日常生活中，每个路口都能看到的交通信号灯是保证我们正常出行的重要信号。大多数人在幼儿园就会被教导：红灯停、绿灯行、黄灯亮了等一等。事实上，除了马路上的交通信号灯外，轨道交通中的信号灯也非常重要，这个信号灯有一个更专业的叫法——“信号机”。坐过普快火车的小伙伴应该都见过它，一般长这样：铁路信号机外观（图源：Veer图库）。
此外，地铁中的信号机应用得也非常多，只不过对于坐在车厢里的乘客来说，因为处于地下空间，且光线不好，因此很少能看见它。那么问题来了，地下空间这么黑，列车运行是如何严格遵守红灯停、绿灯行的规则呢？需要司机进行瞭望驾驶吗？信号机除了红绿以外是否还有其他颜色以及相应的含义呢？这些问题看似简单，但却要依据实际情况分类讨论，因为地铁行驶的通过规则远不止一种！
控制列车运行的信号系统要回答这些关于地铁信号机的问题，首先要了解一些关于地铁的基础知识。我们都知道，地铁不同于汽车，它是行驶在固定轨距为1435mm的两根轨道上的交通工具，这两根轨道实际上就是地铁的承重基础，它也在一定程度上决定了列车运行的基本规则。同样的，信号机也是对列车运行的一种规则限制，但不同于轨道，信号机所隶属的规则包含在地铁信号系统当中。
地铁信号，也被叫做列车运行控制系统，本质上其实就是一种由计算机进行控制的系统，正是它赋予了列车一系列运行规则。目前主流的信号系统架构为CBTC，它的英文全称是Communication Based Train Control System，翻译成中文就是基于通信的列车运行控制系统。
在CBTC这类移动闭塞系统诞生之前，固定闭塞和准移动闭塞才是地铁中的主流列车控制系统，但随着大城市客流的不断增多，对于列车运行的数量及间隔提出了更高的要求，CBTC因此应运而生。近二十年来，国内几乎所有的地铁都是按照这个标准进行建设的，而最近五年，更是在CBTC的基础上，更进一步地探索出了全自动运行系统FAO（Fully Automatic Operation）。
可以说CBTC作为一种承前启后的技术，在相当一段时间内，还将在地铁的发展演变中承担重要角色，直到未来的某一天彻底被更先进的技术所取代。CBTC系统包含了列车的多种运营模式和驾驶模式，不同模式下的信号机运作机制也是不同的，所以接下来我们主要以运营模式为核心来讨论信号机的问题。地铁的运营模式一般分为两种，即标准的CBTC模式以及后备模式。那么它们之间主要有哪些区别呢？
CBTC模式其实就是大家日常乘坐地铁时，地铁稳定运行时的一种标准模式。大家可能会在一些新闻中看到：某城市地铁一次性顺利开通CBTC，列车运营间隔可达2分钟（改造项目则会提到列车运营间隔缩短至2分钟）。由此可见，CBTC起到的主要作用就是尽可能地缩短列车运营间隔，怎么缩短呢？自然是让下一列车在尽可能安全的情况下，以一个极限去追赶上一列车。
在追赶的过程中，不光要靠得足够“近”，贴得足够“紧”，还必须保证能够避免安全事故。那它是怎么做到的呢？别眨眼，图来了！
（图源：自制）简单解释下这张图：图中的2020次列车在运行中会把自己的位置等相关信息通过车地无线传输网络，传输给地面的区域控制器，区域控制器本质就是一台具有特殊功能的计算机，它可以通过一系列计算给后边的2021车次一个移动授权，而2021次列车则需要以该授权的要求为准，以一定的安全距离和速度去追2020次列车的“车屁股”。
聪明的同学可能注意到了，这个过程中是没有信号机参与工作的，列车是否继续通行并不是以信号机的信号为条件的。也就是说，CBTC模式下的列车依靠的是车载设备、车地无线网络以及地面的区域控制器，和信号机没有半毛钱关系！对于列车来说，信号机亮与不亮，我都在这里，不悲不喜……不过列车显然不会永远没有故障，一旦出现由于车地通信故障等各类原因导致列车无法继续在CBTC模式下行驶的情况时，地铁运行就会进入后备模式。
后备模式也叫做降级模式，在地铁信号系统的某个部分出现了故障时（车上和轨旁的故障均有可能），后备模式就会启动。可以说后备模式是在CBTC挂掉的情况下，能够把乘客从区间带到车站，安抚大家不用去拿小锤子锤窗户的一种必要设置。后备模式又分为点式控制模式和纯联锁模式，点式控制模式一般会在车地通信或者轨旁设备故障时发挥作用。
从下图中可以看出，CBTC模式下，信号机全程灭灯，后面列车靠移动授权去追踪的前方列车的“车屁股”。而在诸如轨旁区域控制器发生故障时，点式控制模式启动，地铁就要依靠轨旁的信号机进行行车，追踪距离相比于CBTC模式也缩短了很多。（图源：自制）此时如果没有信号灯指示，车是不敢动的。而列车的车载控制器下固定的信标天线在刷过和前方信号机相关联的信标时，便可获得相应前方的信号机状态。
也就是说，点式控制模式下红灯停绿灯行的规则对于地铁也是适用的。（图源：自制）第二种后备方案纯联锁模式同样是依据信号机状态来行车。该模式下，列车一般会以一个非常低的速度运行，此时司机不光需要瞭望信号机，还要听从调度相关指令，效率较为低下，不过需要使用到这种模式的情况也较少。
不同于有ATP（列车自动保护系统）防护的CBTC模式和点式控制模式，纯联锁模式是当ATP失效且仅以联锁设备来保证列车行车安全的时候才会采用。点灯还是灭灯？看完这两种模式，你是不是以为地铁的信号机运行规则没有那么复杂？No，no，no！以上所讲的是基于信号机常态灭灯情况下的地铁运行规则，所谓常态灭灯，就是指在CBTC模式下，地面信号机没有显示，只有在后备模式下，信号机针对故障列车才会相应进行开放。
不过既然有常态灭灯，那相应的肯定就有常态点灯，在常态点灯情况下，后备模式的运行机制与常态灭灯是一致的，只是在CBTC模式下，信号机由灭灯转为了点灯。换句话说，常态点灯模式下的CBTC列车，其行驶不仅有移动授权的保障，同时还有地面信号机进行保障，且这两者之间是相匹配的。在这种情况下，一辆列车如果被开放了移动授权，那么它前方对应的信号机一定也是允许通过的。对于司机来说，相当于多了一个确认通过的信号。
但常态点灯也会带来一些隐患，比如CBTC模式下，列车车载信号允许行车，但前方信号机由于故障导致未开放允许信号，就会给司机带来困扰。国内的线路常态点灯和常态灭灯方案均有应用，也各有优劣[1]，主流还是以常态灭灯方案居多。铁道部的相关标准也要求以列车的车载信号为主体，地面信号常态灭灯[2]。
地铁设计规范中虽然没有对常态点灯/灭灯的说明，但同样也有“ATP（列车自动保护系统）车载设备的车内信号应为行车的主体信号”的要求[3]。相比之下常态点灯方案应用较少，主要应用在上海地区以及北京、重庆的个别线路上。上文中提到的场景中，主要还是以国内地铁正线直通为例，现实中还存在很多其他不遵循“红灯停、绿灯行”的场合：比如列车侧向通过，信号机会显示黄色；调车作业时，信号机会显示白色等。
国外还有CBTC常态点灯情况下，点蓝灯的情况[4]等等。（图源：自制）总之一句话，地铁系统里，红灯停、绿灯行的规则还是基本适用的，不过由于前期设计方案的差异、运营模式的区别，落地到实处，会有一些比较反常识的现象出现，如果大家乘坐地铁时碰巧遇到了，一般问题不大。即使是故障也无需惊慌，听从列车广播指挥就好。
Enjoy your journey!参考文献:[1]朱莉 基于通信的列车控制技术下城市轨道交通轨旁信号的分析[2]《关于客运专线信号系统若干问题的指导意见》[3]《地铁设计规范》GB50157-2013[4]弓剑 地铁信号系统地面信号机常态显示方案分析本文由科普中国融合创作出品，司马望田制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
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