地鐵也要遵循“紅燈停、綠燈行”的交通規則嗎
出品：科普中國
製作：司馬望田
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
日常生活中，每個路口都能看到的交通信號燈是保證我們正常出行的重要信號。大多數人在幼兒園就會被教導：紅燈停、綠燈行、黃燈亮了等一等。
事實上，除了馬路上的交通信號燈外，軌道交通中的信號燈也非常重要，這個信號燈有一個更專業的叫法——“信號機”。坐過普快火車的小夥伴應該都見過它，一般長這樣：
△鐵路信號機外觀（圖源：Veer圖庫）
此外，地鐵中的信號機應用得也非常多，只不過對於坐在車廂裏的乘客來説，因為處於地下空間，且光線不好，因此很少能看見它。
那麼問題來了，地下空間這麼黑，列車運行是如何嚴格遵守紅燈停、綠燈行的規則呢？需要司機進行瞭望駕駛嗎？信號機除了紅綠以外是否還有其他顏色以及相應的含義呢？這些問題看似簡單，但卻要依據實際情況分類討論，因為地鐵行駛的通過規則遠不止一種！
控制列車運行的信號系統
要回答這些關於地鐵信號機的問題，首先要了解一些關於地鐵的基礎知識。
△（圖源：Veer圖庫）
我們都知道，地鐵不同於汽車，它是行駛在固定軌距為1435mm的兩根軌道上的交通工具，這兩根軌道實際上就是地鐵的承重基礎，它也在一定程度上決定了列車運行的基本規則。同樣的，信號機也是對列車運行的一種規則限制，但不同於軌道，信號機所隸屬的規則包含在地鐵信號系統當中。
地鐵信號，也被叫做列車運行控制系統，本質上其實就是一種由計算機進行控制的系統，正是它賦予了列車一系列運行規則。目前主流的信號系統架構為CBTC， 它的英文全稱是Communication Based Train Control System，翻譯成中文就是基於通信的列車運行控制系統。
在CBTC這類移動閉塞系統誕生之前，固定閉塞和準移動閉塞才是地鐵中的主流列車控制系統，但隨着大城市客流的不斷增多，對於列車運行的數量及間隔提出了更高的要求，CBTC因此應運而生。近二十年來，國內幾乎所有的地鐵都是按照這個標準進行建設的，而最近五年，更是在CBTC的基礎上，更進一步地探索出了全自動運行系統FAO（Fully Automatic Operation）。可以説CBTC作為一種承前啓後的技術，在相當一段時間內，還將在地鐵的發展演變中承擔重要角色，直到未來的某一天徹底被更先進的技術所取代。
CBTC系統包含了列車的多種運營模式和駕駛模式，不同模式下的信號機運作機制也是不同的，所以接下來我們主要以運營模式為核心來討論信號機的問題。
兩種互補的運營模式
地鐵的運營模式一般分為兩種，即標準的CBTC模式以及後備模式。那麼它們之間主要有哪些區別呢？
CBTC模式其實就是大家日常乘坐地鐵時，地鐵穩定運行時的一種標準模式。大家可能會在一些新聞中看到：某城市地鐵一次性順利開通CBTC，列車運營間隔可達2分鐘（改造項目則會提到列車運營間隔縮短至2分鐘）。由此可見，CBTC起到的主要作用就是儘可能地縮短列車運營間隔，怎麼縮短呢？自然是讓下一列車在儘可能安全的情況下，以一個極限去追趕上一列車。在追趕的過程中，不光要靠得足夠“近”，貼得足夠“緊”，還必須保證能夠避免安全事故。
那它是怎麼做到的呢？別眨眼，圖來了！
△（圖源：自制）
簡單解釋下這張圖：圖中的2020次列車在運行中會把自己的位置等相關信息通過車地無線傳輸網絡，傳輸給地面的區域控制器，區域控制器本質就是一台具有特殊功能的計算機，它可以通過一系列計算給後邊的2021車次一個移動授權，而2021次列車則需要以該授權的要求為準，以一定的安全距離和速度去追2020次列車的“車屁股”。
聰明的同學可能注意到了，這個過程中是沒有信號機參與工作的，列車是否繼續通行並不是以信號機的信號為條件的。也就是説，CBTC模式下的列車依靠的是車載設備、車地無線網絡以及地面的區域控制器，和信號機沒有半毛錢關係！對於列車來説，信號機亮與不亮，我都在這裏，不悲不喜……
不過列車顯然不會永遠沒有故障，一旦出現由於車地通信故障等各類原因導致列車無法繼續在CBTC模式下行駛的情況時，地鐵運行就會進入後備模式。
後備模式也叫做降級模式，在地鐵信號系統的某個部分出現了故障時（車上和軌旁的故障均有可能），後備模式就會啓動。可以説後備模式是在CBTC掛掉的情況下，能夠把乘客從區間帶到車站，安撫大家不用去拿小錘子錘窗户的一種必要設置。
後備模式又分為點式控制模式和純聯鎖模式，點式控制模式一般會在車地通信或者軌旁設備故障時發揮作用。從下圖中可以看出，CBTC模式下，信號機全程滅燈，後面列車靠移動授權去追蹤的前方列車的“車屁股”。而在諸如軌旁區域控制器發生故障時，點式控制模式啓動，地鐵就要依靠軌旁的信號機進行行車，追蹤距離相比於CBTC模式也縮短了很多。
△（圖源：自制）
此時如果沒有信號燈指示，車是不敢動的。而列車的車載控制器下固定的信標天線在刷過和前方信號機相關聯的信標時，便可獲得相應前方的信號機狀態。也就是説，點式控制模式下紅燈停綠燈行的規則對於地鐵也是適用的。
△（圖源：自制）
第二種後備方案純聯鎖模式同樣是依據信號機狀態來行車。該模式下，列車一般會以一個非常低的速度運行，此時司機不光需要瞭望信號機，還要聽從調度相關指令，效率較為低下，不過需要使用到這種模式的情況也較少。不同於有ATP（列車自動保護系統）防護的CBTC模式和點式控制模式，純聯鎖模式是當ATP失效且僅以聯鎖設備來保證列車行車安全的時候才會採用。
點燈還是滅燈？
看完這兩種模式，你是不是以為地鐵的信號機運行規則沒有那麼複雜？
No，no，no！
以上所講的是基於信號機常態滅燈情況下的地鐵運行規則，所謂常態滅燈，就是指在CBTC模式下，地面信號機沒有顯示，只有在後備模式下，信號機針對故障列車才會相應進行開放。不過既然有常態滅燈，那相應的肯定就有常態點燈，在常態點燈情況下，後備模式的運行機制與常態滅燈是一致的，只是在CBTC模式下，信號機由滅燈轉為了點燈。
換句話説，常態點燈模式下的CBTC列車，其行駛不僅有移動授權的保障，同時還有地面信號機進行保障，且這兩者之間是相匹配的。在這種情況下，一輛列車如果被開放了移動授權，那麼它前方對應的信號機一定也是允許通過的。對於司機來説，相當於多了一個確認通過的信號。但常態點燈也會帶來一些隱患，比如CBTC模式下，列車車載信號允許行車，但前方信號機由於故障導致未開放允許信號，就會給司機帶來困擾。
國內的線路常態點燈和常態滅燈方案均有應用，也各有優劣[1]，主流還是以常態滅燈方案居多。鐵道部的相關標準也要求以列車的車載信號為主體，地面信號常態滅燈[2]。地鐵設計規範中雖然沒有對常態點燈/滅燈的説明，但同樣也有“ATP（列車自動保護系統）車載設備的車內信號應為行車的主體信號”的要求[3]。相比之下常態點燈方案應用較少，主要應用在上海地區以及北京、重慶的個別線路上。
上文中提到的場景中，主要還是以國內地鐵正線直通為例，現實中還存在很多其他不遵循“紅燈停、綠燈行”的場合：比如列車側向通過，信號機會顯示黃色；調車作業時，信號機會顯示白色等。國外還有CBTC常態點燈情況下，點藍燈的情況[4]等等。
△（圖源：自制）
總之一句話，地鐵系統裏，紅燈停、綠燈行的規則還是基本適用的，不過由於前期設計方案的差異、運營模式的區別，落地到實處，會有一些比較反常識的現象出現，如果大家乘坐地鐵時碰巧遇到了，一般問題不大。即使是故障也無需驚慌，聽從列車廣播指揮就好。
Enjoy your journey!
參考文獻
[1]朱莉 基於通信的列車控制技術下城市軌道交通軌旁信號的分析
[2]《關於客運專線信號系統若干問題的指導意見》
[3]《地鐵設計規範》GB50157-2013
[4]弓劍 地鐵信號系統地面信號機常態顯示方案分析