这个问题下的一些回答因为我国铁路发展史的跳跃性所以内容有些局限,我以我的角度大概阐述一下。。

目前检测列车位置的方式主要基于四种设备:轨道电路、计轴器、踏板以及列车通过应答器自动定位,轨道电路1864年英国人发明,记轴器基于踏板演化而来,1915年由瑞士人发明。前三种主要的定位装置都是在计算机发明之前就存在的,而应答器定位是基于CBTC方式由列车自己读取应答器里面的定位数据然后通过无线电向列控中心报道的方式进行,这种方式出现于80年代中期,算是计算机应用下的铁路系统,然而直到现在也是主要在地铁中使用,未来十年会在通勤铁路上开始大量应用,干线运输估计还要再等吧(欧洲已经要开始搞第一条ETCS3干线了,但是列车完整性检测暂时还是基于轨道电路的)。

所以一个世纪以来,铁路列车的定位方式并没有发生颠覆性的变化,不管计算机是否出现,改变的都只是背后处理保障安全运行的组织形式和维护成本。

具体谈论第一个子问题的时候,需要将情况分为两种讨论:车站或者区间,其中线路上的所有道岔都设置在车站里面,区间不存在道岔。

最初保障列车安全运行的是区间行车制,两个车站之间为一个区间,出于系统成本的考虑,在有的线路上,列车进入区间之后列车的具体位置调度和车站有可能是不知道的,只知道列车在这个区间里面。这一点只要不是CBTC系统,不管采用的是什么调度技术,至今都是没有太大改变的。即使现在有些铁路公司采用GPS作为辅助定位手段,但是最终调度的判据还是来自信号设备自身,因为除了列车定位外,更重要的是确认列车是完整的。

A. 在最初的区间行车制下,考虑到列车的制动距离远远长于目视距离,那么需要保证的原则是任何时刻区间里面都只有一列列车。如果区间是单线,那么比如上行列车离开起点车站之后,那么这个区间里面就不能放其他列车进来了,当上行列车到达目的站后,目的站要确认上行列车是完整的,然后可以放一列反方向的下行列车进入区间,当下行列车到达其目的地后,下行列车的目的地车站,也就是上行列车的起点站,可以继续放一个上行列车到区间里面。这样做可以确保列车之间不发生事故。但是这样做的缺点很明显,就是上下行的列车数量是需要绝对平衡的。如果某一个时刻某一个方向的列车比另外一个方向更多的话,那么就只能采用时间间隔法,就是在间隔X时间后,(X大致等于前车通过这个区间需要的时间),往同一方向放入第二列列车。然而这样的做法存在危险性,表现在目视条件很差,比如大雾或者弯道的情况下,如果前方列车没有按照预期离开区间,甚至停在区间里面之后,就有可能发生追尾(723实际上属于这类)。后来电话和电报被应用到铁路中,列车到达目的站之后,目的站在确认列车完整之后,用电话通知列车的出发站,并且不往反方向放入列车之后,出发站就可以安全地放另外一列车进入区间,这是空间间隔法最初的原型。

然而如果两站车站的距离很长,以上两种行车方法对于线路的资源浪费也是很明显的,解决这个问题的一个简单方式就是在区间里面设置没有道岔的中间站将区间细分,这类车站称为线路所(的一种)。如果线路在复线上,并且只有正线而没有道岔,这个线路的存在就是单纯为了提高线路容量而设置的。在轨道电路和记轴器出现后,由于这两种设备可以在逻辑上检测出列车在某一段轨道上的进入和离开,这类线路所就被相关的技术手段取代了。这个时候就产生了自动闭塞行车法。其原理是按照列车既定的制动能力,以轨道电路或者记轴器的方式在线路上划分闭塞区间, 在轨道电路或者记轴器之间用继电器或者其他逻辑设备连接,然后将这个逻辑设备的输出连接到信号机上,这样就把一个区间细分为了N个子区间,称作闭塞区间,在这个过组织形式下,只要保证信号机上面的显示和列车实际的位置之间的关系是可靠的,在确保一个闭塞区间里面最多只存在一列车,并且整个区间里面的列车都是同向的前提下,就可以不需要人工干预进行安全的列车追踪运行。这套方法从出现以来一直使用到今天,基本原理没有因为计算机出现的改变。在有的(很多)情况下,因为成本控制的原因,区间设备之间是独自运作的,和车站之间没有建立完整的关联,调度人员未必掌握列车在区间中的确切运行位置。

B. 如果把这样的闭塞区间继续细分,使其长度接近甚至短于列车本身的长度,那么就有可能让列车之间更加靠近。然而现实的问题是,信号机可以显示的内容是有限的,增加的区间数量会导致无法设计出能够快速理解的信号表示,而车载计算机和调制信号的引入解决了这个问题。最初在完全继电器的情况下,一台红黄绿区间信号机可以给出大约五到六个区间空闲的信息,之后60年代工程师在轨道边上设置调制信号发射装置,通过钢轨和车轮将调制信号发射到列车内显示,此时能够表示的空间曲线数量取决于调制信号的种类,在最初采用模拟调制信号的系统中,可以表示的区间数量大约上升到了十个左右,在80年代末出现了采用数字调制信号,一下子将可以发送的信息数量和总类大大扩展,在这个前提下,将报文中增加线路相关的信息比如坡度,通过新增的车载计算机,让列车可以自己计算安全的运行速度,将这种速度报告给列车司机,这种技术就叫单次连续制动曲线列车行车保护。在固定划分闭塞区间的情况下,这种列车间隔方式到达了极限的性能。如果闭塞区间很短,配合以上的技术可以实现准移动闭塞。

然而如果把这个上面这个系统进行简化,线路上隔一段距离安装一个信号发射装置,直接告诉列车这个固定点的位置,然后列车对当前速度进行积分计算就可以自己得到目前列车的位置,通过无线电方式向列控中心报告自己的位置(这个位置是带误差限的),而列控中心实时向该列车的后续列车转发这个位置,结合线路坡度信息,后续列车就同样可以实现安全地追踪前方列车运行,这种技术就叫CBTC。

事实上前文所诉,区间中运行的情况中,A部分内容的最后部分是目前很普遍的现状,并没有太多计算机介入,而B部分内容最后的CBTC和计算机技术紧密相关

这个问题实在太大,我先歇一歇。。。

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继续回答

上面说了区间,现在说车站。

技术意义上的车站不止有上下乘客或者货物或者编组场,只要是有道岔,就算一个车站,因为道岔是需要操作的,那么就需要有人管着。

铁路上道岔的位置很重要,因为列车往哪里开取决于道岔的位置,如果道岔开错了,轻则列车走错方向,重了就是各种重口味了。。追尾、相撞、把对面列车拦腰截断或者开到没轨道的地方。。。所以所有道岔都会用一个信号机保护起来,调度说列车可以越过信号机列车才可以去压道岔。这种信号机和道岔位置之间的关系叫做联锁。回到具体业务下,在车站里面从一个信号机到另外一个信号机走的路叫做进路,一个进路里面包含了所有需要通过的道岔的位置,以及一些相关的不通过的但是可以防止其他道列车冲进来的道岔的位置,而进路的建立除了检查进路上有没有其他列车,进路附近有没有反向的列车,还有就是检查这些道岔是否可以移动到进路指定的位置。进路建立好后还要保证这些道岔的位置是锁定的,不会被其他的因素所影响。所以一个车站里面的进路管理就是一些逻辑的管理,我们称作车站联锁。

最初联锁是不存在的,在没有联锁的线路上,道岔直接通过扳道杆控制,就是那种抗战电影里面那种,抗日英雄把道岔一板,鬼子的列车就开到沟里面了。这是在中国的情况,但是在世界范围里面,信号联锁在19世纪就有了,在联锁的情况下,道岔是没单独法直接移动的,必须通过联锁系统操作才可以。最初的形式很简单,如果几个道岔之间是互斥的,那么就在这几个道岔的扳道杆上加上一样的锁。后来在19世纪50年代出现了用机械方式实现的联锁,并且在当时,联锁系统的操作杠杆是直接和道岔相连的,所以最初的车站联锁设备既大又笨重。后来出现了用流体实现逻辑运算以及杠杆的液力式联锁,以及用电动机驱动道岔的机电式联锁(其运算机构相比直接操作道岔的纯机械联锁较小,但原理是一样的)。在进入电气时代之后,先后出现了电气锁控制的机械联锁(用电气锁锁定扳道杆),以及完全用继电器实现联锁逻辑和联锁操作的继电器联锁。在80年代,英国第一次出现了用计算机程序控制的联锁系统,既计算机联锁。从机械联锁到计算机联锁整个发展速度是相当快的,整个系统的体积不断缩小,实现的联锁关系确越来越复杂,可靠性也越来越高,而工人的工作环境也是翻天覆地的变化。在计算机联锁被发明出来之后,很快出现了将联锁系统和调度运行系统完全整合在一起的列控中心,整个铁路运行从分散自治向集中控制转变,以前列车的运行需要列车当地的车站调度直接进行,而在一些大的车站,由于道岔太多,需要好几个信号楼分管不同的区域,而现在一个列控中心可以监控调度上千公里的一整条线,我曾经参观过法国的国家铁路运行中心,里面可以直接监控整个路网上的任意列车。所以计算机引入铁路系统,对于车站和行车调度来说影响是非常巨大的。

几点

最后说说时刻表和排图,这个相对简单,以前排图都是用人工计算搞定的,很多车迷都研究过时刻表的经验公式,启停附加时间什么的。在欧洲曾经有过专门用于排图计算的机械式牵引计算机。自80年代起开始就有铁路企业开始尝试用计算机进行列车运行图的计算。事实上这一块已经相当成熟,在欧洲基本上所有的运行图都是由计算机计算搞定的,排完之后还可以直接拿去仿真一下,仿真的时候还可以加入晚点事故等因素,搞一些备案之类的。比较有意思的是对于晚点,调度们希望搞一些软件,可以直接用来取得在晚点情况下最快恢复运行,或者最小代价恢复运行的较优解甚至是最优解,这个完全就是计算性能和数学建模的比拼了。

现在业界最流行的就是工业4.0,事实上未来的趋势就是数据整合,数字连续性,在信号和调度还有运行基础数据都数字化的情况下,自然而然就是把所有的数据整合在一起,规划好的列车运行图自动整合进信号系统,由计算机进行自动调度,这样的系统,我们称之为ATO,自动列车运行系统。

然而最早上线运行的ATO,用的其实是全模拟方式实现的。(逃。。。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:知乎用户(登录查看详情)

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