鐵路訊號
鐵路訊號（英語：Railway Signalling）是用作管制與調度鐵路運輸的系統，也是鐵路運輸安全體系的重要組成部分。由於鐵路列車必須沿著固定的軌道上運行，無法像路面車輛般通過轉向來主動避讓障礙物，加上巨大的車身重量與慣性，列車在遭遇突發障礙時難以在短距離內停車[1]。為了避免發生列車追撞或衝突事故，各國鐵路相繼發展出嚴格的訊號規範。例如英國於1889年通過的《鐵路規管法令》，便是因應同年發生的阿馬鐵路事故，而強制要求鐵路公司全面推行聯鎖閉塞訊號系統及其他法定安全措施，奠定了現代鐵路安全法規的基石。
鐵路訊號的歷史可追溯至工業革命初期。最早期的鐵路曾派駐守路員，通過手勢或旗語向司機發出停止或前行的指示，甚至會由騎馬的旗手在前方引路，當時僅依靠手勢來指示司機，然而守路員不可避免的人為錯誤引發了多宗事故。隨着鐵路網日益密集，分岔路綫與平交道口增多，確保列車前方下一站區間無其他列車佔用成為保障鐵路運輸安全的首要任務，這促使鐵路業界尋找更可靠的訊號技術。鐵路沿線地面訊號機的雛形大約於1830年代出現，例如1832年美國鐵路開始採用可在遠處觀測的球形訊號機。19世紀中葉，不論日夜皆清晰可見的臂板訊號機被引入，為車長提供比旗語更明確的行車狀態，並在夜間輔以燈光照明。直到19世紀末，隨着電氣技術的進步，色燈訊號機應運而生，並憑藉高可靠性與低維護成本，在20世紀逐步取代了臂板訊號機[1]。
直至1970年代，鐵路信號系統仍主要依賴沿線固定設置的色燈訊號機。然而，隨着列車運行速度不斷提升，司機因車速過快而誤看或漏看地面訊號的風險也隨之增加。為了在提高列車運行效率的同時確保行車安全，車載訊號系統開始被廣泛採用，不僅包括能夠直接將地面訊號傳送給列車的機車信號系統，亦催生了提供列車運行控制功能的列車自動停車系統（ATS）、列車自動控制系統（ATC）和列車自動防護系統（ATP）。在專為鐵路信號系統設計的通訊傳輸技術方面，全球流動通訊系統（GSM）自1990年代起被引入鐵路行業，並且已由早期基於2G技術的GSM-R系統，演進至基於5G技術的未來鐵路流動通訊系統（FRMCS）[2]。
基本原理
[编辑]運作目的
[编辑]鐵路訊號系統的主要目的，在於確保列車在鐵路基礎設施上運行時的絕對安全，其具體手段包括將可移動的軌道元件（如道岔）鎖定至正確位置、持續偵測軌道區間是否佔用、防止相互衝突的列車進路，以及控制列車間距以維持安全制動距離[3]。由於鐵路運輸大多採用鋼輪與鋼軌直接接觸，其滾動阻力極低，使列車能以牽引遠比路面車輛龐大的載重量並高速行駛。然而，這種特性亦帶來一項致命弱點，輪軌之間的粘着力遠低於橡膠輪胎與瀝青路面，導致高速運行中的列車極難在短時間內煞停。
在傳統的鐵路制動系統下，高速運行的列車需要極長的制動距離。例如當列車制動初速度為時速160公里，常用制度距離可達1,300米以上；當行駛時速提升至200公里甚至300公里以上的高速鐵路水平時，其制動距離更可達到3,000米以上。因此，單憑司機的肉眼瞭望與即時反應，根本無法及時發現並避讓軌道上的突發障礙物[1]。為了彌補人類視覺與反應時間的局限，鐵路必須依賴訊號系統進行早期預告，主動將前方路況傳達予司機或車載控制電腦。
鐵路訊號系統的防護功能主要有三種形式。首先是同方向列車的間隔防護，鑑於鐵路列車制動距離長，前後相隨的列車必須保持極大的安全係數，此距離絕不能短於後車的緊急制動距離。其次是單線鐵路中的對向防護，訊號系統必須絕對禁止迎頭相撞的可能，只有在確定前方特定區間完全清空且進路已遭鎖定的情況下，方可授權列車進入。最後是交匯進路防護，必須嚴格阻止其他列車從匯合軌道或交叉道岔切入正在行駛的列車進路。此外，訊號系統還需監控平交道口的安全，並強制列車遵循限速指令，以從根本上防止因超速而引致的列車脫軌事故[1]。
鐵路訊號系統在保障行車安全之餘，亦會直接影響鐵路營運的規律性與路綫容量[1]。規律性是指列車能按照既定時刻表、特定順序及優先級別準時通過各個節點。如果訊號調度不當引致營運混亂，往往會間接增加人為出錯的機率，進而危及運輸安全。同時，在運輸流量接近飽和的繁忙路綫上，現代化訊號系統（例如CBTC）能通過精準壓縮列車安全間隔，最大化提升單位時間內所能通過的列車總數，從而在無需增建軌道的前提下加密班次，充分發揮鐵路網絡的運載能力。
閉塞系統
[编辑]
鐵路閉塞（Block System）是現代鐵路列車安全間隔防護的基礎，其核心原則為限制同一軌道區間在同一時間內僅能由一列列車佔用，從而消除追撞或迎頭相撞的可能。在實際營運中，鐵路依據此原則劃分為多個獨立的閉塞區間（Block Sections）[3]。傳統上，鐵路主要採用固定閉塞（Fixed Block），其區間邊界固定在軌道特定位置，並由設置於區間入口的區間訊號機（Block Signal）來管制列車進出；在列車駛離該區間並清空軌道前，後續列車一律禁止駛入。
鐵路區間閉塞法主要分為兩類。時間間隔法依規定時間發車以維持班次間隔，但前車在區間內遇事故障時無法保障安全；空間間隔法則將線路劃分為若干區段，限制每區段同時僅容一列車運行，藉此保持絕對的安全距離。而根據實施的自動化程度分類，固定區間閉塞主要分為三類。人工閉塞依賴人員交接路牌並確認區間空閒；半自動閉塞需人工辦理手續，訊號隨列車出發自動關閉，到達後由人工確認復原；自動閉塞則利用軌道電路，隨列車運行全自動變換訊號顯示，無需人工操縱。
隨着通訊技術發展，現代鐵路亦引入了移動閉塞（Moving Block）[4]，其區間邊界不再固定，而是根據前行列車的即時位置與速度，動態計算並調整後車的安全制動距離。此外，許多鐵路體系會將車站範圍（聯鎖區）與站外的「區間」嚴格區隔。雖然站內軌道同樣遵循列車隔離的安全邏輯，但在術語定義上，「閉塞區間」一詞在多數鐵路規章中僅專指車站以外的開放線路區段[3]。
聯鎖系統
[编辑]
車站內有多條軌道及道岔，用作組成不同的列車進路，並由訊號機指揮通行。為防止道岔位置錯誤引致行車事故，必須使訊號機、進路與道岔三者之間建立相互制約的「聯鎖」關係，其核心安全機制在於聯鎖邏輯，即只有當特定進路上的所有道岔均已完全轉換至正確位置並鎖定，且所有相互衝突的列車進路皆已被強制鎖閉時，訊號機方能顯示允許通行的開通訊號。這些管制車站聯鎖區內進路的訊號機統稱為聯鎖訊號機。
早期鐵路完全依賴訊號員人工確認道岔位置，人為疏忽屢屢釀成嚴重鐵路事故。為了根除此安全隱患，鐵路業界引入了機械聯鎖系統，利用機械結構強制約束訊號員的操作順序，防止在道岔未定位前誤開訊號。到了1930年代，電氣繼電器聯鎖開始普及，利用繼電器邏輯電路取代機械鎖閉。自1980年代中期起，現代鐵路已全面轉向電腦聯鎖系統（CBI），由電腦執行邏輯運算以實現道岔、訊號機和區間之間的安全聯鎖，與繼電器聯鎖相比，電腦聯鎖具有更高的可靠性、可擴展性和可維護性。傳統上，車站聯鎖大多由設置在鐵路旁的信號樓（英國稱之爲Signal Box或Signal Cabin，北美稱之為Interlocking Tower）負責操作，內部兼具聯鎖系統與操作介面[3]。而在現代鐵路體系中，多數聯鎖系統已實現遠端控制，統一由中央調度控制中心（OCC）進行集中管轄。
在訊號系統佈置上，車站聯鎖區域主要分為「非連續聯鎖訊號」與「連續聯鎖訊號」兩種配置。在歐洲及多數北美以外鐵路體系中，後者最為常見，並藉此將鐵路網絡劃分為「車站範圍」（Station Area）與站外的「區間開放線路」（Open Line）。從兩側保護列車進入車站範圍的聯鎖訊號機稱為「進站訊號機」（Home Signal）；而管制列車由站內軌道駛向區間開放線路的則稱為「出站訊號機」（Exit Signal / Starter Signal）。位於兩者之間、站內其餘位置的則稱為「中間訊號機」（Intermediate Signal）。相較之下，北美鐵路體系因規章不區分站內軌道與區間線路，故連續聯鎖訊號的配置較罕見。值得注意的是，供旅客上落的「車站月台」與訊號系統定義的「車站軌道」並無必然關係，開放線路上亦可設有不具備道岔或折返功能的月台或乘降所[3]。
列車運行與調車作業
[编辑]在鐵路營運規範中，車輛移動主要劃分為「列車運行」（Train Movements）與「調車作業」（Shunting / Switching Movements）兩大類，兩者在安全防護與速度管制上遵循截然不同的邏輯[3]。
列車運行是指機車車輛在獲得正式授權下，於鐵路系統中執行站到站的常規運行。這類運行的授權由兩大要素構成：一是作為運行路線與優先級依據的列車運行圖和時刻表，二是調度員針對每一段軌道發出的行車授權[3]。列車在行駛中必須全程接受外部調度員的監控，並透過地面主體訊號機的允許顯示、車載訊號顯示，或在特殊情況下由調度員發出的書面與口頭指令來獲得前行許可。此外，列車尾部必須掛有尾燈或標誌牌等列尾信號標示，以便沿線職員確認列車完整，防止車廂溜逸。
相對而言，調車作業是指列車編組、車輛轉線及在車站站場內的移動。調車作業不依賴時刻表，而是在大幅簡化的條件下嚴格遵守速度限制並以低速行車，其限速基準必須確保司機能在遭遇任何障礙物或車輛前及時停車。因此，調車單元被允許進入已有車輛佔用的軌道，且區間閉塞法在此並不適用[3]。在實際操作中，調車人員通常會與調度員事先達成口頭協議，再由訊號系統顯示調車訊號（或由調度員口頭准許）方可移動。
各國鐵路規章對調車範圍均有嚴格限制。在歐洲大陸及多數傳統鐵路體系中，調車單元原則上嚴禁駛出車站進站訊號機以外的開放區間，鐵路通常會設置「站界標」（Shunting Limits）作爲劃分車站與區間界限的信號標誌。調車車輛只有在獲得調度員明確許可，且調度員已確認無任何其他列車正接近進站訊號機的情況下，方可越出站界調車。而在不嚴格區分車站與區間的現代英國鐵路營運體系中，若調車路段缺乏常規訊號機作邊界，則會在調車極限位置裝設永久顯示停止訊號的「調車限制訊號機」（Limit of Shunt，LOS），阻止調車車輛誤入缺乏對向防護的危險區間[5]。
固定訊號設備
[编辑]軌道佔用檢測
[编辑]在鐵路訊號系統中，軌道佔用檢測設備的主要功能，是在授權列車駛入特定進路前，自動且精確地確認相關軌道區間內絕無其他車輛佔用[4]。現代鐵路主要採用兩大類佔用檢測技術：軌道電路與計軸器。
軌道電路
[编辑]
軌道電路是當前應用最廣泛的佔用檢測技術。其運作原理是將每一段軌道的兩端鋼軌與相鄰區間實施電氣絕緣，並在區間其中一端向兩條鋼軌饋送低壓電流，另一端則連接一個訊號繼電器（Signal Relay）。當區間空置時，電流透過鋼軌閉合迴路，使繼電器線圈受電並保持觸點常開，訊號機隨之顯示允許通行；當列車駛入該區間時，金屬輪軸會將兩條鋼軌之間的電流短路（訊號系統中稱為分路或分流），導致繼電器失電復位，系統隨即判定軌道已被佔用。這種基於不間斷電流的分流機制，能實現對整個區段的連續性偵測。即便列車發生斷鉤，導致部分車廂滯留於區間內，軌道電路仍能持續偵測到車輛存在。此技術不僅用作驅動地面訊號顯示，更能配合聯鎖系統使用，例如在列車接近時鎖定道岔以防誤動。
在基於軌道電路的自動閉塞系統中，鐵路沿線維修班組均會配備俗稱短路夾的「軌道電路分流夾」（Track Circuit Operating Clips，TCOC）。當發生鄰線塌方或貨物掉落等突發險情時，鐵路人員可立即將分流夾搭接於兩軌之間，人為製造短路，將防護該區間的地面訊號機顯示紅燈，在通知調度員封鎖區間前防止列車駛向受影響地點[6] 。除此之外，潮濕、絕緣損壞、雷電衝擊、鋼軌斷裂等因素也可能造成無車路段的路軌被短接，在控制系統中就會顯示為紅色的異常佔用狀態，即俗稱所謂的「紅光帶」[7]。
計軸器
[编辑]計軸器則是另一種主流的區間佔用判定方法。該技術在閉塞區間的起點與終點分別安裝計軸磁頭，用作計算駛入與駛出該區間的列車輪軸數目。當駛出區間的輪軸總數與駛入時完全相等，系統便判定該區間已回復清空狀態。計軸器能提供與軌道電路相同的安全防護功能，但在物理特性上各有優劣。在潮濕或隧道等惡劣環境下，計軸器所能管轄的區間長度遠超軌道電路。因為長距離的軌道電路會因道碴電阻大幅降低（即漏電）而喪失分流靈敏度，而計軸器屬於點式偵測，不受道碴絕緣惡化的影響。
然而，軌道電路的獨特優勢在於能自動偵測到部分鋼軌斷裂等軌道物理缺陷，而計軸器對此則無能為力。此外，在經歷電力系統故障並重新恢復供電時，計軸區間會陷入無法得知軌道實際狀況的未明狀態，必須等待首列列車以特定程序通過，或由人工確認清空後才能復原；相反，軌道電路在通電後能瞬間透過電路閉合與否，即時恢復對區間內是否有車輛佔用的正確判讀。
地面訊號機
[编辑]訊號機分類
[编辑]
在北美以外的多數鐵路體系中，列車運行與調車作業分工嚴格，地面訊號機因而明確劃分為「主體訊號機」（Main Signals）與「調車訊號機」（Shunting Signals）兩大類[3]。主體訊號機用作授權常規列車進入特定區間，其行車授權極限通常延伸至下一個主體訊號機或規章指定的特定地點。由於列車的制動距離普遍大於司機的肉眼瞭望範圍，主體訊號機前方須在相等於制動距離的位置配置「接近顯示」（Approach Aspect）。若相鄰訊號機的間距與制動距離相若，此預告通常由後方的主體訊號機兼任（如北美體系之常見做法）；若主體訊號機之間距離極遠，則須在前方制動距離處加設專用的「預告訊號機」（Distant Signal / Warner Signal），此類訊號機僅具備預告與減速警示功能，無法顯示紅燈訊號[3]。
調車訊號機則專用於授權調車作業並防止調車車輛衝突。由於調車速度極低，司機隨時能於障礙物前停車，故調車訊號不設預告顯示。在實際運作中，主體訊號機的紅燈通常同時限制列車運行與調車作業，但若軌道容許調車單元通過主體訊號機，該主題訊號機可能會加裝調車顯示，允許調車車輛在主體訊號機顯示紅燈時低速越過[3]。各國鐵路對調車訊號的定義有所不同。西歐和日本鐵路多數規定調車訊號的紅燈為絕對險阻，即使主體訊號顯示綠燈授權正常列車通過，沿途的調車訊號也必須同步開通，否則列車不得通過。而東歐、俄羅斯及中國大陸的鐵路則普遍採用專屬的白燈作爲允許調車訊號，藍燈作為禁止調車訊號，一般列車在主體訊號綠燈授權下可直接忽略藍燈。至於不嚴格區分主體訊號與調車訊號的北美體系，則會採用較靈活的低速目視行駛模式（Restricted Speed），授權調車車輛謹慎地目視行車，並隨時準備在遭遇障礙物前停車，兼具調車與容許進入佔用區間的雙重功能[3]。
按訊號控制原理劃分，地面訊號機可分為「受控訊號機」（Controlled Signals）與「自動訊號機」（Automatic Signals）兩類[3]。受控訊號機在北美又稱爲「聯鎖訊號機」（Interlocking Signals），是指由車站聯鎖系統或調度集中系統控制，專用於防護含有道岔或存在進路衝突的複雜軌道區域。這類訊號機通常顯示紅燈且禁止隨意越過，不論由人工調度或自動進路設定系統觸發，皆必須在控制系統確認該進路上的所有道岔已鎖定至正確位置、且所有衝突進路均已鎖閉後，訊號方能開放通行。自動訊號機在北美又稱爲「自動閉塞訊號機」（Automatic Block Signals，ABS），則純粹依據列車通過軌道佔用檢測設備（如軌道電路或計軸器）的狀況進行自動切換顯示狀態。當列車駛入訊號機後方的區間，訊號機便會被強制切換至紅燈，直至列車離開該區間。由於不涉及道岔操作，自動訊號機僅用作防護無分岔的區間，其常態依據不同控制系統的設計，可設定為綠燈或紅燈。
機械訊號機
[编辑]
早期鐵路訊號機主要依賴訊號機的幾何位置來向司機傳達行車指令。最早期的形式為轉動式訊號板，其運作是將一塊板面轉至正面向着司機以示完全可見，或者將其旋轉90度使其幾何邊緣對準前方，在視覺上近乎隱形。雖然這種原始的轉動式訊號板已基本退出歷史舞台，僅在部分歷史悠久的觀光鐵路中尚存痕跡。
而最普及的機械訊號設備當屬臂板訊號機（Semaphore Signal），最初於18世紀末在法國開始使用[8]。臂板訊號機由一根可圍繞軸心旋轉的長形臂板（或稱葉片）組成，透過其傾斜的不同角度來顯示相應的限制等級。當臂板保持水平狀態時，即代表最嚴格的限制性指示，依據訊號機的功能類型，可分別代表「危險」、「注意」、「停車後繼續前進」或「絕對停車」。機械訊號機通常與車站或沿線的訊號樓相連。訊號員在室內拉動訊號槓桿，透過長距離的鋼絲導線以機械拉力遙控驅動臂板的旋轉。然而，當機械訊號機的設置地點過於遙遠，超出人工或機械的有效操作範圍時，則會改為採用電氣驅動或油壓驅動系統。
為了確保列車在夜間或低能見度環境下安全運行，機械訊號機通常會配置夜間照明。傳統上，這套系統由一盞永久點亮的油燈（後演進為電燈），以及一組安裝在臂板尾端、隨臂板角度聯鎖連動的移動式彩色玻璃濾光片所組成。當臂板因應指令變更角度時，相應顏色的濾光片便會移至燈光前方改變光綫色彩。因此，火車司機在日間須觀察臂板的角度和位置，而在夜間則透過辨識相應的燈光顏色，來接收相同的行車安全指令。
色燈訊號機
[编辑]隨著鐵路運輸向高密度與高速度發展，傳統的機械臂板訊號機在安全防護與路綫容量的提升上遭遇物理瓶頸。在早期鐵路營運中，車站之間主要依賴電報或有線電訊交換確認訊息，並由人工操作臂板訊號機來管制列車進出。這種高度依賴人工溝通與機械的程序不僅極為耗時，亦嚴重限制了鐵路的行車密度和通過容量，現代鐵路幹線因而全面轉用電氣化的色燈訊號機（Light Signalling）。色燈訊號機能將原本繁瑣的人工確認程序與聯鎖安全邏輯相結合，以極高可靠度與即時反應速度，向列車乘務人員發出各項行車授權與速度指令[1]。
現代鐵路訊號與道路交通訊號採用了相同的色彩邏輯：紅色代表險阻，要求列車立即停車；綠色代表開通，表示前面清空且列車可安全前進；黃色則代表注意，預告前方即將遭遇限制性訊號（如紅燈），要求列車提早減速。然而，將綠燈視為安全開通的常態並非自始如此。在鐵路訊號發展初期，配合上述機械訊號機使用的最早彩色燈光，是以白燈代表「開通」，紅燈代表「險阻」。綠光最初在時間間隔法時期僅用作代表「注意」，但在19世紀中後期推行空間閉塞法時，這種白、綠、紅的三色邏輯仍沿用了一段時間。直到19世紀末，鐵路業界發生多宗因紅色濾光片破碎、導致原本應顯示紅燈的訊號機意外漏出白光，進而被司機誤判為開通而釀成的嚴重追撞事故。為了根除此重大安全隱患，各國鐵路自20世紀初起全面廢除以白燈代表開通的規範，改以綠燈作為「開通」的唯一燈號。至於「注意」訊號，則直到美國康寧公司的科學家成功研發出不帶任何綠色或紅色色調的純黃色玻璃後，黃燈才正式被全球鐵路廣泛用作代表「注意」的標準法定顏色[9]。
地面的色燈訊號機結構主要由訊號機柱、色燈燈頭、用作標示該訊號機編號與性質的識別牌，以及在特定訊號機旁裝設的專用電話機所組成。這部電話機的作用，是在訊號系統發生特殊故障或遇上紅燈時，讓乘務人員能立即與車站值班員或列車調度員取得直接聯繫，以尋求進一步的口頭或書面行車指令。地面色燈訊號機通常設置於車站的入口與出口處（即進站訊號機及出站訊號機），用作管制列車進入或離開車站範圍；同時，在訊號機前方相隔一個制動距離的位置，亦會裝設預告訊號機，以提前向司機預告下一個主體信號機的顯示狀態，確保列車有充足的時間採取相應的減速或制動措施。
地面色燈訊號機依據其光學結構、燈光排列以及顯示邏輯，在鐵路工程學上主要劃分為透鏡式色燈訊號機（Color Light Signal）、探照式色燈訊號機（Searchlight Signal）、位置燈光訊號機（Position Light Signal）以及位置色燈訊號機（Color Position Light Signal）四大類。透鏡式色燈訊號機是現今全球鐵路最普遍採用的技術，每個獨立的燈頭只能顯示一種特定顏色，系統需要呈現多少種訊號燈色，就必須配置相應數量的燈光組件；一個訊號機可由多個燈頭組合而成，每個燈頭設有紅、黃或綠等多個獨立透鏡單元，各自配有專屬的燈泡。與之相對的是探照式色燈訊號機，其特點在於多種顏色共用同一個燈頭與單一光源。探照式訊號機內部配置了機械式變色機構，利用電磁原理在燈泡前旋轉切換紅、黃、綠三色濾光片，從而使單一燈光能投射出不同的顏色。雖然這種設計大幅縮減了訊號機的體積與耗電量，但其內部的微型機械移動部件容易因長期運作、環境潮濕或積塵而發生故障，這在本質上違反了鐵路訊號「故障導向安全」的嚴格原則。因此，現今探照式訊號機已逐步被更加可靠的透鏡式色燈訊號機取代[10]。
另外兩類訊號機則主要應用於北美及部分特定地區的鐵路系統。位置燈光訊號機在本質上是對傳統機械臂板訊號機的電子化模擬，它完全摒棄了光色的變化，純粹依據多盞同色（通常為黃白色）燈光排列出的幾何角度來傳達行車指令。例如，當燈光呈水平橫向排列時，即模擬水平的臂板，代表停車或容許低速通過指令；當燈光呈垂直縱向排列時，則代表線路完全開通；而呈45度傾斜排列時則代表注意減速[11]。至於位置色燈訊號機，則是將上述兩者的技術優勢結合，這類訊號機不僅利用燈光的幾何排列角度來模擬臂板位置，同時還在相應的角度上導入了標準的訊號顏色，例如在水平排列時點亮紅燈、垂直排列時點亮綠燈、傾斜排列時點亮黃燈。這種雙重冗餘的顯示機制可提升司機在惡劣天氣或遠距離瞭望時對訊號顯示的辨識精準度。
列車控制系統
[编辑]列車間隔理論
[编辑]列車安全間隔控制的原則，取決於「行車憑證如何由軌道傳送至列車」以及「軌道區間如何在列車過後予以解鎖」兩大技術基準。當行車憑證僅能在特定地點（如地面訊號機位置）進行離散式傳輸時，訊號系統必然採用固定閉塞，每段行車憑證皆須涵蓋至下一個接收點前的整個固定區段。相反，若列車採用車載訊號系統實施連續式傳輸，則可使用移動閉塞打破此空間限制。然而，單靠連續傳輸行車憑證仍不足以完全取消固定閉塞分區，系統還必須具備連續解鎖軌道的能力，這需要依賴高可靠性的列車完整性監控系統（Train Integrity Monitoring System，TIMS）來實時確認整列列車未發生斷鉤溜逸。
在制動技術層面，列車的制動距離並非直接取決於車輛總重，而是取決於輪軌之間能有效傳遞制動力的黏著重量比例，即鐵路工程學上所稱的制動率。在相同制動率下，不同列車的制動距離大致相等。為確保行車安全，列車前方必須時刻與前車保持至少等於其當前制動距離的間隔（Headway）。因此，從提升路綫容量的角度出發，將兩列短編組列車串聯編組為一列長編組列車通常可獲得更大的經濟效益，因為整列列車不論由多少節車廂組成，在運行中只需佔用一個共同的制動距離，從而在減少列車班次數的同時，提高每小時可通過的總運量[3]。
地面訊號顯示
[编辑]在固定閉塞模式下，地面信號機將軌道劃分為由各個訊號機管轄的獨立閉塞區間，一個地面訊號機若要向即將駛入該區間的列車開放通行，必須滿足一系統嚴格的聯鎖安全條件：前行列車必須已完全駛離該閉塞區段；在設有防護機制的路段，前車還必須駛離下一個訊號機後方的特定距離；同時，前車後方必須有紅燈險阻訊號作防護，若該路段屬於雙向運行，系統還必須鎖閉所有對向進路以防止對頭衝突。
在鐵路訊號工程學中，一個訊號機所管轄並要求絕對安全清空的軌道總長度，稱為該訊號機的「控制長度」（Control length），訊號機在整個控制長度未完全清空前絕不允許開放通行。在引入「重疊緩衝區」（Overlap）設計的訊號系統中，控制長度會超越單一閉塞區間，並與下一個訊號機的控制長度發生局部重疊，其目的是防範司機因煞車操作不當而冒進訊號時，在訊號機後方提供一段額外的安全緩衝距離，避免與前車發生追撞。至於不採用重疊緩衝區設計的訊號系統，其訊號機的控制長度則直接等同於該閉塞分區的實際長度。
地面訊號機在向司機提示如何通過道岔分岔的軌道區段上，全球鐵路訊號系統在歷史演進中形成了兩大顯示模式：進路訊號與速度訊號。
進路訊號體系
[编辑]進路訊號（Route Signalling）模式起源於英國，歷史上受英國鐵路工程規範影響的地區大部分亦繼承了英式的進路訊號傳統。由於英國鐵路網極其複雜、分岔路口眾多，因此進路訊號的核心邏輯在於告知司機「列車即將駛入哪一條軌道進路」。在該制度下，當列車接近道岔時，主體訊號機會附設一個「進路指示器」（Route indicator），以符號、數字或字母直接顯示列車被分配的具體走向。至於通過該道岔時的規定行車速度，訊號機本身並不作直接指示，而是完全依賴司機自身對路綫的熟練程度與沿綫的限速指示牌，由司機自行採取適當的減速措施。進路訊號的最大缺點在於對司機的記憶能力存在高度依賴。在遭遇突發事故而需要臨時改道等緊急情況下，司機容易因對陌生進路的限速缺乏即時反應而釀成冒進或超速事故[12]。正因如此，在採用進路訊號的鐵路體系中，規章往往嚴格限制司機只能駕駛其受過專門訓練的指定路線，且必須定期駕駛較少使用的備用分流路線，以確保司機熟悉路線。
當列車由主線駛向側線時，由於側向通過道岔限制了列車行駛速度，此時訊號系統必須向司機提供充足的提前預告與減速防護。在進路訊號體制下，地面訊號本身無法針對不同導曲綫半徑的道岔提供多級別的動態速度顯示。為了解決這一技術局限，進路訊號發展出了「接近開放」（Approach Release）機制。該系統的運作原理，是將位於道岔前的進路訊號機強制鎖定在最嚴格的限制性顯示（通常為紅燈險阻狀態）。如此一來，在其前方的各個接近訊號機便會受聯鎖連動，自動顯示一系列黃燈或雙黃燈等「注意」燈號序列。司機看見注意訊號後，即使此時尚未知曉前方進路已變更為側向通過道岔，亦必須依照規章開始採取制動操作。直到列車以極低速度接近該具防護功能的進路訊號機，並觸發軌道電路或定時計時器後，該紅燈訊號才會「開放」並顯示允許通過，讓列車以低於道岔限速的速度駛入側綫。
為了克服「接近開放」機制會導致列車過早大幅減速、降低鐵路通過能力的缺點，英國鐵路於1970年代末配合HST高速列車研發出名爲「黃色閃燈」（Flashing Yellows）訊號系統，藉此容許列車以較高速度接近並通過特定道岔[13]。在標準的四顯示訊號系統（包含綠燈、雙黃燈、單黃燈、紅燈）中，若前方分岔進路已經排定且完全清空，且分岔後的首個訊號機已處於開放狀態，道岔前的進路訊號機便會顯示一個「恆亮單黃燈」，並同步點亮指示具體去向的進路指示器[14]。此時，該訊號機前方的第一個接近訊號機會顯示「單閃黃燈」，而再前一個接近訊號機則會顯示「雙閃黃燈」。司機在遠處看見雙閃黃燈時，便能即時知悉前方進路已開通高限速的側線，並可按照自己對路線的熟悉程度，採取最具適當的動態制動曲線進行減速。當列車進一步接近道岔時，若前方線路的清空長度與安全距離持續增加，進路訊號機的顯示亦會由單黃燈向上升級為雙黃燈或綠燈，從而確保高速列車在通過道岔時，能兼顧安全防護與營運效率。這套系統隨後亦被引入至綫路限速較低的三顯示訊號系統（以單閃黃燈作為首個預告顯示）。
速度訊號體系
[编辑]速度訊號（Speed Signalling）模式則將控制焦點放在「列車允許以何種速度通過分岔路口」，而並不主動告知列車具體的軌道進路走向。這種設計要求訊號機具備多層次的燈光顯示組合，用作精確指示多級別的允許通過速度。速度訊號的優勢在於大幅降低了對路線熟悉程度的依賴。許多行車事故的根本原因，在於司機傾向於對進路訊號的含義進行主觀解讀，即點憑自身經驗去推斷前方軌道的實際狀況，而非單純、嚴格地服從訊號指示。速度訊號無需司機進行任何主觀判斷，其燈色顯示直接授權列車以限制速度、低速、中速或最高允許速度通行，司機只需嚴格執行燈色對應的速度操作，無需過度掌握軌道佈局與訊號配置的微觀細節，從而有效減少因人為誤判引致安全隱患的機會[15]。
速度訊號在某些特定的複雜軌道佈局下亦存在局限。例如當處於設有雙線鐵路末端對稱道岔區且設有雙向訊號防護，或是擁有三條以上軌道且交叉渡線同時向左右兩側分岔的多線並行區段時，即多個可能進路同時存在的情況下，速度訊號可能無法充分傳達具體進路的資訊，司機知道應以某個速度通過道岔，但可能難以立即確認前方道岔開放方向，一旦並行軌道中的某一條存在局部限速，所有接近該分岔點的列車為了確保安全，都必須假定自己將被導引至該條實施限速的軌道上，因而不得不提早採取保守的減速制動[15]。除此之外，因為速度訊號通常僅涵蓋道岔聯鎖區內的動態限制速度，對於聯鎖區以外因軌道幾何結構變更（如急彎或坡道）而設的固定限速，仍需結合傳統的地面限速指示牌進行防護。
速度訊號模式起源於美國。美國鐵路協會（ARA）於1915年採納依路線允許速度分類的概念[16]，從而推動北美鐵路信號從傳統進路訊號向速度訊號發展，並使多顯示預告訊號系統在1920年代迅速普及，尤其在路網密度較高的美國東部[17]。隨後，澳洲部分地區、紐西蘭、加拿大等相繼引進了美國式速度訊號，而歐洲大陸多數國家亦在1930年代從傳統路線訊號轉向速度訊號體系。倫敦、米德蘭和蘇格蘭鐵路（LMS）於1932年在西約郡地區安裝了一套美國式速度訊號系統進行實驗，使用色燈顯示列車的進路以及對應速度，部分並結合了臂板訊號機的特點，透過改變臂板角度來顯示三種預示信號，但最終未大規模採用[18]。隨着鐵路訊號技術的發展，現代鐵路系統已逐步將這兩者進行融合，演變為兼具進路與速度提示的複合訊號系統。例如，某些大型樞紐車站的進站訊號機往往會加設進路顯示，用作提前告知抵站列車將被導引至哪一個特定的月台，以便車務人員提早應變。部分傳統的進路訊號系統，亦引入了如速度顯示器等輔助組件，直接向司機表明當前進路的建議接近速度。
預告訊號
[编辑]地面訊號依據提供前方減速預告指示的控制原理，可分為「單區間訊號」與「多區間訊號」兩大系統[3]。在單區間訊號系統中，主體訊號機的燈色顯示純粹取決於其前方緊鄰的一個閉塞區間是否清空，其本身無法為下一盞主體訊號機提供任何預告資訊。因此，每盞主體訊號機的前方必須在相隔一個標準制動距離的位置，專門設置一盞預告訊號機，用作提前向司機提示主體訊號機的顯示狀態。當線路的分區較短、未明顯超越制動距離時，這盞預告訊號機通常會直接與後方的主體訊號機合併設置上，形成上下雙燈頭結構。
相較之下，多區間訊號系統則將主體訊號機的顯示邏輯，與前方兩個或更多個閉塞區間的狀態相連鎖。例如「雙區間訊號」系統將預告資訊直接整合到主體訊號機的燈色之中，無需獨立設置預告訊號機。由於雙區間訊號與傳統單區間訊號同樣使用紅、黃、綠三種基本燈色，因此兩者在訊號工程上均歸類為「三顯示訊號」（Three-aspect signalling）。多區間訊號雖能有效提高鐵路營運效率，但其閉塞分區的長度必須緊貼列車的制動距離。若在站間距離極長、閉塞分區較寬的鐵路上採用多區間訊號，會導致預告資訊過早向司機發布，進而拉大後續列車的訊號追蹤間隔並犧牲路綫容量。因此，現代訊號系統通常會根據軌道區段的實際長度，彈性切換採用單區間或多區間訊號控制。
為了在維持安全制動距離的前提下，盡可能提高路綫容量、進一步縮短訊號機設置間隔，部分繁忙鐵路會引入「三區間訊號」，即「四顯示訊號」（Four-aspect signalling）。此系統透過增加第四種訊號燈色（如雙黃燈），用作提前兩個區間預告司機準備在前方第二盞訊號機前停車，從而容許閉塞分區長度縮短至小於標準制動距離[19]。在採用速度訊號體系的鐵路中，類似的做法則透過「漸進式速度訊號」（Progressive speed signalling）來實現。當列車接近一盞顯示紅燈的訊號機時，沿途的多盞接近訊號機會透過多級別的動態速度燈色，引導列車在連續多個短分區內實施逐級減速。目的是確保列車在通過最後一盞接近訊號機時，其車速已被強制降至適當水平，從而保證列車能在最後一個極短的閉塞分區內安全停車。
列車防護系統
[编辑]機械式列車停止裝置
[编辑]在現代的電子化列車超速防護系統普及前，部分鐵路系統採用機械式列車停止裝置（Train stop），用作迫使任何冒進紅燈訊號的列車自動停車。該系統在軌道旁安裝有與地面訊號機實施電氣聯鎖的自動煞車臂（Tripcock）。當地面訊號呈現紅燈險阻時，煞車臂的默認狀態為向上豎起；此時若有列車強行越過訊號機，豎起的煞車臂便會撞擊安裝於列車轉向架下方的起閘閥（Trip valve）並觸發緊急制動。歐美早期地鐵系統如倫敦地鐵、紐約地鐵等，皆曾經廣泛採用這種由固定閉塞、地面訊號機與機械式列車停止裝置構成的列車安全防護體系[20]。
為了將這種技術擴展至對列車通過道岔時的速度控制，隨後進一步發展出將車輪偵測器（或計軸器）與機械式列車停止裝置結合的計時限速控制系統。該系統通常部署於車站聯鎖區的分岔進路前，在軌道特定距離內裝設前後兩組偵測器，當列車觸發第一組偵測器時，系統內預設的時間繼電器隨即啟動倒數。若列車以符合規定的安全速度或更慢的速度行駛，當其抵達前方第二組偵測器前已超過預設時間，聯鎖系統隨即會放下自動煞車臂，容許列車不受干擾地通過；相反，若列車以高於道岔側綫限速行駛，便會在計時器尚未歸零前抵達第二組偵測器，此時尚未解鎖的列車停止裝置便會對列車實施緊急制動。
這套方案的優點在於結構簡單且能迅速部署，能有效防範列車在駛入道岔側線時因司機疏忽而引致的超速脫軌事故。此類計時限速控制系統最常用於盡頭式車站的進站進路，用作防止列車因司機疏忽而衝撞盡頭的止衝擋。例如在1975年英國倫敦地鐵發生傷亡嚴重的沼澤門地鐵撞車事故後，便廣泛在終點站引入了這種被命名為「沼澤門控制系統」（Moorgate Control）的計時限速安全裝置。
列車自動警報及停車系統
[编辑]機械式列車停止裝置雖然能夠在列車冒進信號時强制停車，但該系統沒有預警功能，且無法提供警報讓司機提前反應。1870年代，法國研發出鰐魚式自動警報系統（Crocodile），這是最早實用化電氣式列車自動警報系統，其原理是在軌道上設置金屬條或後來的電磁裝置，根據地面訊號狀態帶電或極性變化，與列車底下的感應裝置接觸，將地面訊號狀態傳入駕駛室並發出音效警報；司機須在短時間內按下確認按鈕；若未確認則自動施加制動。到了20世紀，歐美多國各自發展出具有相似功能的列車自動警報及停車系統，例如德國自1930年代開始使用的感應式列車防護系統（Indusi），英國在1952年哈羅與威爾德斯通鐵路事故後推廣使用的列車自動警告系統（Automatic Warning System，AWS），以及日本國鐵在1962年三河島列車相撞事故後全面使用的列車自動停車系統（Automatic Train Stop，ATS）。
這類系統皆屬於第一代的點式安全防護裝置，其運作邏輯是透過地面感應裝置，向列車傳送限制性訊號或限速訊號，在駕駛室內響起連續的警報聲以喚起司機注意，司機若未能在警報響起後的數秒內進行確認操作，系統便會強制切換為緊急制動狀態。然而，這類警報系統在設計上具有一定的語意模糊性，系統無法針對紅燈、黃燈、線路限速或平交道口等不同情況提供差異化的警報特徵[21]。此外，在司機執行警報確認後，系統便會解除對列車制動的控制，如果司機在確認警報後未能及時、正確地採取制動操作，系統依舊無法阻止超速或追撞事故的發生[22]，這個缺陷驅使部分系統後來增加了速度監控功能，例如英國研發出列車防護及警報系統（TPWS）與AWS配搭使用，亦促成了日後更先進、具備連續式速度曲線防護的列車自動防護系統之發展（如ATS-P、LZB、TVM等）。
列車自動控制系統
[编辑]列車自動控制系統（ATC）是現代鐵路訊號系統的核心，承擔着維持安全行車間隔、防止超速脫軌、斷軌偵測、執行聯鎖規則、災害警報以及工務安全防護等關鍵安全職能。在整體功能架構上，ATC系統整合了列車自動防護系統（ATP）、列車自動運行系統（ATO）與列車自動監控系統（ATS）三大子系統技術範疇。其中，作為列車運行安全基礎的ATP負責執行聯鎖、軌道佔用偵測、行車憑證與速度指令的強制防護；ATO則在ATP的安全框架下，負責自動控制列車的牽引與制動以實現站間自動駕駛、精確停車、月台倒數計時及車門控制；ATS則側重於中央調度與動態管理，用作實時監控列車位置、自動或手動設定聯鎖進路、執行車務調整以維持時刻表[23]。
自動列車防護系統（ATP）是主要功能是將地面發送的行車憑證與限速資訊即時傳輸至車載系統，一旦列車運行違反規則，系統便會自動觸發制動動作。在配置地面訊號機的傳統鐵路上，ATP主要作為輔助防護手段，首要任務是防止列車冒進訊號；而在採用車載訊號的鐵路系統中，ATP則直接扮演列車運行的核心控制角色，直接提供行車授權、速度曲線監控、列車定位與間隔防護等功能。根據車地之間數據傳輸形式的差異，ATP系統主要劃分為「點式ATP」與「連續式ATP」兩大技術流派[3]。
點式ATP系統（Intermittent ATP）通常使用安裝在軌道中央與訊號機連鎖的應答器與列車間斷地進行數據交換。此系統多作為地面訊號的附加防護，其運作邏輯是當列車接近紅燈時，會在標準制動距離的起點接收到初始限制數據，車載電腦隨即啟動制動防護曲線。若司機未能及時減速，系統將強制實施緊急制動，確保列車能在訊號機後方的安全緩衝區內停下。然而，點式ATP最主要的缺點是列車僅能在駛經應答器時取得數據。一旦列車接收到前方減速或停車的指令，車載電腦便會執行該指令，直至駛過下一個應答器或完全停車為止。這意味着，即使前方區段的阻礙已提前消除、地面訊號機已重新開通為綠燈，但尚未行駛到下一個應答器的列車依然會執行原來的停車指令，從而引致非必要的非正常停車。因此，點式ATP系統普遍會在接近停車點前的適當位置，加裝一個或多個中間補償應答器（Intermediate balise），讓列車得以提前更新行車憑證。
相較之下，連續式ATP系統（Continuous ATP）則實施不間斷的車地雙向數據通訊，這使其不僅具備防護功能，更能控制車載訊號的動態顯示，從而取消對地面訊號機的依賴。其主流的連續傳輸技術包括軌道電路編碼、漏泄同軸電纜，以及當前最先進的蜂窩流動網絡（如GSM-R、LTE-M、5G-R）配合應答器精準定位技術。在城市軌道交通（如地鐵、捷運）領域，這種基於雙向連續無線通訊且無需傳統實體軌道佔用偵測設備的連續式ATP，被進一步定義為「通訊式列車控制系統」（CBTC）。
歐洲各國歷史上曾各自發展出五花八門的ATP系統，嚴重影響了跨境鐵路運輸的互通性，歐盟在1990年代推動歐洲列車控制系統（ETCS）的發展，作為統一的歐洲標準列車控制與保護系統。目前國際主流的ATP系統還有中國列車控制系統（CTCS）以及北美的主動列車控制系統（PTC）。
參考文獻
[编辑]- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Profillidis, V. A. Railway management and engineering Fourth edition. Farnham, Surrey, England: Ashgate Publishing Limited. 2014. ISBN 978-1-4094-6463-1.
- ^ Kessell, Clive. FRMCS - A touch of reality. Rail Engineer. 2025-04-30 [2026-06-20] （英国英语）.
- ^ 3.00 3.01 3.02 3.03 3.04 3.05 3.06 3.07 3.08 3.09 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 Pachl, Jörn. Railway Signalling Principles: Edition 2.0. Universitätsbibliothek Braunschweig. Universitätsbibliothek Braunschweig. 2021-10-18. doi:10.24355/dbbs.084-202110181429-0 （英语）.
- ^ 4.0 4.1 Subset-023 Glossary of Terms and Abbreviations (issue 3.1.0) (PDF). era.europa.eu. ERTMS USERS GROUP. 2014-05-12 [2024-02-17]. （原始内容 (PDF)存档于2020-08-07）.
- ^ Limit of Shunt Indicators – Section 5. Railway Signs UK. Railway Signs UK. [2026-06-17]. （原始内容存档于2024-06-01） （英语）.
- ^ Rulebook Master: Module M1 Section 3.1 – Dealing with a Train Accident or Evacuation: Providing Emergency Protection (PDF). RSSB Rulebook. Network Rail. [2017-02-12]. （原始内容 (PDF)存档于2018-08-10） （英语）.
- ^ 贾雨. 轨道电路红光带故障原因分析. 工程学研究与实用. 2024, 5 (8) [2026-06-20]. ISSN 2717-5316. doi:10.37155/2717-5316-0508-9 （英语）.
- ^ Semaphore – Communications. Encyclopaedia Britannica. Encyclopaedia Britannica. [2026-06-20] （英语）.
- ^ Railroad Lanterns - Materials Science. Corning. [2026-06-20]. （原始内容存档于2026-01-15） （美国英语）.
- ^ Searchlight Signals. Railroad Signals of the US. [2026-06-20]. （原始内容存档于2024-06-01） （英语）.
- ^ Position Light Signals. American‑Rails.com. American‑Rails.com. [2026-06-20]. （原始内容存档于2024-06-01） （英语）.
- ^ Rolt, L. T. C. Red for Danger: The Classic History of British Railway Disasters 2nd. The History Press. 2009 [1966]. ISBN 978-0-7524-5106-0.
- ^ Semaphore Signals – Section 2 Page 7. Railway Signs UK. Railway Signs UK. [2026-06-21]. （原始内容存档于2024-06-01） （英语）.
- ^ Online Rulebook: Signals, Handsignals, Indicators and Signs – Handbook RS521 Section 2.5 “Flashing Yellow Aspects” (PDF). RSSB Rulebook. RSSB. [2019-08-18]. （原始内容 (PDF)存档于2016-12-05） （英语）.
- ^ 15.0 15.1 What’s the Answer? Route Signaling? (1960) (PDF). Jon Roma Railroad Signaling Archive. Jon Roma. [2026-06-21]. （原始内容存档 (PDF)于2024-06-01） （英语）.
- ^ Timeline of Railroad Signaling. Railroad Signals. Railroad Signals. [2026-06-21]. （原始内容存档于2024-06-01） （英语）.
- ^ Dispatcher – February 2025 (PDF). Philadelphia Division, NMRA. National Model Railroad Association. [2026-06-21]. （原始内容存档 (PDF)于2024-06-01） （英语）.
- ^ Railway Signalling. The Signal Box. The Signal Box. [2026-06-21]. （原始内容存档于2024-06-01） （英语）.
- ^ British Rail Signalling. WBSframe. WBSframe. [2026-06-22]. （原始内容存档于2024-06-01） （英语）.
- ^ Signalling Photos. Tubeprune (TrainWeb). TrainWeb. [2026-06-22]. （原始内容存档于2024-06-01） （英语）.
- ^ Inadvertently Introducing Human Factors in Automated Systems Control: Train Protection Systems (2021) (PDF). Chemical Institute of Canada – Process Safety Management Division. Chemical Institute of Canada. [2026-06-22]. （原始内容存档 (PDF)于2024-06-01） （英语）.
- ^ Nakamura, Hideo. How to Deal with Revolutions in Train Control Systems. Engineering. 2016-09-01, 2 (3) [2026-06-23]. ISSN 2095-8099. doi:10.1016/J.ENG.2016.03.015.
- ^ Project Guidelines TM 3.3.1R00 (PDF). California High‑Speed Rail Authority. California High‑Speed Rail Authority. [2026-06-22]. （原始内容存档 (PDF)于2024-06-01） （英语）.
外部連結
[编辑]
- International Union of Railways （页面存档备份，存于互联网档案馆）（國際鐵路聯盟）
- Institution of Railway Signal Engineers（鐵路信號工程師學會）
- IEEE Vehicle Technology Society（電機電子工程師學會車輛技術協會）
- OpenRailwayMap
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
