城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告一、引言城市軌道交通作為城市公共交通的骨干，其信號(hào)系統(tǒng)是保障行車安全、提升運(yùn)輸效率、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)營的核心支撐。隨著城市化進(jìn)程加速與出行需求升級(jí)，信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需兼顧安全可靠性、運(yùn)營高效性與技術(shù)前瞻性，以適配大運(yùn)量、高密度、多交路的復(fù)雜運(yùn)營場景。本文結(jié)合行業(yè)實(shí)踐與技術(shù)發(fā)展趨勢，從設(shè)計(jì)目標(biāo)、架構(gòu)規(guī)劃、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)到工程實(shí)施，系統(tǒng)闡述信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯與實(shí)施要點(diǎn)，為軌道交通工程建設(shè)提供參考。二、設(shè)計(jì)目標(biāo)（一）安全可靠通過故障-安全設(shè)計(jì)與冗余機(jī)制，確保列車運(yùn)行安全，滿足SIL4級(jí)安全完整性要求，降低行車事故風(fēng)險(xiǎn)。（二）高效運(yùn)營支持最小行車間隔（如2分鐘以內(nèi)），實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)精準(zhǔn)停車、節(jié)能運(yùn)行，提升線路運(yùn)輸能力與乘客出行體驗(yàn)。（三）兼容擴(kuò)展適配線路分期建設(shè)、交路調(diào)整需求，預(yù)留與未來智慧城軌（如車路協(xié)同、自動(dòng)駕駛升級(jí)）的接口，保障系統(tǒng)生命周期內(nèi)的技術(shù)迭代。（四）節(jié)能環(huán)保通過優(yōu)化牽引曲線、減少制動(dòng)能耗，結(jié)合智能照明、設(shè)備休眠策略，降低系統(tǒng)全生命周期能耗。三、設(shè)計(jì)原則（一）安全性優(yōu)先遵循“故障導(dǎo)向安全”原則，所有設(shè)備與邏輯設(shè)計(jì)需確保故障時(shí)觸發(fā)安全防護(hù)（如緊急制動(dòng)、進(jìn)路鎖閉），杜絕危險(xiǎn)側(cè)故障。（二）可靠性保障采用成熟可靠的硬件（如工業(yè)級(jí)控制器、高防護(hù)等級(jí)設(shè)備）與軟件架構(gòu)（如分布式處理、熱備冗余），減少單點(diǎn)故障影響。（三）技術(shù)先進(jìn)性引入CBTC（基于通信的列車控制）、移動(dòng)閉塞、智能運(yùn)維等技術(shù)，適配未來無人駕駛（GoA4）需求，提升系統(tǒng)智能化水平。（四）經(jīng)濟(jì)合理性平衡初期投資與運(yùn)維成本，優(yōu)先選用國產(chǎn)化、高性價(jià)比設(shè)備，優(yōu)化系統(tǒng)配置以降低能耗與維護(hù)工作量。（五）可維護(hù)性設(shè)計(jì)設(shè)備模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，支持遠(yuǎn)程診斷與在線升級(jí)，故障定位時(shí)間≤30分鐘，維護(hù)響應(yīng)時(shí)間滿足運(yùn)營要求。四、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)采用CBTC（基于通信的列車控制）架構(gòu)，核心由車載子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)、車地通信子系統(tǒng)組成，通過“車-地-中心”協(xié)同實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)監(jiān)控、防護(hù)與運(yùn)行。（一）車載子系統(tǒng)包含ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）、ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行）、車載通信單元（OCU）與人機(jī)界面（DMI）：ATP負(fù)責(zé)速度監(jiān)控、安全制動(dòng)；ATO實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛（如精準(zhǔn)停車、節(jié)能牽引）；OCU通過無線通信與地面系統(tǒng)交互位置、速度等信息；DMI向司機(jī)展示運(yùn)行狀態(tài)與操作提示。（二）地面子系統(tǒng)分為區(qū)域控制器（ZC）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）、列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（DSU）：ZC處理列車位置跟蹤、移動(dòng)授權(quán)（MA）計(jì)算；CI實(shí)現(xiàn)進(jìn)路聯(lián)鎖、道岔/信號(hào)機(jī)控制；ATS作為調(diào)度核心，監(jiān)控列車狀態(tài)、編制運(yùn)行計(jì)劃、觸發(fā)應(yīng)急調(diào)度；DSU存儲(chǔ)系統(tǒng)日志與運(yùn)營數(shù)據(jù)，支持故障回溯與分析。（三）車地通信子系統(tǒng)采用LTE-M（面向軌道交通的長期演進(jìn)）或WLAN技術(shù)，構(gòu)建車地雙向通信鏈路：LTE-M具備低時(shí)延（≤50ms）、高可靠性（99.999%）、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適配高密度列車同時(shí)通信需求；WLAN則在既有線路改造中應(yīng)用廣泛，通過雙網(wǎng)冗余（A/B網(wǎng)）保障通信連續(xù)性。五、子系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)（一）列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）功能定位：運(yùn)營調(diào)度的“神經(jīng)中樞”，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、調(diào)度指揮、時(shí)刻表管理與應(yīng)急處置。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：多中心架構(gòu)：控制中心（OCC）主用，車輛段/停車場備用，通過雙機(jī)熱備（Active-Standby）保障系統(tǒng)可用性，切換時(shí)間≤2秒；時(shí)刻表優(yōu)化：支持“計(jì)劃時(shí)刻表”與“實(shí)時(shí)調(diào)整”結(jié)合，根據(jù)客流數(shù)據(jù)自動(dòng)生成加車/跳停方案，行車間隔調(diào)整精度≤10秒；應(yīng)急處置：預(yù)設(shè)故障場景（如區(qū)間故障、車站大客流）的調(diào)度策略，自動(dòng)觸發(fā)列車扣車、跳停、小交路運(yùn)行，減少人工干預(yù)失誤。（二）列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）功能定位：行車安全的“守護(hù)者”，通過速度限制、安全間隔控制，防止列車超速、追尾、冒進(jìn)信號(hào)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：移動(dòng)閉塞原理：基于列車實(shí)時(shí)位置（由車載定位設(shè)備與地面信標(biāo)校準(zhǔn)），ZC為每列車計(jì)算動(dòng)態(tài)移動(dòng)授權(quán)（MA），安全包絡(luò)線隨列車位置實(shí)時(shí)更新，最小安全間隔可壓縮至90米（對(duì)應(yīng)2分鐘行車間隔）；故障安全設(shè)計(jì)：ATP單元采用“二取二”或“三取二”硬件冗余，軟件邏輯通過形式化驗(yàn)證，確保故障時(shí)輸出最嚴(yán)格的安全指令（如緊急制動(dòng)）；降級(jí)模式：當(dāng)車地通信中斷時(shí)，自動(dòng)切換為“點(diǎn)式ATP”（基于地面應(yīng)答器）或“聯(lián)鎖級(jí)控制”，保障列車以限制速度（如25km/h）繼續(xù)運(yùn)行，待通信恢復(fù)后自動(dòng)升級(jí)。（三）列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）功能定位：運(yùn)營效率的“提升器”，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛（含啟動(dòng)、加速、減速、停車），降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，提升運(yùn)行精度。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：精準(zhǔn)停車控制：通過車載傳感器（如多普勒雷達(dá)、編碼器）與地面定位信標(biāo)配合，停車精度≤±30cm（滿足站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)需求），開門成功率≥99.9%；節(jié)能運(yùn)行策略：基于線路坡度、曲線半徑與客流負(fù)載，自動(dòng)優(yōu)化牽引/制動(dòng)曲線，相比人工駕駛節(jié)能5%-10%，同時(shí)減少輪軌磨損；多模式切換：支持ATO全自動(dòng)、ATPM（司機(jī)監(jiān)督下的自動(dòng)駕駛）、RM（限制人工駕駛）等模式，滿足不同運(yùn)營場景（如調(diào)試、故障恢復(fù)）需求。（四）計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（CI）功能定位：進(jìn)路與設(shè)備控制的“邏輯大腦”，實(shí)現(xiàn)道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路的聯(lián)鎖控制，保障進(jìn)路安全。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：聯(lián)鎖邏輯驗(yàn)證：采用“故障-安全”型聯(lián)鎖機(jī)，邏輯通過SIL4級(jí)安全認(rèn)證，進(jìn)路建立需滿足“選路-鎖閉-開放信號(hào)”的嚴(yán)格流程，防止敵對(duì)進(jìn)路沖突；區(qū)域聯(lián)鎖設(shè)計(jì)：對(duì)于長大線路，采用“區(qū)域聯(lián)鎖+中心監(jiān)控”架構(gòu)，將線路劃分為多個(gè)聯(lián)鎖區(qū)，降低單套設(shè)備負(fù)載，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度；與站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)：通過硬線接口與站臺(tái)門系統(tǒng)聯(lián)鎖，確保列車停穩(wěn)且車門/站臺(tái)門對(duì)位后，方可開啟；門關(guān)閉且鎖閉后，列車方可啟動(dòng)，防止夾人夾物。六、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用（一）移動(dòng)閉塞技術(shù)相比傳統(tǒng)固定閉塞（基于軌道電路分區(qū)），移動(dòng)閉塞通過車地實(shí)時(shí)通信，動(dòng)態(tài)分配安全間隔，使列車追蹤間隔從固定閉塞的120秒壓縮至90秒以內(nèi)，運(yùn)輸能力提升30%以上。同時(shí)，取消大量地面軌道電路，降低土建與維護(hù)成本。（二）LTE-M車地通信采用4G/5G-R（軌道交通增強(qiáng)版）通信協(xié)議，支持多列車同時(shí)接入（每平方公里≥50列），傳輸時(shí)延≤50ms，丟包率≤0.1%。通過“車-地-云”協(xié)同，可實(shí)現(xiàn)列車健康狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳、地面設(shè)備遠(yuǎn)程診斷，為智能運(yùn)維提供支撐。（三）智能運(yùn)維技術(shù)故障預(yù)測：通過設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)（如溫度、電流、通信時(shí)延）建模，預(yù)測板卡、電源等部件的故障風(fēng)險(xiǎn)，提前更換，減少非計(jì)劃停機(jī)；遠(yuǎn)程診斷：在控制中心部署運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控車載與地面設(shè)備狀態(tài)，故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)推送定位信息與維修方案，維修時(shí)長縮短40%。（四）國產(chǎn)化核心設(shè)備突破國外技術(shù)壟斷，采用國產(chǎn)ZC、CI、ATP/ATO等核心設(shè)備，通過互聯(lián)互通測試（如“城軌云”平臺(tái)兼容），降低設(shè)備采購成本30%-50%，同時(shí)提升供應(yīng)鏈安全性。七、可靠性與安全性設(shè)計(jì)（一）故障安全機(jī)制硬件冗余：關(guān)鍵設(shè)備（如ZC、CI、車載ATP）采用“熱備冗余”（Active-Standby）或“三取二”表決，故障時(shí)自動(dòng)切換，切換時(shí)間≤1秒，保障系統(tǒng)無中斷運(yùn)行；軟件容錯(cuò)：采用“故障-安全”軟件架構(gòu)，所有安全相關(guān)邏輯通過形式化驗(yàn)證（如模型檢測），確保代碼無危險(xiǎn)側(cè)漏洞；通信冗余：車地通信采用雙網(wǎng)（A/B網(wǎng)）物理隔離，地面通信設(shè)備（如基站、交換機(jī)）雙機(jī)熱備，單網(wǎng)故障時(shí)自動(dòng)切換至備用網(wǎng)，通信中斷時(shí)間≤2秒。（二）安全認(rèn)證與評(píng)估系統(tǒng)核心設(shè)備需通過SIL4級(jí)安全認(rèn)證（如EN____、EN____），設(shè)計(jì)階段開展FMEA（故障模式與影響分析）、FTA（故障樹分析），運(yùn)營階段定期進(jìn)行安全審計(jì)，確保安全完整性持續(xù)達(dá)標(biāo)。（三）應(yīng)急運(yùn)營方案降級(jí)模式：當(dāng)CBTC系統(tǒng)故障時(shí)，自動(dòng)降級(jí)為“聯(lián)鎖級(jí)”或“電話閉塞法”，制定詳細(xì)的降級(jí)運(yùn)營流程（如列車發(fā)車間隔、速度限制、人工確認(rèn)進(jìn)路），確保運(yùn)營連續(xù)性；災(zāi)害應(yīng)對(duì)：針對(duì)暴雨、地震等災(zāi)害，設(shè)計(jì)“區(qū)間疏散”“車站緊急停車”等應(yīng)急邏輯，聯(lián)動(dòng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）啟動(dòng)防災(zāi)預(yù)案。八、工程實(shí)施要點(diǎn)（一）與土建工程接口信號(hào)機(jī)房：需遠(yuǎn)離振動(dòng)源（如軌道、通風(fēng)機(jī)房），采用防靜電、防塵、恒溫（22℃±2℃）設(shè)計(jì)，地面荷載≥8kN/m2，滿足設(shè)備安裝與維護(hù)空間需求；電纜敷設(shè)：采用阻燃、低煙無鹵電纜，區(qū)間電纜槽預(yù)留≥30%擴(kuò)容空間，車站電纜井設(shè)置防火分隔，防止火災(zāi)蔓延；地面設(shè)備安裝：道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)采用防淹設(shè)計(jì)（防護(hù)等級(jí)IP67），地面應(yīng)答器避開軌道接縫與積水區(qū)，安裝精度≤±5mm。（二）與其他系統(tǒng)集成綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）：通過OPCUA或MMS協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，ATS向ISCS推送列車位置，ISCS向ATS反饋設(shè)備狀態(tài)（如站臺(tái)門、電梯），實(shí)現(xiàn)一體化監(jiān)控；站臺(tái)門系統(tǒng)：采用硬線聯(lián)鎖（安全相關(guān)）與以太網(wǎng)通信（非安全相關(guān)）結(jié)合，確保車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)可靠性，接口響應(yīng)時(shí)間≤100ms；車輛段信號(hào)系統(tǒng)：與正線系統(tǒng)兼容，采用“獨(dú)立聯(lián)鎖+正線ATS監(jiān)控”模式，車輛段內(nèi)列車可通過“出入段線”自動(dòng)進(jìn)入正線CBTC控制。（三）調(diào)試與驗(yàn)收模擬測試：在實(shí)驗(yàn)室搭建“車-地-中心”仿真環(huán)境，模擬不同運(yùn)營場景（如早高峰、故障降級(jí)），驗(yàn)證系統(tǒng)邏輯與性能；現(xiàn)場聯(lián)調(diào)：分階段開展“單機(jī)調(diào)試→子系統(tǒng)聯(lián)調(diào)→系統(tǒng)聯(lián)調(diào)→綜合聯(lián)調(diào)”，重點(diǎn)測試車地通信、ATP防護(hù)、ATO停車精度等關(guān)鍵指標(biāo)；試運(yùn)行：空載試運(yùn)行≥3個(gè)月，滿載試運(yùn)行≥1個(gè)月，通過“故障注入測試”（如切斷通信、模擬設(shè)備故障）驗(yàn)證系統(tǒng)應(yīng)急能力，試運(yùn)行期間故障率≤0.5次/萬列公里。九、案例分析：某地鐵線信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐（一）項(xiàng)目背景某超大城市地鐵線路，全長45km，設(shè)站30座，設(shè)計(jì)最高時(shí)速80km/h，初期配車40列，遠(yuǎn)期運(yùn)能需滿足早高峰斷面客流5萬人次/小時(shí)，目標(biāo)行車間隔1分50秒。（二）設(shè)計(jì)難點(diǎn)高密度運(yùn)營：需突破移動(dòng)閉塞最小間隔限制，實(shí)現(xiàn)110秒行車間隔；復(fù)雜地形：線路穿越山區(qū)與城市核心區(qū)，坡度達(dá)35‰，曲線半徑最小300米，對(duì)ATO牽引/制動(dòng)控制要求極高；國產(chǎn)化要求：核心設(shè)備需100%國產(chǎn)化，兼容既有“城軌云”平臺(tái)。（三）解決方案1.信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)：采用“區(qū)域控制器+骨干網(wǎng)”架構(gòu)，將線路劃分為5個(gè)聯(lián)鎖區(qū)，每個(gè)ZC控制6-8座車站，減少單設(shè)備負(fù)載，提升響應(yīng)速度；2.移動(dòng)閉塞優(yōu)化：通過優(yōu)化ZC算法（如“前瞻式移動(dòng)授權(quán)”），將安全包絡(luò)線計(jì)算周期從100ms壓縮至80ms，最小安全間隔降至85米，滿足110秒行車間隔需求；3.ATO曲線優(yōu)化：針對(duì)大坡度與小曲線，采用“分段式牽引策略”，在坡道段提前加速，曲線段優(yōu)化轉(zhuǎn)向架受力，停車精度提升至±25cm，節(jié)能率達(dá)12%；4.國產(chǎn)化實(shí)施：選用國產(chǎn)ZC（基于“龍芯”CPU）、CI（自主聯(lián)鎖邏輯）、ATP/ATO（國產(chǎn)化算法），通過互聯(lián)互通測試，與“城軌云”平臺(tái)無縫對(duì)接，設(shè)備采購成本降低45%。（四）實(shí)施效果運(yùn)營效率：開通后早高峰行車間隔穩(wěn)定在1分55秒，運(yùn)輸能力達(dá)5.2萬人次/小時(shí)，滿足客流需求；安全可靠性：試運(yùn)行期間故障率0.3次/萬列公里，低于行業(yè)平均水平（0.8次/萬列公里）；節(jié)能效益：相比同類型線路，年節(jié)約電能約80