铁路讯号

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铁路讯号（Railway Signalling）是用作管制与调度铁路运输的系统，也是铁路运输安全体系的重要组成部分。由于铁路列车必须沿着固定的轨道上运行，无法像路面车辆般通过转向来主动避让障碍物，加上巨大的车身重量与惯性，列车在遭遇突发障碍时难以在短距离内停车。为了避免发生列车冲突事故，各国铁路相继发展出严格的讯号规范。例如英国于1889年通过的《1889年铁路规管法令》，便是因应同年发生的阿马铁路事故，而强制要求铁路公司全面推行联锁闭塞讯号系统及其他法定安全措施，奠定了现代铁路安全法规的基石。

铁路讯号的历史可追溯至工业革命初期。最早期的铁路曾派驻守路员，通过手势或旗语向司机发出停止或前行的指示，甚至会由骑马的旗手在前方引路，当时仅依靠手势来指示司机，然而守路员不可避免的人为错误引发了多宗事故。随着铁路网日益密集，分岔路线与平交道口增多，确保列车前方下一站区间无其他列车占用成为保障铁路运输安全的首要任务，这促使铁路业界寻找更可靠的讯号技术。铁路沿线地面讯号机的雏形大约于1830年代出现，例如1832年美国铁路开始采用可在远处观测的球形讯号机。19世纪中叶，不论日夜皆清晰可见的臂板讯号机被引入，为车长提供比旗语更明确的行车状态，并在夜间辅以灯光照明。直到19世纪末，随着电气技术的进步，色灯讯号机应运而生，并凭借高可靠性与低维护成本，在20世纪逐步取代了臂板讯号机。

直至1970年代，铁路信号系统仍主要依赖沿线固定设置的色灯讯号机。然而，随着列车运行速度不断提升，司机因车速过快而误看或漏看地面讯号的风险也随之增加。为了在提高列车运行效率的同时确保行车安全，车载讯号系统开始被广泛采用，不仅包括能够直接将地面讯号传送给列车的机车信号系统，亦催生了提供列车运行控制功能的列车自动停车系统（ATS）、列车自动控制系统（ATC）和列车自动防护系统（ATP）。在专为铁路信号系统设计的通讯传输技术方面，全球流动通讯系统（GSM）自1990年代起被引入铁路行业，并且已由早期基于2G技术的GSM-R系统，演进至基于5G技术的未来铁路流动通讯系统（FRMCS）。

## 基本原理

### 运作目的

铁路讯号系统的主要目的，在于确保列车在铁路基础设施上运行时的绝对安全，其具体手段包括将可移动的轨道元件（如道岔）锁定至正确位置、持续侦测轨道区间是否占用、防止相互冲突的列车进路，以及控制列车间距以维持安全制动距离。由于铁路运输大多采用钢轮与钢轨直接接触，其滚动阻力极低，使列车能以牵引远比路面车辆庞大的载重量并高速行驶。然而，这种特性亦带来一项致命弱点，轮轨之间的粘着力远低于橡胶轮胎与沥青路面，导致高速运行中的列车极难在短时间内煞停。

在传统的铁路制动系统下，高速运行的列车需要极长的制动距离。例如当列车制动初速度为时速160公里，常用制度距离可达1,300米以上；当行驶时速提升至200公里甚至300公里以上的高速铁路水平时，其制动距离更可达到3,000米以上。因此，单凭司机的肉眼瞭望与即时反应，根本无法及时发现并避让轨道上的突发障碍物。为了弥补人类视觉与反应时间的局限，铁路必须依赖讯号系统进行早期预告，主动将前方路况传达予司机或车载控制电脑。

铁路讯号系统的防护功能主要有三种形式。首先是同方向列车的间隔防护，鉴于铁路列车制动距离长，前后相随的列车必须保持极大的安全系数，此距离绝不能短于后车的紧急制动距离。其次是单线铁路中的对向防护，讯号系统必须绝对禁止迎头相撞的可能，只有在确定前方特定区间完全清空且进路已遭锁定的情况下，方可授权列车进入。最后是交汇进路防护，必须严格阻止其他列车从汇合轨道或交叉道岔切入正在行驶的列车进路。此外，讯号系统还需监控平交道口的安全，并强制列车遵循限速指令，以从根本上防止因超速而引致的列车脱轨事故。

铁路讯号系统在保障行车安全之余，亦会直接影响铁路营运的规律性与路线容量。规律性是指列车能按照既定时刻表、特定顺序及优先级别准时通过各个节点。如果讯号调度不当引致营运混乱，往往会间接增加人为出错的几率，进而危及运输安全。同时，在运输流量接近饱和的繁忙路线上，现代化讯号系统（例如CBTC）能通过精准压缩列车安全间隔，最大化提升单位时间内所能通过的列车总数，从而在无需增建轨道的前提下加密班次，充分发挥铁路网络的运载能力。

### 闭塞系统

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铁路闭塞（Block System）是现代铁路列车安全间隔防护的基础，其核心原则为限制同一轨道区间在同一时间内仅能由一列列车占用，从而消除追撞或迎头相撞的可能。在实际营运中，铁路依据此原则划分为多个独立的闭塞区间（Block Sections）。传统上，铁路主要采用固定闭塞（Fixed Block），其区间边界固定在轨道特定位置，并由设置于区间入口的区间讯号机（Block Signal）来管制列车进出；在列车驶离该区间并清空轨道前，后续列车一律禁止驶入。

铁路区间闭塞法主要分为两类。时间间隔法依规定时间发车以维持班次间隔，但前车在区间内遇事故障时无法保障安全；空间间隔法则将线路划分为若干区段，限制每区段同时仅容一列车运行，借此保持绝对的安全距离。而根据实施的自动化程度分类，固定区间闭塞主要分为三类。人工闭塞依赖人员交接路牌并确认区间空闲；半自动闭塞需人工办理手续，讯号随列车出发自动关闭，到达后由人工确认复原；自动闭塞则利用轨道电路，随列车运行全自动变换讯号显示，无需人工操纵。

随着通讯技术发展，现代铁路亦引入了移动闭塞（Moving Block），其区间边界不再固定，而是根据前行列车的即时位置与速度，动态计算并调整后车的安全制动距离。此外，许多铁路体系会将车站范围（联锁区）与站外的“区间”严格区隔。虽然站内轨道同样遵循列车隔离的安全逻辑，但在术语定义上，“闭塞区间”一词在多数铁路规章中仅专指车站以外的开放线路区段。

### 联锁系统

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车站内有多条轨道及道岔，用作组成不同的列车进路，并由讯号机指挥通行。为防止道岔位置错误引致行车事故，必须使讯号机、进路与道岔三者之间建立相互制约的“联锁”关系，其核心安全机制在于联锁逻辑，即只有当特定进路上的所有道岔均已完全转换至正确位置并锁定，且所有相互冲突的列车进路皆已被强制锁闭时，讯号机方能显示允许通行的开通讯号。这些管制车站联锁区内进路的讯号机统称为联锁讯号机。

早期铁路完全依赖铁路讯号员人工确认道岔位置，人为疏忽屡屡酿成严重铁路事故。为了根除此安全隐患，铁路业界引入了机械联锁系统，利用机械结构强制约束讯号员的操作顺序，防止在道岔未定位前误开讯号。到了1930年代，电气继电器联锁开始普及，利用继电器逻辑电路取代机械锁闭。自1980年代中期起，现代铁路已全面转向电脑联锁系统（CBI），由电脑执行逻辑运算以实现道岔、讯号机和区间之间的安全联锁，与继电器联锁相比，电脑联锁具有更高的可靠性、可扩展性和可维护性。传统上，车站联锁大多由设置在铁路旁的信号楼（英国称之为Signal Box或Signal Cabin，北美称之为Interlocking Tower）负责操作，内部兼具联锁系统与操作界面。而在现代铁路体系中，多数联锁系统已实现远端控制，统一由中央调度控制中心（OCC）进行集中管辖。

在讯号系统布置上，车站联锁区域主要分为“非连续联锁讯号”与“连续联锁讯号”两种配置。在欧洲及多数北美以外铁路体系中，后者最为常见，并借此将铁路网络划分为“车站范围”（Station Area）与站外的“区间开放线路”（Open Line）。从两侧保护列车进入车站范围的联锁讯号机称为“进站讯号机”（Home Signal）；而管制列车由站内轨道驶向区间开放线路的则称为“出站讯号机”（Exit Signal / Starter Signal）。位于两者之间、站内其余位置的则称为“中间讯号机”（Intermediate Signal）。相较之下，北美铁路体系因规章不区分站内轨道与区间线路，故连续联锁讯号的配置较罕见。值得注意的是，供旅客上落的“车站月台”与讯号系统定义的“车站轨道”并无必然关系，开放线路上亦可设有不具备道岔或折返功能的月台或乘降所。

### 列车运行与调车作业

在铁路营运规范中，车辆移动主要划分为“列车运行”（Train Movements）与“调车作业”（Shunting / Switching Movements）两大类，两者在安全防护与速度管制上遵循截然不同的逻辑。

列车运行是指机车车辆在获得正式授权下，于铁路系统中执行站到站的常规运行。这类运行的授权由两大要素构成：一是作为运行路线与优先级依据的列车运行图和时刻表，二是调度员针对每一段轨道发出的行车授权。列车在行驶中必须全程接受外部调度员的监控，并透过地面主体讯号机的允许显示、车载讯号显示，或在特殊情况下由调度员发出的书面与口头指令来获得前行许可。此外，列车尾部必须挂有尾灯或标志牌等列车尾部信号，以便沿线职员确认列车完整，防止车厢溜逸。

相对而言，调车作业是指列车编组、车辆转线及在车站站场内的移动。调车作业不依赖时刻表，而是在大幅简化的条件下严格遵守速度限制并以低速行车，其限速基准必须确保司机能在遭遇任何障碍物或车辆前及时停车。因此，调车单元被允许进入已有车辆占用的轨道，且区间闭塞法在此并不适用。在实际操作中，调车人员通常会与调度员事先达成口头协议，再由讯号系统显示调车讯号（或由调度员口头准许）方可移动。

各国铁路规章对调车范围均有严格限制。在欧洲大陆及多数传统铁路体系中，调车单元原则上严禁驶出车站进站讯号机以外的开放区间，铁路通常会设置“站界标”（Shunting Limits）作为划分车站与区间界限的信号标志。调车车辆只有在获得调度员明确许可，且调度员已确认无任何其他列车正接近进站讯号机的情况下，方可越出站界调车。而在不严格区分车站与区间的现代英国铁路营运体系中，若调车路段缺乏常规讯号机作边界，则会在调车极限位置装设永久显示停止讯号的“调车限制讯号机”（Limit of Shunt，LOS），阻止调车车辆误入缺乏对向防护的危险区间。

## 固定讯号设备

### 轨道占用检测

在铁路讯号系统中，轨道占用检测设备的主要功能，是在授权列车驶入特定进路前，自动且精确地确认相关轨道区间内绝无其他车辆占用。现代铁路主要采用两大类占用检测技术：轨道电路与计轴器。

#### 轨道电路

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轨道电路是当前应用最广泛的占用检测技术。其运作原理是将每一段轨道的两端钢轨与相邻区间实施电气绝缘，并在区间其中一端向两条钢轨馈送低压电流，另一端则连接一个讯号继电器（Signal Relay）。当区间空置时，电流透过钢轨闭合回路，使继电器线圈受电并保持触点常开，讯号机随之显示允许通行；当列车驶入该区间时，金属轮轴会将两条钢轨之间的电流短路（讯号系统中称为分路或分流），导致继电器失电复位，系统随即判定轨道已被占用。这种基于不间断电流的分流机制，能实现对整个区段的连续性侦测。即便列车发生断钩，导致部分车厢滞留于区间内，轨道电路仍能持续侦测到车辆存在。此技术不仅用作驱动地面讯号显示，更能配合联锁系统使用，例如在列车接近时锁定道岔以防误动。

在基于轨道电路的自动闭塞系统中，铁路沿线维修班组均会配备俗称短路夹的“轨道电路分流夹”（Track Circuit Operating Clips，TCOC）。当发生邻线塌方或货物掉落等突发险情时，铁路人员可立即将分流夹搭接于两轨之间，人为制造短路，将防护该区间的地面讯号机显示红灯，在通知调度员封锁区间前防止列车驶向受影响地点。除此之外，潮湿、绝缘损坏、雷电冲击、钢轨断裂等因素也可能造成无车路段的路轨被短接，在控制系统中就会显示为红色的异常占用状态，即俗称所谓的“红光带”。

#### 计轴器

计轴器则是另一种主流的区间占用判定方法。该技术在闭塞区间的起点与终点分别安装计轴磁头，用作计算驶入与驶出该区间的列车轮轴数目。当驶出区间的轮轴总数与驶入时完全相等，系统便判定该区间已回复清空状态。计轴器能提供与轨道电路相同的安全防护功能，但在物理特性上各有优劣。在潮湿或隧道等恶劣环境下，计轴器所能管辖的区间长度远超轨道电路。因为长距离的轨道电路会因道碴电阻大幅降低（即漏电）而丧失分流灵敏度，而计轴器属于点式侦测，不受道碴绝缘恶化的影响。

然而，轨道电路的独特优势在于能自动侦测到部分钢轨断裂等轨道物理缺陷，而计轴器对此则无能为力。此外，在经历电力系统故障并重新恢复供电时，计轴区间会陷入无法得知轨道实际状况的未明状态，必须等待首列列车以特定程序通过，或由人工确认清空后才能复原；相反，轨道电路在通电后能瞬间透过电路闭合与否，即时恢复对区间内是否有车辆占用的正确判读。

### 地面讯号机

#### 讯号机分类

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在北美以外的多数铁路体系中，列车运行与调车作业分工严格，地面讯号机因而明确划分为“主体讯号机”（Main Signals）与“调车讯号机”（Shunting Signals）两大类。主体讯号机用作授权常规列车进入特定区间，其行车授权极限通常延伸至下一个主体讯号机或规章指定的特定地点。由于列车的制动距离普遍大于司机的肉眼瞭望范围，主体讯号机前方须在相等于制动距离的位置配置“接近显示”（Approach Aspect）。若相邻讯号机的间距与制动距离相若，此预告通常由后方的主体讯号机兼任（如北美体系之常见做法）；若主体讯号机之间距离极远，则须在前方制动距离处加设专用的“预告讯号机”（Distant Signal / Warner Signal），此类讯号机仅具备预告与减速警示功能，无法显示红灯讯号。

调车讯号机则专用于授权调车作业并防止调车车辆冲突。由于调车速度极低，司机随时能于障碍物前停车，故调车讯号不设预告显示。在实际运作中，主体讯号机的红灯通常同时限制列车运行与调车作业，但若轨道容许调车单元通过主体讯号机，该主题讯号机可能会加装调车显示，允许调车车辆在主体讯号机显示红灯时低速越过。各国铁路对调车讯号的定义有所不同。西欧和日本铁路多数规定调车讯号的红灯为绝对险阻，即使主体讯号显示绿灯授权正常列车通过，沿途的调车讯号也必须同步开通，否则列车不得通过。而东欧、俄罗斯及中国大陆的铁路则普遍采用专属的白灯作为允许调车讯号，蓝灯作为禁止调车讯号，一般列车在主体讯号绿灯授权下可直接忽略蓝灯。至于不严格区分主体讯号与调车讯号的北美体系，则会采用较灵活的低速目视行驶模式（Restricted Speed），授权调车车辆谨慎地目视行车，并随时准备在遭遇障碍物前停车，兼具调车与容许进入占用区间的双重功能。

按讯号控制原理划分，地面讯号机可分为“受控讯号机”（Controlled Signals）与“自动讯号机”（Automatic Signals）两类。受控讯号机在北美又称为“联锁讯号机”（Interlocking Signals），是指由车站联锁系统或调度集中系统控制，专用于防护含有道岔或存在进路冲突的复杂轨道区域。这类讯号机通常显示红灯且禁止随意越过，不论由人工调度或自动进路设定系统触发，皆必须在控制系统确认该进路上的所有道岔已锁定至正确位置、且所有冲突进路均已锁闭后，讯号方能开放通行。自动讯号机在北美又称为“自动闭塞讯号机”（Automatic Block Signals，ABS），则纯粹依据列车通过轨道占用检测设备（如轨道电路或计轴器）的状况进行自动切换显示状态。当列车驶入讯号机后方的区间，讯号机便会被强制切换至红灯，直至列车离开该区间。由于不涉及道岔操作，自动讯号机仅用作防护无分岔的区间，其常态依据不同控制系统的设计，可设定为绿灯或红灯。

#### 机械讯号机

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早期铁路讯号机主要依赖讯号机的几何位置来向司机传达行车指令。最早期的形式为转动式讯号板，其运作是将一块板面转至正面向着司机以示完全可见，或者将其旋转90度使其几何边缘对准前方，在视觉上近乎隐形。虽然这种原始的转动式讯号板已基本退出历史舞台，仅在部分历史悠久的观光铁路中尚存痕迹。

而最普及的机械讯号设备当属臂板讯号机（Semaphore Signal），最初于18世纪末在法国开始使用。臂板讯号机由一根可围绕轴心旋转的长形臂板（或称叶片）组成，透过其倾斜的不同角度来显示相应的限制等级。当臂板保持水平状态时，即代表最严格的限制性指示，依据讯号机的功能类型，可分别代表“危险”、“注意”、“停车后继续前进”或“绝对停车”。机械讯号机通常与车站或沿线的讯号楼相连。讯号员在室内拉动讯号杠杆，透过长距离的钢丝导线以机械拉力遥控驱动臂板的旋转。然而，当机械讯号机的设置地点过于遥远，超出人工或机械的有效操作范围时，则会改为采用电气驱动或油压驱动系统。

为了确保列车在夜间或低能见度环境下安全运行，机械讯号机通常会配置夜间照明。传统上，这套系统由一盏永久点亮的油灯（后演进为电灯），以及一组安装在臂板尾端、随臂板角度联锁连动的移动式彩色玻璃滤光片所组成。当臂板因应指令变更角度时，相应颜色的滤光片便会移至灯光前方改变光线色彩。因此，火车司机在日间须观察臂板的角度和位置，而在夜间则透过辨识相应的灯光颜色，来接收相同的行车安全指令。

#### 色灯讯号机

随着铁路运输向高密度与高速度发展，传统的机械臂板讯号机在安全防护与路线容量的提升上遭遇物理瓶颈。在早期铁路营运中，车站之间主要依赖电报或有线电讯交换确认讯息，并由人工操作臂板讯号机来管制列车进出。这种高度依赖人工沟通与机械的程序不仅极为耗时，亦严重限制了铁路的行车密度和通过容量，现代铁路干线因而全面转用电气化的色灯讯号机（Light Signalling）。色灯讯号机能将原本繁琐的人工确认程序与联锁安全逻辑相结合，以极高可靠度与即时反应速度，向列车乘务人员发出各项行车授权与速度指令。

现代铁路讯号与道路交通讯号采用了相同的色彩逻辑：红色代表险阻，要求列车立即停车；绿色代表开通，表示前面清空且列车可安全前进；黄色则代表注意，预告前方即将遭遇限制性讯号（如红灯），要求列车提早减速。然而，将绿灯视为安全开通的常态并非自始如此。在铁路讯号发展初期，配合上述机械讯号机使用的最早彩色灯光，是以白灯代表“开通”，红灯代表“险阻”。绿光最初在时间间隔法时期仅用作代表“注意”，但在19世纪中后期推行空间闭塞法时，这种白、绿、红的三色逻辑仍沿用了一段时间。直到19世纪末，铁路业界发生多宗因红色滤光片破碎、导致原本应显示红灯的讯号机意外漏出白光，进而被司机误判为开通而酿成的严重追撞事故。为了根除此重大安全隐患，各国铁路自20世纪初起全面废除以白灯代表开通的规范，改以绿灯作为“开通”的唯一灯号。至于“注意”讯号，则直到美国康宁公司的科学家成功研发出不带任何绿色或红色色调的纯黄色玻璃后，黄灯才正式被全球铁路广泛用作代表“注意”的标准法定颜色。

地面的色灯讯号机结构主要由讯号机柱、色灯灯头、用作标示该讯号机编号与性质的识别牌，以及在特定讯号机旁装设的专用电话机所组成。这部电话机的作用，是在讯号系统发生特殊故障或遇上红灯时，让乘务人员能立即与站长或列车调度员取得直接联系，以寻求进一步的口头或书面行车指令。地面色灯讯号机通常设置于车站的入口与出口处（即进站讯号机及出站讯号机），用作管制列车进入或离开车站范围；同时，在讯号机前方相隔一个制动距离的位置，亦会装设预告讯号机，以提前向司机预告下一个主体信号机的显示状态，确保列车有充足的时间采取相应的减速或制动措施。

地面色灯讯号机依据其光学结构、灯光排列以及显示逻辑，在铁路工程学上主要划分为透镜式色灯讯号机（Color Light Signal）、探照式色灯讯号机（Searchlight Signal）、位置灯光讯号机（Position Light Signal）以及位置色灯讯号机（Color Position Light Signal）四大类。透镜式色灯讯号机是现今全球铁路最普遍采用的技术，每个独立的灯头只能显示一种特定颜色，系统需要呈现多少种讯号灯色，就必须配置相应数量的灯光组件；一个讯号机可由多个灯头组合而成，每个灯头设有红、黄或绿等多个独立透镜单元，各自配有专属的灯泡。与之相对的是探照式色灯讯号机，其特点在于多种颜色共用同一个灯头与单一光源。探照式讯号机内部配置了机械式变色机构，利用电磁原理在灯泡前旋转切换红、黄、绿三色滤光片，从而使单一灯光能投射出不同的颜色。虽然这种设计大幅缩减了讯号机的体积与耗电量，但其内部的微型机械移动部件容易因长期运作、环境潮湿或积尘而发生故障，这在本质上违反了铁路讯号“故障导向安全”的严格原则。因此，现今探照式讯号机已逐步被更加可靠的透镜式色灯讯号机取代。

另外两类讯号机则主要应用于北美及部分特定地区的铁路系统。位置灯光讯号机在本质上是对传统机械臂板讯号机的电子化模拟，它完全摒弃了光色的变化，纯粹依据多盏同色（通常为黄白色）灯光排列出的几何角度来传达行车指令。例如，当灯光呈水平横向排列时，即模拟水平的臂板，代表停车或容许低速通过指令；当灯光呈垂直纵向排列时，则代表线路完全开通；而呈45度倾斜排列时则代表注意减速。至于位置色灯讯号机，则是将上述两者的技术优势结合，这类讯号机不仅利用灯光的几何排列角度来模拟臂板位置，同时还在相应的角度上导入了标准的讯号颜色，例如在水平排列时点亮红灯、垂直排列时点亮绿灯、倾斜排列时点亮黄灯。这种双重冗余的显示机制可提升司机在恶劣天气或远距离瞭望时对讯号显示的辨识精准度。

## 列车控制系统

### 列车间隔理论

列车安全间隔控制的原则，取决于“行车凭证如何由轨道传送至列车”以及“轨道区间如何在列车过后予以解锁”两大技术基准。当行车凭证仅能在特定地点（如地面讯号机位置）进行离散式传输时，讯号系统必然采用固定闭塞，每段行车凭证皆须涵盖至下一个接收点前的整个固定区段。相反，若列车采用车载讯号系统实施连续式传输，则可使用移动闭塞打破此空间限制。然而，单靠连续传输行车凭证仍不足以完全取消固定闭塞分区，系统还必须具备连续解锁轨道的能力，这需要依赖高可靠性的列车完整性监控系统（Train Integrity Monitoring System，TIMS）来实时确认整列列车未发生断钩溜逸。

在制动技术层面，列车的制动距离并非直接取决于车辆总重，而是取决于轮轨之间能有效传递制动力的黏着重量比例，即铁路工程学上所称的制动率。在相同制动率下，不同列车的制动距离大致相等。为确保行车安全，列车前方必须时刻与前车保持至少等于其当前制动距离的间隔（Headway）。因此，从提升路线容量的角度出发，将两列短编组列车串联编组为一列长编组列车通常可获得更大的经济效益，因为整列列车不论由多少节车厢组成，在运行中只需占用一个共同的制动距离，从而在减少列车班次数的同时，提高每小时可通过的总运量。

### 地面讯号显示

在固定闭塞模式下，地面信号机将轨道划分为由各个讯号机管辖的独立闭塞区间，一个地面讯号机若要向即将驶入该区间的列车开放通行，必须满足一系统严格的联锁安全条件：前行列车必须已完全驶离该闭塞区段；在设有防护机制的路段，前车还必须驶离下一个讯号机后方的特定距离；同时，前车后方必须有红灯险阻讯号作防护，若该路段属于双向运行，系统还必须锁闭所有对向进路以防止对头冲突。

在铁路讯号工程学中，一个讯号机所管辖并要求绝对安全清空的轨道总长度，称为该讯号机的“控制长度”（Control length），讯号机在整个控制长度未完全清空前绝不允许开放通行。在引入“重叠缓冲区”（Overlap）设计的讯号系统中，控制长度会超越单一闭塞区间，并与下一个讯号机的控制长度发生局部重叠，其目的是防范司机因刹车操作不当而冒进讯号时，在讯号机后方提供一段额外的安全缓冲距离，避免与前车发生追撞。至于不采用重叠缓冲区设计的讯号系统，其讯号机的控制长度则直接等同于该闭塞分区的实际长度。

地面讯号机在向司机提示如何通过道岔分岔的轨道区段上，全球铁路讯号系统在历史演进中形成了两大显示模式：进路讯号与速度讯号。

#### 进路讯号体系

进路讯号（Route Signalling）模式起源于英国，历史上受英国铁路工程规范影响的地区大部分亦继承了英式的进路讯号传统。由于英国铁路网极其复杂、分岔路口众多，因此进路讯号的核心逻辑在于告知司机“列车即将驶入哪一条轨道进路”。在该制度下，当列车接近道岔时，主体讯号机会附设一个“进路指示器”（Route indicator），以符号、数字或字母直接显示列车被分配的具体走向。至于通过该道岔时的规定行车速度，讯号机本身并不作直接指示，而是完全依赖司机自身对路线的熟练程度与沿线的限速指示牌，由司机自行采取适当的减速措施。进路讯号的最大缺点在于对司机的记忆能力存在高度依赖。在遭遇突发事故而需要临时改道等紧急情况下，司机容易因对陌生进路的限速缺乏即时反应而酿成冒进或超速事故。正因如此，在采用进路讯号的铁路体系中，规章往往严格限制司机只能驾驶其受过专门训练的指定路线，且必须定期驾驶较少使用的备用分流路线，以确保司机熟悉路线。

当列车由主线驶向侧线时，由于侧向通过道岔限制了列车行驶速度，此时讯号系统必须向司机提供充足的提前预告与减速防护。在进路讯号体制下，地面讯号本身无法针对不同导曲线半径的道岔提供多级别的动态速度显示。为了解决这一技术局限，进路讯号发展出了“接近开放”（Approach Release）机制。该系统的运作原理，是将位于道岔前的进路讯号机强制锁定在最严格的限制性显示（通常为红灯险阻状态）。如此一来，在其前方的各个接近讯号机便会受联锁连动，自动显示一系列黄灯或双黄灯等“注意”灯号序列。司机看见注意讯号后，即使此时尚未知晓前方进路已变更为侧向通过道岔，亦必须依照规章开始采取制动操作。直到列车以极低速度接近该具防护功能的进路讯号机，并触发轨道电路或定时计时器后，该红灯讯号才会“开放”并显示允许通过，让列车以低于道岔限速的速度驶入侧线。

为了克服“接近开放”机制会导致列车过早大幅减速、降低铁路通过能力的缺点，英国铁路于1970年代末配合HST高速列车研发出名为“黄色闪灯”（Flashing Yellows）讯号系统，借此容许列车以较高速度接近并通过特定道岔。在标准的四显示讯号系统（包含绿灯、双黄灯、单黄灯、红灯）中，若前方分岔进路已经排定且完全清空，且分岔后的首个讯号机已处于开放状态，道岔前的进路讯号机便会显示一个“恒亮单黄灯”，并同步点亮指示具体去向的进路指示器。此时，该讯号机前方的第一个接近讯号机会显示“单闪黄灯”，而再前一个接近讯号机则会显示“双闪黄灯”。司机在远处看见双闪黄灯时，便能即时知悉前方进路已开通高限速的侧线，并可按照自己对路线的熟悉程度，采取最具适当的动态制动曲线进行减速。当列车进一步接近道岔时，若前方线路的清空长度与安全距离持续增加，进路讯号机的显示亦会由单黄灯向上升级为双黄灯或绿灯，从而确保高速列车在通过道岔时，能兼顾安全防护与营运效率。这套系统随后亦被引入至线路限速较低的三显示讯号系统（以单闪黄灯作为首个预告显示）。

#### 速度讯号体系

速度讯号（Speed Signalling）模式则将控制焦点放在“列车允许以何种速度通过分岔路口”，而并不主动告知列车具体的轨道进路走向。这种设计要求讯号机具备多层次的灯光显示组合，用作精确指示多级别的允许通过速度。速度讯号的优势在于大幅降低了对路线熟悉程度的依赖。许多行车事故的根本原因，在于司机倾向于对进路讯号的含义进行主观解读，即点凭自身经验去推断前方轨道的实际状况，而非单纯、严格地服从讯号指示。速度讯号无需司机进行任何主观判断，其灯色显示直接授权列车以限制速度、低速、中速或最高允许速度通行，司机只需严格执行灯色对应的速度操作，无需过度掌握轨道布局与讯号配置的微观细节，从而有效减少因人为误判引致安全隐患的机会。

速度讯号在某些特定的复杂轨道布局下亦存在局限。例如当处于设有双线铁路末端对称道岔区且设有双向讯号防护，或是拥有三条以上轨道且交叉渡线同时向左右两侧分岔的多线并行区段时，即多个可能进路同时存在的情况下，速度讯号可能无法充分传达具体进路的资讯，司机知道应以某个速度通过道岔，但可能难以立即确认前方道岔开放方向，一旦并行轨道中的某一条存在局部限速，所有接近该分岔点的列车为了确保安全，都必须假定自己将被导引至该条实施限速的轨道上，因而不得不提早采取保守的减速制动。除此之外，因为速度讯号通常仅涵盖道岔联锁区内的动态限制速度，对于联锁区以外因轨道几何结构变更（如急弯或坡道）而设的固定限速，仍需结合传统的地面限速指示牌进行防护。

速度讯号模式起源于美国。美国铁路协会（ARA）于1915年采纳依路线允许速度分类的概念，从而推动北美铁路信号从传统进路讯号向速度讯号发展，并使多显示预告讯号系统在1920年代迅速普及，尤其在路网密度较高的美国东部。随后，澳洲部分地区、新西兰、加拿大等相继引进了美国式速度讯号，而欧洲大陆多数国家亦在1930年代从传统路线讯号转向速度讯号体系。伦敦、米德兰和苏格兰铁路（LMS）于1932年在西约郡地区安装了一套美国式速度讯号系统进行实验，使用色灯显示列车的进路以及对应速度，部分并结合了臂板讯号机的特点，透过改变臂板角度来显示三种预示信号，但最终未大规模采用。随着铁路讯号技术的发展，现代铁路系统已逐步将这两者进行融合，演变为兼具进路与速度提示的复合讯号系统。例如，某些大型枢纽车站的进站讯号机往往会加设进路显示，用作提前告知抵站列车将被导引至哪一个特定的月台，以便车务人员提早应变。部分传统的进路讯号系统，亦引入了如速度显示器等辅助组件，直接向司机表明当前进路的建议接近速度。

#### 预告讯号

地面讯号依据提供前方减速预告指示的控制原理，可分为“单区间讯号”与“多区间讯号”两大系统。在单区间讯号系统中，主体讯号机的灯色显示纯粹取决于其前方紧邻的一个闭塞区间是否清空，其本身无法为下一盏主体讯号机提供任何预告资讯。因此，每盏主体讯号机的前方必须在相隔一个标准制动距离的位置，专门设置一盏预告讯号机，用作提前向司机提示主体讯号机的显示状态。当线路的分区较短、未明显超越制动距离时，这盏预告讯号机通常会直接与后方的主体讯号机合并设置上，形成上下双灯头结构。

相较之下，多区间讯号系统则将主体讯号机的显示逻辑，与前方两个或更多个闭塞区间的状态相连锁。例如“双区间讯号”系统将预告资讯直接整合到主体讯号机的灯色之中，无需独立设置预告讯号机。由于双区间讯号与传统单区间讯号同样使用红、黄、绿三种基本灯色，因此两者在讯号工程上均归类为“三显示讯号”（Three-aspect signalling）。多区间讯号虽能有效提高铁路营运效率，但其闭塞分区的长度必须紧贴列车的制动距离。若在站间距离极长、闭塞分区较宽的铁路上采用多区间讯号，会导致预告资讯过早向司机发布，进而拉大后续列车的讯号追踪间隔并牺牲路线容量。因此，现代讯号系统通常会根据轨道区段的实际长度，弹性切换采用单区间或多区间讯号控制。

为了在维持安全制动距离的前提下，尽可能提高路线容量、进一步缩短讯号机设置间隔，部分繁忙铁路会引入“三区间讯号”，即“四显示讯号”（Four-aspect signalling）。此系统透过增加第四种讯号灯色（如双黄灯），用作提前两个区间预告司机准备在前方第二盏讯号机前停车，从而容许闭塞分区长度缩短至小于标准制动距离。在采用速度讯号体系的铁路中，类似的做法则透过“渐进式速度讯号”（Progressive speed signalling）来实现。当列车接近一盏显示红灯的讯号机时，沿途的多盏接近讯号机会透过多级别的动态速度灯色，引导列车在连续多个短分区内实施逐级减速。目的是确保列车在通过最后一盏接近讯号机时，其车速已被强制降至适当水平，从而保证列车能在最后一个极短的闭塞分区内安全停车。

## 列车防护系统

### 机械式列车停止装置

在现代的电子化列车超速防护系统普及前，部分铁路系统采用机械式列车停止装置（Train stop），用作迫使任何冒进红灯讯号的列车自动停车。该系统在轨道旁安装有与地面讯号机实施电气联锁的自动刹车臂（Tripcock）。当地面讯号呈现红灯险阻时，刹车臂的默认状态为向上竖起；此时若有列车强行越过讯号机，竖起的刹车臂便会撞击安装于列车转向架下方的起闸阀（Trip valve）并触发紧急制动。欧美早期地铁系统如伦敦地铁、纽约地铁等，皆曾经广泛采用这种由固定闭塞、地面讯号机与机械式列车停止装置构成的列车安全防护体系。

为了将这种技术扩展至对列车通过道岔时的速度控制，随后进一步发展出将车轮侦测器（或计轴器）与机械式列车停止装置结合的计时限速控制系统。该系统通常部署于车站联锁区的分岔进路前，在轨道特定距离内装设前后两组侦测器，当列车触发第一组侦测器时，系统内预设的时间继电器随即启动倒数。若列车以符合规定的安全速度或更慢的速度行驶，当其抵达前方第二组侦测器前已超过预设时间，联锁系统随即会放下自动刹车臂，容许列车不受干扰地通过；相反，若列车以高于道岔侧线限速行驶，便会在计时器尚未归零前抵达第二组侦测器，此时尚未解锁的列车停止装置便会对列车实施紧急制动。

这套方案的优点在于结构简单且能迅速部署，能有效防范列车在驶入道岔侧线时因司机疏忽而引致的超速脱轨事故。此类计时限速控制系统最常用于尽头式车站的进站进路，用作防止列车因司机疏忽而冲撞尽头的止冲挡。例如在1975年英国伦敦地铁发生伤亡严重的沼泽门地铁撞车事故后，便广泛在终点站引入了这种被命名为“沼泽门控制系统”（Moorgate Control）的计时限速安全装置。

### 列车自动警报及停车系统

机械式列车停止装置虽然能够在列车冒进信号时强制停车，但该系统没有预警功能，且无法提供警报让司机提前反应。1870年代，法国研发出鳄鱼式自动警报系统（Crocodile），这是最早实用化电气式列车自动警报系统，其原理是在轨道上设置金属条或后来的电磁装置，根据地面讯号状态带电或极性变化，与列车底下的感应装置接触，将地面讯号状态传入驾驶室并发出音效警报；司机须在短时间内按下确认按钮；若未确认则自动施加制动。到了20世纪，欧美多国各自发展出具有相似功能的列车自动警报及停车系统，例如德国自1930年代开始使用的感应式列车防护系统（Indusi），英国在1952年哈罗与威尔德斯通铁路事故后推广使用的列车自动警告系统（Automatic Warning System，AWS），以及日本国铁在1962年三河岛列车相撞事故后全面使用的列车自动停车系统（Automatic Train Stop，ATS）。

这类系统皆属于第一代的点式安全防护装置，其运作逻辑是透过地面感应装置，向列车传送限制性讯号或限速讯号，在驾驶室内响起连续的警报声以唤起司机注意，司机若未能在警报响起后的数秒内进行确认操作，系统便会强制切换为紧急制动状态。然而，这类警报系统在设计上具有一定的语意模糊性，系统无法针对红灯、黄灯、线路限速或平交道口等不同情况提供差异化的警报特征。此外，在司机执行警报确认后，系统便会解除对列车制动的控制，如果司机在确认警报后未能及时、正确地采取制动操作，系统依旧无法阻止超速或追撞事故的发生，这个缺陷驱使部分系统后来增加了速度监控功能，例如英国研发出列车防护及警报系统（TPWS）与AWS配搭使用，亦促成了日后更先进、具备连续式速度曲线防护的列车自动防护系统之发展（如ATS-P、LZB、TVM等）。

### 列车自动控制系统

列车自动控制系统（ATC）是现代铁路讯号系统的核心，承担着维持安全行车间隔、防止超速脱轨、断轨侦测、执行联锁规则、灾害警报以及工务安全防护等关键安全职能。在整体功能架构上，ATC系统整合了列车自动防护系统（ATP）、列车自动运行系统（ATO）与列车自动监控系统（ATS）三大子系统技术范畴。其中，作为列车运行安全基础的ATP负责执行联锁、轨道占用侦测、行车凭证与速度指令的强制防护；ATO则在ATP的安全框架下，负责自动控制列车的牵引与制动以实现站间自动驾驶、精确停车、月台倒数计时及车门控制；ATS则侧重于中央调度与动态管理，用作实时监控列车位置、自动或手动设定联锁进路、执行车务调整以维持时刻表。

自动列车防护系统（ATP）是主要功能是将地面发送的行车凭证与限速资讯即时传输至车载系统，一旦列车运行违反规则，系统便会自动触发制动动作。在配置地面讯号机的传统铁路上，ATP主要作为辅助防护手段，首要任务是防止列车冒进讯号；而在采用车载讯号的铁路系统中，ATP则直接扮演列车运行的核心控制角色，直接提供行车授权、速度曲线监控、列车定位与间隔防护等功能。根据车地之间数据传输形式的差异，ATP系统主要划分为“点式ATP”与“连续式ATP”两大技术流派。

点式ATP系统（Intermittent ATP）通常使用安装在轨道中央与讯号机连锁的应答器与列车间断地进行数据交换。此系统多作为地面讯号的附加防护，其运作逻辑是当列车接近红灯时，会在标准制动距离的起点接收到初始限制数据，车载电脑随即启动制动防护曲线。若司机未能及时减速，系统将强制实施紧急制动，确保列车能在讯号机后方的安全缓冲区内停下。然而，点式ATP最主要的缺点是列车仅能在驶经应答器时取得数据。一旦列车接收到前方减速或停车的指令，车载电脑便会执行该指令，直至驶过下一个应答器或完全停车为止。这意味着，即使前方区段的阻碍已提前消除、地面讯号机已重新开通为绿灯，但尚未行驶到下一个应答器的列车依然会执行原来的停车指令，从而引致非必要的非正常停车。因此，点式ATP系统普遍会在接近停车点前的适当位置，加装一个或多个中间补偿应答器（Intermediate balise），让列车得以提前更新行车凭证。

相较之下，连续式ATP系统（Continuous ATP）则实施不间断的车地双向数据通讯，这使其不仅具备防护功能，更能控制车载讯号的动态显示，从而取消对地面讯号机的依赖。其主流的连续传输技术包括轨道电路编码、漏泄馈线同轴电缆，以及当前最先进的蜂窝移动网络（如GSM-R、LTE-M、5G-R）配合应答器精准定位技术。在城市轨道交通（如地铁、捷运）领域，这种基于双向连续无线通讯且无需传统实体轨道占用侦测设备的连续式ATP，被进一步定义为“通讯式列车控制系统”（CBTC）。

欧洲各国历史上曾各自发展出五花八门的ATP系统，严重影响了跨境铁路运输的互通性，欧盟在1990年代推动欧洲列车控制系统（ETCS）的发展，作为统一的欧洲标准列车控制与保护系统。目前国际主流的ATP系统还有中国列车控制系统（CTCS）以及北美的主动列车控制系统（PTC）。

## 外部链接

- International Union of Railways （国际铁路联盟）
- Institution of Railway Signal Engineers（铁路信号工程师学会）
- IEEE Vehicle Technology Society（电机电子工程师学会车辆技术协会）
- OpenRailwayMap