地鐵信號(hào)系統(tǒng)是干嘛的？ - 非連續(xù)式ATP

《基礎(chǔ)篇》里我介紹了信號(hào)系統(tǒng)的最低控制級(jí)別，聯(lián)鎖級(jí)的基本控制原理。即操作員人為排列進(jìn)路，聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)路表進(jìn)行安全邏輯判斷后執(zhí)行道岔任務(wù)再按信號(hào)機(jī)指示是否許可，然后司機(jī)看著信號(hào)燈行車。這種方式肯定不是目前地鐵運(yùn)營(yíng)的方式，只是信號(hào)系統(tǒng)的最低后備控制模式。其中提到了司機(jī)看著信號(hào)機(jī)指示行車。其實(shí)，對(duì)于坐地鐵的乘客而言，他能看到的只有列車。所以他去理解地鐵信號(hào)系統(tǒng)也不由自主的從列車的角度。那我們也從這個(gè)角度來展開吧。

 地鐵列車車頭沒有前后之分，兩邊各有一套司機(jī)室，列車朝哪個(gè)方向開車頭就是哪個(gè)。當(dāng)然信號(hào)系統(tǒng)很重要的一部分，車載單元（業(yè)內(nèi)叫OBCU,OnBoard Controlling Unit，或TBU，TrainBoard Unit），就坐落在司機(jī)座位和乘客之間的機(jī)柜里。既然需要司機(jī)看信號(hào)燈行車是一種安全運(yùn)營(yíng)模式，那能否讓機(jī)器幫司機(jī)做這個(gè)事情呢。當(dāng)然可以，司機(jī)看著信號(hào)燈來觀察當(dāng)時(shí)情景來判斷下一步操作，這些代有機(jī)器來完成，這就是一種稍高級(jí)的模式，點(diǎn)式（這不是所有信號(hào)系統(tǒng)都有的一種半高級(jí)模式，西門子的系統(tǒng)稱為ITC，Intermittent Train Controlling）。這種模式其實(shí)就是讓機(jī)器代替司機(jī)看信號(hào)機(jī)燈位行車，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)其實(shí)不難，但必須要在列車上以及信號(hào)機(jī)旁安裝檢測(cè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。這一方面先打住，后面再一并展開。

其實(shí)，如果僅僅依靠列車前方的信號(hào)機(jī)指示來行車，雖然信號(hào)燈指示由負(fù)責(zé)進(jìn)路安全的聯(lián)鎖來體現(xiàn)，但每條單位進(jìn)路是由兩架信號(hào)機(jī)作為基礎(chǔ)的，所有以進(jìn)路作為單位來運(yùn)營(yíng)效率是很低的。試想下，一條地鐵全線20公里，得裝多少信號(hào)機(jī)啊，再說再高的密度最起碼也得數(shù)百米一個(gè)吧。更重要的是一條單位進(jìn)路內(nèi)的列車該怎么走才能安全并高效呢，開多快，哪里開快些，哪里開慢些，哪里是上坡得加速，哪里有轉(zhuǎn)彎需要限速防止脫軌，列車出現(xiàn)危及安全的險(xiǎn)情需要立即停車等等。我們能想象到，對(duì)于上述這些要求，聯(lián)鎖系統(tǒng)是無能為力了，聯(lián)鎖一系列操作和判斷后指示完信號(hào)機(jī)紅綠燈后，等列車進(jìn)入到一個(gè)單位進(jìn)路里面后，就“推卸責(zé)任”了。那誰(shuí)來接手這個(gè)重大責(zé)任呢。答案是列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（業(yè)內(nèi)稱ATP，Automatic Train Protection）。ATP來決定列車該怎么走等一系列問題，他和聯(lián)鎖是好基友，一起來保障列車的安全。

ATP和列車密切相關(guān)，因?yàn)槲覀冎涝谝粭l單位進(jìn)路外能不能進(jìn)來是聯(lián)鎖說了算，但單位進(jìn)路內(nèi)列車怎么走是ATP說了算。ATP來決定車怎么走，他就必須得獲得起碼的必要信息，如列車當(dāng)前位置和速度，這個(gè)完全可以理解。那ATP是通過哪些檢測(cè)設(shè)備來獲得所需信息的呢。讓我們逐個(gè)介紹。

首先這里我不得不給大家展開一點(diǎn)，介紹個(gè)設(shè)備，它叫應(yīng)答器（業(yè)內(nèi)叫balise，最早發(fā)源于歐洲，所以也叫歐式應(yīng)答器）。這是個(gè)高科技玩意，它是一塊2cm厚A3紙大小的黃色模塊，不怕風(fēng)吹雨淋，因?yàn)樗敲芊獾?。被澆筑在中心的是一塊煙盒大小的電路板，很靈敏，能接受電磁波信號(hào)。把它安裝在軌道中間某個(gè)位置，提前用特殊的編程器用電磁波信號(hào)為其編程，燒入位置ID信息。另外列車頭底部也安裝一套與之匹配的應(yīng)答器天線，它負(fù)責(zé)加載電磁波并檢測(cè)反饋信號(hào)。軌道上的應(yīng)答器一般處于沒電沉睡中，列車通過時(shí)加一電磁波信號(hào)，為其充電，其開始工作并迅速把器位置ID信息反饋電磁波給列車，整個(gè)過程在幾十毫秒時(shí)間內(nèi)完成，然后繼續(xù)沉睡。高科技吧，據(jù)說造價(jià)還不高。如果在進(jìn)路里面裝上一些應(yīng)答器，列車上也安裝有與其配套的應(yīng)答器天線，列車在經(jīng)過應(yīng)答器時(shí)就能收到位置ID信號(hào)，這樣列車的準(zhǔn)確位置信息就有了，而且還很精確，因?yàn)閼?yīng)答器可以被很精確的安裝（最高精度+/-2cm）。

 另外還有一種由此延伸的應(yīng)答器，叫可變應(yīng)答器，大體相同，區(qū)別是尾部有根線。干嘛有線呢。這就要回到剛才提到的讓機(jī)器幫司機(jī)看信號(hào)機(jī)燈位的問題。

截止現(xiàn)在，ATP已經(jīng)拿到了列車的位置ID信息和信號(hào)機(jī)燈位信息（此處不宜展開太多，如實(shí)際ATP有軌道數(shù)據(jù)庫(kù)，即TDB，其中存有全線所有應(yīng)答器、信號(hào)機(jī)、道岔位置以及線路坡度、彎道等線路信息）。但這還不夠，ATP需要速度和距離信息。

首先是測(cè)速電機(jī)（業(yè)內(nèi)叫OPG），它安裝在列車輪子上，每轉(zhuǎn)一圈會(huì)脈沖計(jì)數(shù)一次，一個(gè)脈沖就是一個(gè)車輪周長(zhǎng)，相乘脈沖數(shù)就是走了多遠(yuǎn)，貌似簡(jiǎn)單實(shí)用，但有缺陷，假如剎車時(shí)輪子打滑，。。。。那怎么辦。然后又引入一個(gè)高科技玩意，即雷達(dá)，安裝于車頭，其原理簡(jiǎn)單，多普勒測(cè)速原理。這玩意是通過發(fā)送信號(hào)和遇障礙后反射回信號(hào)的頻率差來計(jì)算速度和距離的，原理高大上，但也有缺陷。如果下雨時(shí)流動(dòng)的雨滴會(huì)誤導(dǎo)它，所以雨天效果不好。但如果測(cè)速電機(jī)和雷達(dá)結(jié)合起來，perfect！完美。就這樣吧。

好，總結(jié)一下。ATP收集到信號(hào)燈燈位信息（業(yè)內(nèi)及系統(tǒng)內(nèi)部叫移動(dòng)授權(quán)，moving authority），宏觀方向上得以把握。進(jìn)入單位進(jìn)路內(nèi)，通過測(cè)速電機(jī)、雷達(dá)和應(yīng)答器得以列車準(zhǔn)確速度位置信息，然后呢。這些信息會(huì)歸結(jié)于ATP的安全計(jì)算機(jī)內(nèi)，結(jié)合內(nèi)建的軌道數(shù)據(jù)庫(kù)信息，計(jì)算后給出列車安全保障和高效運(yùn)行建議。

到此，我已經(jīng)從列車的角度講述了一種典型的非連續(xù)式ATP的基本原理和架構(gòu)。很明顯，這比上篇提到的聯(lián)鎖級(jí)更有安全保障，也體現(xiàn)了引入ATP的目的，即對(duì)于列車安全的防護(hù)，這是整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是各家信號(hào)供應(yīng)商的技術(shù)核心。但上述通篇講到的只是基礎(chǔ)ATP的一種形式，也算是典型的一種，這種形式的ATP只發(fā)揮了小小的能量。其實(shí)，涉及到整個(gè)區(qū)域的所有列車之間的安全防護(hù)和運(yùn)籌帷幄才是ATP的用武之地，這就是連續(xù)式或準(zhǔn)連續(xù)式ATP的內(nèi)容了。我們下次再展開。