中國鐵路信號顯示技術(shù)的回顧與展望

程 梁

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

鐵路信號是對行車或調(diào)車人員發(fā)出指示運(yùn)行條件的命令[1]1，包括以信號機(jī)、信號旗、信號標(biāo)志等為代表的視覺信號和以鳴笛、響墩等為代表的聽覺信號。在視覺信號中，信號機(jī)是主要的地面信號顯示手段，早期曾采用臂板機(jī)構(gòu)，以臂板的形狀、位置表達(dá)信號含義；為在夜間也能具備良好的信號顯示條件，逐漸以色燈機(jī)構(gòu)取代臂板機(jī)構(gòu)。色燈機(jī)構(gòu)又分為探照式和透鏡式兩種，探照式因制造工藝問題停用，從而鐵路信號廣泛采用透鏡式色燈信號機(jī)。對信號的表現(xiàn)形式、顯示含義、使用方法等作出規(guī)范及約束，稱之為信號顯示制式。

建國以來，我國鐵路信號顯示制式經(jīng)歷深刻變化。1952年原鐵道部統(tǒng)一全國鐵路顯示制式，摒棄原民國時(shí)期的選路制，采用速差制。之后幾十年內(nèi)，速差制的概念在不斷深化，逐漸向著較為完整的速差制方向發(fā)展。第六次大提速以后，高速鐵路采用CTCS-2及CTCS-3級列控系統(tǒng)，又出現(xiàn)速度制的信號顯示制式，行車憑證亦由地面信號轉(zhuǎn)為車載信號。

概括而言，在不同的發(fā)展時(shí)期，有著不同的列車速度、行車間隔等運(yùn)營需求，以及適應(yīng)這種運(yùn)營需求的信號顯示制式及顯示方式。即使在同一時(shí)期，因?yàn)檫\(yùn)營需求的差異性，不同信號顯示制式及顯示方式也通常是并存的。鐵路信號顯示技術(shù)正是圍繞著如何有效解決在每一時(shí)期最嚴(yán)苛運(yùn)營需求問題的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，如何選用合適的信號顯示技術(shù)以適應(yīng)復(fù)雜和多元化的運(yùn)營需求,是擺在所有研究者面前的重要問題。有鑒于此，回顧了信號顯示技術(shù)從地面向車載的發(fā)展歷程，討論了不同顯示方式存在的問題，思忖了今后信號顯示技術(shù)的發(fā)展方向。

1 地面信號顯示技術(shù)研究

1.1 色燈信號機(jī)概述

色燈信號機(jī)是以燈光的顏色、數(shù)目及亮燈狀態(tài)表達(dá)信號含義[2]。色燈顏色的選擇，需達(dá)到顯示明確、足夠的辨識度及較遠(yuǎn)的顯示距離要求。因紅色的辨識度最高，能使司機(jī)在很遠(yuǎn)的地方看見光點(diǎn)即知曉為紅色，從而把紅色作為禁止信號；黃色的辨識度次之，作注意(緩行)信號；綠色又次之，作進(jìn)行信號[3]；同時(shí)，沿用前蘇聯(lián)的做法[4]，將月白色、藍(lán)色分別作為調(diào)車允許及禁止信號。

為使信號指令能被司機(jī)有效獲知，信號機(jī)需要有足夠的顯示距離。從作業(yè)速度、運(yùn)營場景要求等，對各類信號機(jī)的顯示距離做出不同的要求。在機(jī)構(gòu)上，色燈信號機(jī)分為高柱型和矮柱型，優(yōu)先采用高柱型機(jī)構(gòu)。信號機(jī)定位顯示遵循“優(yōu)先安全、兼顧效率”原則，對于行車安全有著重要作用的信號機(jī)，以顯示停止信號為定位。

1.2 信號機(jī)類型的演變

信號機(jī)按作業(yè)性質(zhì)特點(diǎn)分為列車與調(diào)車信號，基本的列車機(jī)構(gòu)包括進(jìn)、出站信號機(jī)。隨著車站規(guī)模的增大、咽喉區(qū)變長或樞紐內(nèi)轉(zhuǎn)場作業(yè)的需要，又在進(jìn)站信號機(jī)基礎(chǔ)上衍生接車進(jìn)路信號機(jī)，在出站信號機(jī)基礎(chǔ)上衍生發(fā)車進(jìn)路信號機(jī)。

在區(qū)間，采用空間間隔法，設(shè)置通過信號機(jī)以實(shí)現(xiàn)閉塞。當(dāng)區(qū)間存在分歧道岔時(shí)，初期，曾在道岔前、后分別設(shè)置進(jìn)、出站信號機(jī)予以防護(hù)，但列車并不在所間駐停，出站設(shè)置意義模糊。借鑒自線路交叉處為避免沖突所設(shè)置的防護(hù)信號機(jī)[5]概念，設(shè)置線路所通過信號機(jī)，采用了進(jìn)站信號機(jī)的機(jī)構(gòu)型式，同時(shí)兼有進(jìn)站和出站的意義。

為指示駝峰內(nèi)列車能否溜放，在駝峰推送部分設(shè)置駝峰信號機(jī)。初期，駝峰信號僅有按規(guī)定速度推送、減速推送和停車3種含義[6]122-124。隨著駝峰的機(jī)械化程度提高，原7021圖冊重新定義駝峰信號機(jī)為四燈八顯示的高柱信號機(jī)[7]，可指示以不同速度的推峰，并對推峰去向做出描述。

遮斷、引導(dǎo)、容許信號應(yīng)用于指定的場景。遮斷信號是為防護(hù)外在的不受控因素(如道口、易塌方處)而設(shè)置的。引導(dǎo)信號常與接車信號機(jī)配套使用，在信號機(jī)關(guān)閉時(shí)允許限速通過，用以替代手執(zhí)信號[8]。容許信號準(zhǔn)許列車限速越過區(qū)間通過信號機(jī)并準(zhǔn)備隨時(shí)停車。

按信號機(jī)發(fā)揮的作用，又可分為主體信號和從屬信號。從屬信號本身不能獨(dú)立存在，附屬于某種主體信號，包括預(yù)告、接近和復(fù)示信號機(jī)等。預(yù)告信號機(jī)適用于非自閉區(qū)段、主體信號從無至有的情況，最初稱之為遠(yuǎn)方信號機(jī)[9]，設(shè)置于主體信號機(jī)前方預(yù)告其顯示。隨著線路速度進(jìn)一步提高，在非自動(dòng)閉塞區(qū)段提速至160 km/h時(shí)設(shè)置接近信號機(jī)。

為彌補(bǔ)受地形、地物影響造成主體信號機(jī)達(dá)不到其自身規(guī)定的顯示距離，設(shè)置復(fù)示信號機(jī)以重復(fù)主體信號顯示，進(jìn)站、出站、進(jìn)路等都有其對應(yīng)的復(fù)示信號機(jī)構(gòu)。對于駝峰作業(yè)，因到達(dá)場線路較多，所處位置各有不同，而推送的調(diào)車車列并不利于瞭望信號，從而在到達(dá)場咽喉區(qū)適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置駝峰復(fù)示信號機(jī)。后來，考慮駝峰復(fù)示信號機(jī)外形與一般復(fù)示信號機(jī)不同，且對于縱列式編組站，該信號機(jī)除復(fù)示駝峰信號機(jī)的顯示，還可用于阻擋列車，故將其更名為駝峰輔助信號機(jī)[10]。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)駝峰及其輔助信號機(jī)顯示距離不足時(shí)，又對應(yīng)設(shè)置其復(fù)示機(jī)構(gòu)。

進(jìn)路表示器是另一常見的從屬信號，用于區(qū)別進(jìn)路開通方向，也不能獨(dú)立構(gòu)成信號顯示。

1.3 顯示含義的演變與速差制的形成

信號顯示的主要作用在于通過信號機(jī)給予指示，以期達(dá)到列車速度適應(yīng)于線路、與前方障礙物保持安全距離或滿足運(yùn)營間隔[11]。信號顯示體系重在預(yù)告，具體有兩種方式，其一是相鄰機(jī)構(gòu)間燈位的預(yù)告，如前一機(jī)構(gòu)的黃燈之于后一機(jī)構(gòu)的紅燈；其二是同一機(jī)構(gòu)燈位間的預(yù)告，如引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，司機(jī)在較遠(yuǎn)處首先看見紅燈，做好停車準(zhǔn)備，在接近時(shí)再看見白燈后低速通過。采用速差制后，對于每一種燈位，在預(yù)告的基礎(chǔ)上又賦予了速度含義。

對行車速度、運(yùn)行間隔的要求促成進(jìn)路制向速差制改革。最初，當(dāng)線路運(yùn)行速度低時(shí)，車速與道岔側(cè)向限制速度之間的矛盾并不明顯；線路速度提高后，車速與道岔側(cè)向限制速度之間矛盾成為主要矛盾。因進(jìn)站信號機(jī)是用于防護(hù)車站的，必須對進(jìn)站的入口速度加以限制，從而設(shè)置雙黃，以與黃區(qū)分進(jìn)入正線還是到發(fā)線[6]7，后又更正黃為經(jīng)道岔直向位置，雙黃為經(jīng)道岔側(cè)向位置[12]。黃與雙黃的區(qū)別，是速差制形成的首要標(biāo)志。

在區(qū)間，對運(yùn)輸能力的要求促進(jìn)了閉塞制式的變化，從半自動(dòng)閉塞至自動(dòng)閉塞，很長一段時(shí)間內(nèi)，三顯示閉塞制式為自動(dòng)閉塞的主流制式。三顯示的黃為注意信號，司機(jī)可越過黃燈就減速，也可越過黃燈一定時(shí)間后減速，減速時(shí)機(jī)由司機(jī)確定。列車提速后為滿足客貨混運(yùn)需求，以四顯示閉塞制式取代三顯示閉塞制式。四顯示的黃為限速信號，要求列車越過黃燈時(shí)必須減至規(guī)定速度。故三顯示自動(dòng)閉塞的燈位顯示沒有速度含義，唯有四顯示自動(dòng)閉塞才是速差制自動(dòng)閉塞。四顯示自閉的廣泛應(yīng)用，是速差制形成的次要標(biāo)志。

在四顯示線路上，區(qū)間通過信號機(jī)以“信號機(jī)群”的方式，前一架通過信號機(jī)作為后一架通過信號機(jī)的預(yù)告，指示出口速度。出站信號機(jī)亦作為區(qū)間第一架通過信號機(jī)的預(yù)告指示出口速度。通過信號機(jī)的不同燈位顯示體現(xiàn)了閉塞分區(qū)的空閑程度，并隱含了直向進(jìn)路的含義，而采用與通過信號機(jī)相同機(jī)構(gòu)的出站信號機(jī)，針對自身所防護(hù)的發(fā)車進(jìn)路，并不能區(qū)分直向或側(cè)向進(jìn)路，即出站信號機(jī)不能指示入口速度。為解決此問題，依靠出站前一架信號機(jī)的出口速度予以限制，從而進(jìn)站信號機(jī)也需指示出口速度，以進(jìn)站信號機(jī)的出口速度防護(hù)出站信號機(jī)的入口速度。即采用進(jìn)站信號機(jī)(后擴(kuò)展為接車信號機(jī))同時(shí)指示入口速度與出口速度，采用出站信號機(jī)(后擴(kuò)展為發(fā)車信號機(jī))指示出口速度，這是速差制形成的又一標(biāo)志。

改革后，大多數(shù)信號顯示有其對應(yīng)的速度含義，相鄰信號機(jī)間距滿足按不同級差限制速度間的制動(dòng)距離設(shè)置。囿于站場條件限制，當(dāng)速度級差下的制動(dòng)距離超過相鄰信號機(jī)間距而又無法移設(shè)主體信號時(shí)，只能采取降級或重復(fù)顯示等方式，按特殊顯示聯(lián)系處理。

與此同時(shí)，信號機(jī)構(gòu)也做出革新，如在預(yù)告信號機(jī)基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的接近信號機(jī)。

1.4 機(jī)構(gòu)的兼用分析

為提高機(jī)構(gòu)使用效率，不同用途的信號機(jī)構(gòu)可在一定程度上兼用，需結(jié)合機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、顯示距離及顯示含義等綜合考慮。

(1)設(shè)于站內(nèi)的列車信號機(jī)可通過附加燈位兼作調(diào)車使用，但進(jìn)站信號機(jī)不能兼作調(diào)車，否則會(huì)造成站外調(diào)車。

(2)調(diào)車因其應(yīng)用等級較低，一般不能兼作列車信號，在專用線入口或股道盡頭，因車速相對較高、藍(lán)燈的顯示距離有限，為便于司機(jī)瞭望，提高辨識度可采用紅燈替代[13]。例外地，駝峰輔助信號機(jī)作為一種特殊的調(diào)車機(jī)構(gòu)設(shè)于到達(dá)場終端，可與帶發(fā)車性質(zhì)信號機(jī)復(fù)用，構(gòu)成駝峰輔助兼出站信號機(jī)或駝峰輔助兼發(fā)車進(jìn)路信號機(jī)。

(3)站內(nèi)信號機(jī)構(gòu)間可復(fù)用的情況較多，其中以出站兼發(fā)車進(jìn)路信號機(jī)、接車進(jìn)路兼發(fā)車進(jìn)路信號機(jī)應(yīng)用最為廣泛。

接車進(jìn)路兼出站信號機(jī)應(yīng)基于接車信號機(jī)構(gòu)建，但若完全采用接車進(jìn)路機(jī)構(gòu)，不能明確表達(dá)列車是否出站的意圖；過去，曾嘗試增設(shè)綠燈，通過雙綠機(jī)構(gòu)指示出站方向[14]，但這種機(jī)構(gòu)規(guī)定出站方向?yàn)榉亲詣?dòng)閉塞方向，且雙綠為進(jìn)路制產(chǎn)物，與現(xiàn)行信號基本顯示體系不符，現(xiàn)行規(guī)范已廢止。

進(jìn)站不能兼作接車進(jìn)路信號機(jī)，否則，兼作接車進(jìn)路信號機(jī)則表明該信號機(jī)的前一架信號機(jī)為進(jìn)站信號機(jī)，而進(jìn)站后未經(jīng)出站又一次進(jìn)站是不允許的。

(4)樞紐內(nèi)因站型上的約束，有時(shí)需要區(qū)分進(jìn)站和往第三區(qū)間方向，工程實(shí)踐中有采用帶表示器的進(jìn)站兼線路所通過信號機(jī)?？紤]同一機(jī)構(gòu)的不同燈光原則上應(yīng)有相同顯示距離，表示器的顯示距離不及主體信號，該機(jī)構(gòu)能否進(jìn)一步推廣需慎重。

(5)出站可配置引導(dǎo)信號?，F(xiàn)行規(guī)范對非自閉線路的出站做出調(diào)整，已具備引導(dǎo)著燈條件；自閉線路的出站則需改造傳統(tǒng)的矮型機(jī)構(gòu)。

(6)遮斷信號獨(dú)立于傳統(tǒng)信號體系。在站內(nèi)，進(jìn)站、出站或進(jìn)路信號機(jī)均可兼作遮斷信號機(jī)[15]53；在區(qū)間，通過信號機(jī)因其紅燈為容許信號，原則上不應(yīng)與紅燈為絕對信號的機(jī)構(gòu)兼用，能否兼作遮斷信號機(jī)存在一定爭議。

1.5 燈光配列原則與機(jī)構(gòu)的變化

為便于司機(jī)辨認(rèn)、避免顯示混亂并有利于機(jī)構(gòu)兼用，信號機(jī)應(yīng)有穩(wěn)定、一致的機(jī)構(gòu)外形。對于透鏡式色燈機(jī)構(gòu)而言，高柱有二燈位、三燈位、引導(dǎo)機(jī)構(gòu)等，矮柱有二燈位、三燈位、五燈位、七燈位等。對于不同的機(jī)構(gòu)類型，燈光配列方式是一致的，原則如下[16]。

(1)機(jī)構(gòu)型式的統(tǒng)一性。如根據(jù)實(shí)際情況需減少燈位時(shí)，可以以空位停用方式處理。

(2)顯示距離的一致性。如組成一種顯示的兩種燈光(引導(dǎo)除外)，應(yīng)有同樣的顯示距離。

(3)具備良好的辨識性，并避免被誤認(rèn)為鄰線信號。如組成一種顯示的兩種燈光，應(yīng)在一條直線上，并至少有一個(gè)燈位的間隔距離；對以兩個(gè)機(jī)構(gòu)組成的矮型信號機(jī)，將最大限制位設(shè)置在靠近線路側(cè)機(jī)構(gòu)上。

(4)與機(jī)構(gòu)類型的特點(diǎn)相匹配。如對于接車信號機(jī)，一般將黃燈配置于燈列的最上方；對于發(fā)車信號機(jī)，一般將綠燈配置于燈列的最上方。

信號機(jī)機(jī)構(gòu)的構(gòu)建原則如下。

(1)以信號機(jī)用途確定形成機(jī)構(gòu)所需的燈位顏色及數(shù)目，遵循燈光配列原則，構(gòu)建信號機(jī)機(jī)構(gòu)的基本型式，并在此基礎(chǔ)上衍生。常見的衍生方式如原列車機(jī)構(gòu)增設(shè)調(diào)車燈位、出站信號機(jī)構(gòu)設(shè)置雙綠燈位，或根據(jù)工程運(yùn)用實(shí)踐做出改造，如重載鐵路所衍生出的“紅、黃、白”或“紅、藍(lán)、白”機(jī)構(gòu)。

(2)按機(jī)構(gòu)兼用的特點(diǎn)構(gòu)建，如接車進(jìn)路與進(jìn)站信號機(jī)機(jī)構(gòu)一致，發(fā)車進(jìn)路與出站信號機(jī)機(jī)構(gòu)一致。

(3)按同類信號顯示一貫性原則構(gòu)建，如通過信號機(jī)與出站信號機(jī)燈光配列方式一致。

現(xiàn)行地面信號的主要機(jī)構(gòu)示意如表1[1]12-53所示。

表1 主要信號機(jī)構(gòu)燈光配列示意

注:限于篇幅，列3僅列出高柱圖例(No.22除外)。

過去曾在規(guī)范中提出并使用、后續(xù)因各種原因廢止的信號機(jī)構(gòu)，列舉如表2[6]122-124，[17-19]所示。

在工程實(shí)踐中，信號機(jī)構(gòu)外形也逐漸形成其專有特點(diǎn)，如復(fù)示信號機(jī)為區(qū)別于主體信號，配置黑色的方形背板；接車信號機(jī)采用雙機(jī)構(gòu)加引導(dǎo)構(gòu)成專門的信號機(jī)型式，用于區(qū)分始端速度。即信號機(jī)外形可從側(cè)面體現(xiàn)機(jī)構(gòu)類型。從這個(gè)角度而言，信號機(jī)外形構(gòu)成了信號顯示的另一組成部分。

1.6 局限性分析

目前的地面信號顯示制度屬于簡化速差制，兼顧運(yùn)行方向的區(qū)分[20]。隨著速度提高與樞紐建設(shè)，簡化速差制無法確切地指示全部運(yùn)行條件。過去曾努力研究現(xiàn)行地面信號顯示制式的改革，包括增設(shè)閃光信號、顯示數(shù)目、組合特征，以及在此基礎(chǔ)上的全速差制[21]，后未取得推廣應(yīng)用。另一方面，即使實(shí)現(xiàn)全速差制，其地面信號顯示技術(shù)仍存在一定的局限性：

表2 典型廢止機(jī)構(gòu)舉例示意

(1)信號顯示往往達(dá)不到規(guī)定的顯示距離。工程中受地形、地物、限界等影響由高型改設(shè)為矮型，變相地將顯示距離要求由規(guī)定的不少于1 000 m縮減至200 m；在主體信號機(jī)不符合規(guī)定顯示距離時(shí)，不是所有的機(jī)構(gòu)可設(shè)置復(fù)示機(jī)構(gòu)，如通過信號機(jī)需通過移設(shè)滿足顯示要求；有時(shí)，機(jī)構(gòu)即使設(shè)置復(fù)示也未起作用，如股道末端阻擋列車運(yùn)行的調(diào)車信號機(jī)。

(2)若僅依托地面信號，尚無有效的紅燈冒進(jìn)防護(hù)措施。

(3)人(司機(jī))是信號顯示的接收者。當(dāng)運(yùn)輸要求提高后，更高速度影響人的辨識力和判斷力，更高密度的追蹤需求造成閉塞分區(qū)及前、后列車間距縮短，增加人的操作負(fù)擔(dān)和心理壓力，最終影響信號顯示系統(tǒng)的執(zhí)行力。

工程實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的地面信號顯示系統(tǒng)一般適用于速度≤160 km/h、區(qū)間追蹤間隔≥6 min的固定閉塞線路。當(dāng)運(yùn)輸要求提高后，應(yīng)采取其他更為適宜的方式傳遞行車命令，發(fā)展車載信號顯示技術(shù)就顯得尤為必要。

2 車載信號顯示技術(shù)研究

2.1 車載設(shè)備發(fā)展概述

車載設(shè)備經(jīng)歷了機(jī)車信號、自動(dòng)停車裝置(ZTL)、列車超速防護(hù)裝置(ATP)等階段。我國自1957年開始研究機(jī)車信號，包括點(diǎn)式、連續(xù)式及接近連續(xù)式。因歷史原因，在不同線路內(nèi)存在不同制式的自動(dòng)閉塞，而機(jī)車信號需與對應(yīng)的自動(dòng)閉塞制式配套，相互之間不能兼容使用[22]，同時(shí)，車上未配置ZTL或雖配置ZTL未充分利用[23]，從而在很長一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)車信號發(fā)展緩慢。20世紀(jì)80年代，ZTL在全路獲得廣泛運(yùn)用，與機(jī)車信號結(jié)合，構(gòu)成初步意義上的列控系統(tǒng)。九十年代，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，又在ZTL的基礎(chǔ)上發(fā)展列車運(yùn)行監(jiān)控裝置(LKJ)。為解決交流計(jì)數(shù)、脈沖、移頻等軌道電路編碼制式的兼容性問題，原鐵道部對機(jī)車低頻信息進(jìn)行統(tǒng)一定義與分配，LKJ結(jié)合機(jī)車信號成為普速鐵路車載標(biāo)準(zhǔn)配置。2004年，原鐵道部發(fā)布CTCS技術(shù)規(guī)范總則，規(guī)定我國的列控系統(tǒng)分為CTCS0～4等級。其中CTCS-0級車載設(shè)備配置LKJ及機(jī)車信號，以地面信號為行車憑證，應(yīng)用于既有線；CTCS-2級及以上車載設(shè)備配置ATP，以車載信號為行車憑證，應(yīng)用于提速干線、城際或高速新線。

2.2 車載信號顯示內(nèi)容

車載信號顯示是從列車上發(fā)布信號顯示指令的方式。至于這種顯示“指令”對于行車指導(dǎo)的作用，需視車載設(shè)備配置及列控系統(tǒng)等級而定。當(dāng)列控應(yīng)用等級較低時(shí)，車載信號是一種輔助顯示方式，在氣候、地形等條件較差情形下，有助于改善司機(jī)瞭望條件；當(dāng)列控應(yīng)用等級較高時(shí)，車載信號是一種主體顯示方式。

列控系統(tǒng)基于距離計(jì)算車載模式曲線，當(dāng)判斷列車可能超速或冒進(jìn)時(shí)，控制列車停車。最初，車載采用分級速度模式曲線，由于其在制動(dòng)安全和運(yùn)輸效率上的缺陷，后更改為采用一次制動(dòng)模式曲線。該模式曲線的應(yīng)用，標(biāo)志著車載信號的顯示制式為速度制。

從顯示內(nèi)容上，車載信號顯示包括速度信息、線路信息、駕駛輔助信息等。速度信息是其核心顯示內(nèi)容，包括列車運(yùn)行當(dāng)前速度、報(bào)警速度和限制速度等；速度是距離的另類體現(xiàn)，反映了列車距移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)不同距離所不得突破的最高速率。線路信息包括線路坡度、橋梁、隧道、道口、分相等，駕駛輔助信息包括車載設(shè)備模式、監(jiān)控信息等。

從顯示形式上，車載信號包括機(jī)車信號顯示和車載ATP信號顯示兩種顯示方式。當(dāng)車載配置機(jī)車信號機(jī)或LKJ時(shí)，車載采取機(jī)車信號顯示方式，采用8個(gè)燈位或屏幕顯示器，可以給出11種燈光顯示，并以模式曲線的圖形方式給出速度顯示。當(dāng)車載配置ATP時(shí)，主要通過人機(jī)界面單元(DMI)給出指針式的速度顯示，同時(shí)給出包含15種燈光顯示的機(jī)車信號顯示。

2.3 車載與地面信號顯示的關(guān)系

列車行車憑證具有唯一性。在以地面信號為行車憑證線路，地車間為主輔關(guān)系，地為主，車為輔。過去，曾要求車載信號與地面信號顯示相符，后更改為顯示含義相符[24]。“顯示含義相符”使得車載信號顯示能夠彌補(bǔ)地面信號顯示內(nèi)容的不足，較地面信號能更明確的表達(dá)速度含義。如對于側(cè)線發(fā)車，地面信號顯示綠、綠黃或雙綠，而車載信號顯示為UU或UUS。另一方面，車載信號不能逾越地面信號的顯示內(nèi)容，但可在地面信號顯示的基礎(chǔ)上提供更為豐富的顯示內(nèi)涵。如對于“按規(guī)定速度運(yùn)行”的指示，地面信號顯示為綠燈，車載信號顯示為L燈，并通過速度等級SD信號區(qū)分L/L2/L3情形。

在以車載信號為行車憑證線路，車地間為主備關(guān)系，車為主，地為備。

在以車載信號為行車憑證線路與以地面信號為行車憑證線路銜接時(shí)，應(yīng)考慮銜接站的信號機(jī)設(shè)置、機(jī)構(gòu)選擇及信號顯示方式的兼容性[25]，信號顯示方式應(yīng)符合銜接站列車運(yùn)行行車憑證的要求[15]15。該情況下信號機(jī)設(shè)置及其顯示為綜合性課題，應(yīng)努力提高非動(dòng)車組列車或動(dòng)車組列車車載設(shè)備故障時(shí)的行車安全，盡可能優(yōu)化銜接站、聯(lián)絡(luò)線信號機(jī)布置以滿足運(yùn)營需求，并有利于改善銜接站信號改造工程條件[26]。

2.4 對地面信號機(jī)構(gòu)的影響

對于以車載信號為行車憑證線路，車載普遍采用一次制動(dòng)曲線后，地面信號的燈位限速含義就顯得不那么必要，從而僅保留少量的地面信號機(jī)，用以車載故障后的切換。正線車站列車信號機(jī)常態(tài)一般設(shè)計(jì)為滅燈狀態(tài)，當(dāng)因故人工點(diǎn)亮?xí)r，轉(zhuǎn)為站間閉塞方式行車，閉塞方式的簡化使得地面信號機(jī)構(gòu)予以進(jìn)一步簡化；為提高轉(zhuǎn)點(diǎn)燈后的作業(yè)效率，車站普遍具備發(fā)車引導(dǎo)進(jìn)路功能，出站信號機(jī)具備引導(dǎo)著燈條件；受限界、運(yùn)營場景等要求，部分機(jī)構(gòu)也做出了適應(yīng)性改造。對于常態(tài)滅燈線路，地面信號機(jī)構(gòu)受到的影響如表3[15]85-95所示。

2.5 局限性分析

不同等級的列控系統(tǒng)有其不同的信息傳輸方式、組成及特點(diǎn)。在不同傳輸方式下，列控系統(tǒng)獲得基礎(chǔ)信息的粒度不同，其控車策略存在區(qū)別，車載信號顯示內(nèi)容也不盡相同。一般而言，列控系統(tǒng)的等級越高，如CTCS-3級系統(tǒng)，對列車的控制越精細(xì)，車載信號顯示技術(shù)越完善；反之，對列車的控制越粗放，如CTCS-0、2級系統(tǒng)，車載信號顯示技術(shù)相對不足或存在缺陷。

CTCS-0級系統(tǒng)因系統(tǒng)自身的安全性不足，造成其車載信號顯示制式的協(xié)助地位。

CTCS-2級系統(tǒng)根據(jù)軌道電路低頻編碼信息傳遞移動(dòng)授權(quán)，基于碼序生成控車曲線。統(tǒng)一的軌道電路編碼信息包括H～L5等若干低頻信息編碼，每一種低頻碼有其規(guī)定的允許速度，一組低頻信息的編碼序列稱之為碼序。碼序是從車載層面表達(dá)信號顯示含義的方式，在實(shí)踐運(yùn)用中存在如下局限性。

表3 常態(tài)滅燈線路對地面信號機(jī)構(gòu)的影響

(1)碼序間邏輯關(guān)系并不唯一，LU碼前方可為U、U2或U2S碼，U碼前方可為HU或HB碼，UU或UUS碼前方可為任意編碼，這種不唯一性造成車載信號顯示的“盲點(diǎn)”，導(dǎo)致控車曲線按最不利策略計(jì)算，影響效率。

(2)對于同一類限制因素采取不同措施，不利于碼序作為一個(gè)體系的建設(shè)、維護(hù)。如對于道岔側(cè)向限速，對于9、12號道岔，設(shè)置UU碼；對于18號道岔，設(shè)置UUS碼；而對于18號以上道岔，則通過應(yīng)答器組點(diǎn)式傳遞。

(3)碼序的控制精度不足。如當(dāng)進(jìn)路內(nèi)、接近或離去區(qū)段存在局部臨時(shí)限速，可能導(dǎo)致碼序降級，變相地造成全進(jìn)路限速，影響效率。

概括地說，碼序是地面信號顯示速差制的延續(xù)，當(dāng)?shù)孛嫘盘枡C(jī)間因距離原因降級或重復(fù)顯示時(shí)，碼序相應(yīng)地降級或重復(fù)顯示，即碼序隱含對距離的要求。CTCS-2級系統(tǒng)通過L4～HU碼序形成一次制動(dòng)曲線，采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式，本質(zhì)上是一種七顯示自動(dòng)閉塞。地面固定閉塞分區(qū)的劃分不合理時(shí)，即使采用CTCS-2級車載信號控車，運(yùn)輸能力和追蹤效率亦受到影響。融合了速度制(一次制動(dòng)曲線)與速差制(碼序)因素的CTCS-2級系統(tǒng)，雖以車載信號為行車憑證，不能擺脫地面顯示在信號機(jī)布置上的桎梏。

3 信號顯示技術(shù)的發(fā)展分析

信號顯示技術(shù)經(jīng)歷了地面和車載信號顯示兩個(gè)發(fā)展階段。列車速度的提高，引起地面信號顯示制式由進(jìn)路制向速差制轉(zhuǎn)化，并隨著工程實(shí)踐，速度含義在逐步深化、完善；對行車間隔的追求，引起閉塞制式由半自動(dòng)向自動(dòng)站間閉塞、自動(dòng)閉塞過渡，要求機(jī)構(gòu)提供充足顯示數(shù)目給予分級速度限制。列車機(jī)構(gòu)可籠統(tǒng)分為接車(或類接車)機(jī)構(gòu)和發(fā)車(或類發(fā)車)機(jī)構(gòu)，前者包括進(jìn)站、接車進(jìn)路、線路所通過、遮斷等，用以表述安全，后者包括出站、發(fā)車進(jìn)路、區(qū)間一般通過等，用以表述效率。通過兩類機(jī)構(gòu)的搭配使用，使得列車在運(yùn)行安全和效率間達(dá)到平衡。

對列車追蹤效率的要求越高，地面信號顯示系統(tǒng)配置越復(fù)雜，最終達(dá)到地面顯示方式的應(yīng)用天花板。為實(shí)現(xiàn)更高速度、更小間隔，要求列車以車載信號為行車憑證，采用車載信號顯示方式。分級速度模式曲線向一次制動(dòng)模式曲線的過渡，是車載形式上速差制向速度制的轉(zhuǎn)變。為適應(yīng)愈加復(fù)雜的運(yùn)營要求，需要采取更高等級的列控系統(tǒng)控制列車運(yùn)行，也要求更為細(xì)致的車載顯示內(nèi)容及顯示精度。

地面信號與車載信號顯示技術(shù)的整體發(fā)展脈絡(luò)如圖1[27-28]所示。

圖1 信號顯示技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)

從更高的角度來看，信號顯示的核心是如何使用各種方法在軌道上對列車通行權(quán)進(jìn)行合理有效的分配和指示，解決列車追尾、出軌或通過沖突區(qū)域時(shí)可能發(fā)生的迎面敵對問題。在地面信號顯示階段，信號顯示側(cè)重于“指令”，人是信號顯示的受體，根據(jù)信號機(jī)顯示對列車進(jìn)行控制；在車載信號顯示階段，由車載設(shè)備對列車進(jìn)行控制，信號顯示側(cè)重于“表述”，體現(xiàn)速度與距離的關(guān)系、列控系統(tǒng)的控車意圖、策略及效果。

今后幾十年內(nèi)，發(fā)展性能更為卓越的列控系統(tǒng)是重要的研究方向。列控系統(tǒng)將越來越依賴于無線通信的實(shí)時(shí)性和可靠性，以車載信號為行車憑證也將進(jìn)一步推廣。針對信號顯示技術(shù)的發(fā)展將圍繞以下幾個(gè)方面展開。

(1)研究不同等級線路統(tǒng)一采用以車載信號為行車憑證的可行性。對于較低等級線路、較高等級線路的動(dòng)車運(yùn)用所等，隨著軌旁設(shè)施及車載設(shè)備的升級改造，逐步采取以車載信號替代地面信號的方式。

(2)進(jìn)一步提高列控系統(tǒng)的安全性、可靠性，研究高等級線路降級模式下地面信號顯示方式進(jìn)一步簡化的措施。

(3)對于目前主流應(yīng)用的CTCS-2系統(tǒng)，進(jìn)一步研究該系統(tǒng)低頻編碼信息的擴(kuò)展方案，豐富碼序含義以優(yōu)化控車曲線。

(4)高鐵ATO技術(shù)的發(fā)展將促使車載信號顯示內(nèi)容和顯示方式多元化，并更具交互性。

4 信號顯示技術(shù)的展望

4.1 CTCS-1級系統(tǒng)信號顯示技術(shù)展望

CTCS-1級列控系統(tǒng)適用于新建及既有160 km/h及以下的普速線路，它克服了傳統(tǒng)CTCS-0級系統(tǒng)存在列車不能可靠定位、列車控制過程中司機(jī)干預(yù)較多等缺點(diǎn)，很大程度上提高了鐵路運(yùn)輸安全服務(wù)水平。

目前CTCS-1級列控系統(tǒng)尚處于仿真驗(yàn)證與樣機(jī)開發(fā)階段，存在多種設(shè)計(jì)方案；其中最具可實(shí)施性的設(shè)計(jì)方案為設(shè)置區(qū)域列控?cái)?shù)據(jù)中心(RDC)，僅在車站范圍內(nèi)采用GSM-R無線傳輸進(jìn)路、線路基礎(chǔ)及臨時(shí)限速數(shù)據(jù)等[29-31]。相對于CTCS-2級列控系統(tǒng)而言，以“RDC+無線”方式取代列控中心，簡化了軌旁設(shè)備，移動(dòng)授權(quán)仍由軌道電路提供。系統(tǒng)整體滿足SIL4級要求，行車憑證以車載顯示為主，地面顯示為輔。即配置CTCS-1級車載設(shè)備列車以車載信號為行車憑證，車載或無線故障后改以地面信號顯示為行車憑證。

對于新建CTCS-1級線路，正線車站信號機(jī)宜按常態(tài)滅燈設(shè)計(jì)，區(qū)間宜不設(shè)通過信號機(jī)，動(dòng)車段、所宜按常態(tài)點(diǎn)燈設(shè)計(jì)。對于既有CTCS-0級改造為CTCS-1級線路，宜維持原地面信號機(jī)設(shè)置，信號機(jī)按常態(tài)點(diǎn)燈設(shè)計(jì)。CTCS-1級列車運(yùn)行時(shí)遇車地顯示不一致時(shí)，宜分情況研究。如對于地面信號機(jī)允許信號燈絲斷絲造成的不一致，建議維持車載信號為行車憑證；對于地面顯示紅燈、燈光熄滅、顯示不明或顯示錯(cuò)誤，而車載顯示允許信號，建議統(tǒng)一按停車信號處理。

4.2 CTCS-4級系統(tǒng)信號顯示技術(shù)展望

CTCS-4級列控系統(tǒng)適用于350 km/h以上線路或特種線路(如低密度線路)，相對于CTCS-3級列控系統(tǒng)，列控系統(tǒng)的整體性能有了很大提升，軌旁設(shè)備更為簡化，采用移動(dòng)閉塞制式。系統(tǒng)采用衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)車載定位、完整性檢查及軌道占用檢查，基本不設(shè)軌道電路[32]。配置CTCS-4級車載設(shè)備列車以車載信號為行車憑證，車載能提供額外的顯示內(nèi)容，除本車速度、位置、距前車距離外，還可顯示前、后相鄰列車的速度、位置、加速度等。

配置CTCS-3級車載設(shè)備列車需對其車載設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性擴(kuò)展，增加完整性檢查及衛(wèi)星定位等功能實(shí)現(xiàn)跨CTCS-4線路運(yùn)行[33]。CTCS-2級及以下等級車載設(shè)備列車則無法直接駛?cè)隒TCS-4線路[34]。

在CTCS-2或CTCS-3線路車載或列控設(shè)備故障后，可最終降級至CTCS-0級列控系統(tǒng)，區(qū)間采用站間閉塞，站內(nèi)通過聯(lián)鎖保障行車安全。而對于CTCS-4線路，因CTCS-4系統(tǒng)不設(shè)軌道電路，應(yīng)重新研究其降級處理方案，如當(dāng)車載設(shè)備故障或車地通信故障時(shí)，可設(shè)置預(yù)留的人工進(jìn)路，將故障列車移出特定區(qū)域，或運(yùn)行至指定區(qū)域[35]。考慮信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路共同構(gòu)成了傳統(tǒng)意義上的聯(lián)鎖關(guān)系，在上述故障發(fā)生后，列車可能已無法定位，在沒有軌道電路的情況下，設(shè)置地面信號機(jī)已意義不大。有鑒于此，建議CTCS-4正線線路不設(shè)置地面信號機(jī)。

4.3 高鐵ATO系統(tǒng)信號顯示技術(shù)展望

根據(jù)珠三角城際莞惠、佛肇線的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)及京沈、京張高鐵的試驗(yàn)研究成果，傳統(tǒng)CTCS系統(tǒng)引入ATO技術(shù)后，能夠?qū)崿F(xiàn)有司機(jī)監(jiān)控自動(dòng)駕駛(GoA2)程度的列車控制[36]。車載顯示內(nèi)容和ATO覆蓋范圍、運(yùn)營場景、運(yùn)營模式等有關(guān)，不僅能顯示包括實(shí)時(shí)運(yùn)行計(jì)劃、列車停穩(wěn)判定、站臺門側(cè)信息、站臺門與車門的聯(lián)動(dòng)信息、倒計(jì)時(shí)發(fā)車時(shí)間等ATO控車相關(guān)內(nèi)容，還能顯示如動(dòng)車前后方路況監(jiān)視、旅客上下車監(jiān)視、車輛火災(zāi)及應(yīng)急反應(yīng)監(jiān)視等綜合監(jiān)控內(nèi)容。即車載顯示已經(jīng)不局限于傳統(tǒng)信號顯示所指的保障行車安全范疇，具有集成性和交互性特點(diǎn)。

5 結(jié)語

我國幅員遼闊，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差別及運(yùn)輸需求的不一致，形成了不同速度等級和不同運(yùn)輸性質(zhì)的普速鐵路、客貨共線鐵路、重載鐵路、高速鐵路、城際鐵路等并存的局面[15]99。鐵路信號終究是為運(yùn)輸系統(tǒng)服務(wù)，多樣化的運(yùn)輸需求，使得地面信號與車載信號，不同信號顯示制式及不同的信號顯示方式，在今后一段時(shí)間內(nèi)，仍將是長期并存的。

目前我國地面信號顯示體系的顯示邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，但顯示關(guān)系相對復(fù)雜，因歷史原因，也仍存在一些不盡合理的顯示方式。未來的地面信號顯示體系將會(huì)采用更為嚴(yán)苛的手段保障列車運(yùn)行安全。比如，CTCS-0級線路正在全力推廣符合SIL4級要求的LKJ-15的應(yīng)用，該系統(tǒng)將有效輔助司機(jī)操控列車，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行超速防護(hù)功能[37]。

另一方面，以車載信號替代地面信號、實(shí)現(xiàn)車載信號主體化，依然是今后鐵路信號顯示技術(shù)發(fā)展的大趨勢。

隨著列控系統(tǒng)的智能化、信息化和自動(dòng)化程度提高，傳統(tǒng)意義上的有司機(jī)監(jiān)督下車載信號控車在向有司機(jī)監(jiān)督下車載自動(dòng)駕駛列車，乃至無司機(jī)監(jiān)督下車載自動(dòng)駕駛列車的方向發(fā)展。信號角色的變化，將導(dǎo)致車載顯示內(nèi)容為信號、綜合監(jiān)控、視頻監(jiān)視、乘客信息、廣播、站臺門等多專業(yè)系統(tǒng)深度集成[38]，構(gòu)成廣泛意義上的綜合行車控制與顯示。

從信號控制策略而言，傳統(tǒng)的信號指令均要求列車必須在前車尾部或相關(guān)障礙物前適當(dāng)距離停車，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立鐵路信號顯示體系。未來以車載設(shè)備為中心，基于車車通信的列控系統(tǒng)是下一代列控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，信號指令可能會(huì)顛覆已有的安全距離保持方式：屆時(shí)，只要后行列車速度不高于前車速度及其他限制速度，即認(rèn)為行車安全；聯(lián)鎖的進(jìn)路控制功能也將轉(zhuǎn)移至車載[39]，由車載對線路資源做合理分配和授權(quán)，傳統(tǒng)的由信號機(jī)衍生而來的進(jìn)路概念不再保留[40]，地面層面上的信號機(jī)及車載層面上的虛擬信號機(jī)不再有設(shè)置的必要。這種思路的轉(zhuǎn)變，將在未來深刻影響鐵路信號的顯示含義。