialog":"close","mobileQaPageProxyHeifetz":"m_qa_page_nweb","iOSNewestVersion":"4.2.0","default":"None","wechatShareModal":"wechat_share_modal_show","qaStickySidebar":"sticky_sidebar","androidProfilePanel":"panel_b"}},"columns":{"next":{},"c_":{"following":false,"canManage":false,"href":"/api/columns/c_","name":"地铁信号系统","creator":{"slug":"joeleez-hu"},"url":"/c_","slug":"c_","avatar":{"id":"v2-66d97fedfdccc","template":"/{id}_{size}.jpg"}}},"columnPosts":{},"columnSettings":{"colomnAuthor":[],"uploadAvatarDetails":"","contributeRequests":[],"contributeRequestsTotalCount":0,"inviteAuthor":""},"postComments":{},"postReviewComments":{"comments":[],"newComments":[],"hasMore":true},"favlistsByUser":{},"favlistRelations":{},"promotions":{},"switches":{"couldAddVideo":false},"draft":{"titleImage":"","titleImageSize":{},"isTitleImageFullScreen":false,"canTitleImageFullScreen":false,"title":"","titleImageUploading":false,"error":"","content":"","draftLoading":false,"globalLoading":false,"pendingVideo":{"resource":null,"error":null}},"drafts":{"draftsList":[],"next":{}},"config":{"userNotBindPhoneTipString":{}},"recommendPosts":{"articleRecommendations":[],"columnRecommendations":[]},"env":{"edition":{},"isAppView":false,"appViewConfig":{"content_padding_top":128,"content_padding_bottom":56,"content_padding_left":16,"content_padding_right":16,"title_font_size":22,"body_font_size":16,"is_dark_theme":false,"can_auto_load_image":true,"app_info":"OS=iOS"},"isApp":false},"sys":{},"message":{"newCount":0},"pushNotification":{"newCount":0}}