1.1 背景
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1.2 目的和对象
本文对欧洲的ERTMS/ETCS 信号系统进行了整体描述，向所有对铁路信号项目感兴趣或参与其中的工程师介绍相关历史和技术发展情况。
2 铁路信号系统的历史
铁路信号系统是用于安全控制铁路交通的系统，主要是为了防止列车相撞。
所有的铁路安全系统，从第一条铁路诞生以来使用的系统，到现在使用的最先进的系统，都有一个共同的基本概念：
如果两个或两个以上列车在同一时间不能占用同一个区段，它们就不会相撞。
为此，铁路线路被划分为若干段，称为区段。在正常情况下，每条区段每次只允许有一列火车。
2.1 信号闭塞系统的发展历程
在十九世纪中叶（1850年），人类使用铁路的早期，信号工拿着秒表站在铁轨沿线，用手势通知火车司机，有列火车若干分钟前已通过。因此，如果前一列火车因某种原因停了下来，后一列火车的乘务员也无从得知（除非能清楚地看到）。因此，在铁路开通初期，事故频发。
在1900年时，铁路信号系统引入了信号灯。当火车即将通过时，信号灯落入水平位置（表示停止）。这种典型的信号灯如图5的第二张图所示。
随着电报机的发明，然后是电话的发明，车站的工作人员（火车调度员）就发出信息（先是铃铛上特定的响声，然后是电话），以确认火车已经通过，以及特定的区段终于安全了。
大约在1930年，引入了光学信号灯。整个系统被称为绝对闭塞系统或电话闭塞系统，如图1所示。
从20世纪30年代起，机械信号开始取代手势信号，半自动闭塞应运而生。
标准与以前的类似，但信号房之间的信息交换是通过电路和杠杆系统进行的，用杠杆系统发送请求和允许进入区段的信息。
现在的铁路信号系统是以自动闭塞为基础，不需要人工干预。
装备了电子自动闭塞信号系统或联锁的线路被分成若干段，长度不短于速度最快的列车的停车距离。
轨道电路系统就是用来检测特定区段是否有车辆存在或经过的。
2.1.1 轨道电路
轨道电路是一种定位设备，它向联锁提供安全信息，告知联锁在它“管辖”的范围内是否有一辆列车或一部分列车。直流轨道电路由William Robinson博士发明，并在1872年首次用在铁路上。轨道电路将铁轨划分成不同长度的区段，每个区段通过钢轨之间的绝缘节与相邻的区段隔离。轨道电路的工作原理是基于两个平行钢轨之间的电信号。火车的存在是通过车轮和火车轴提供的钢轨之间的电连接来检测的（轮对轨分流）。
轨道电路由两部分组成，发送端和接收端分别位于轨道区段的两端，每端都由钢轨上的绝缘节界定。绝缘节在相邻轨道之间提供电气绝缘。发送端电源连接到一端的铁轨上，而接收端（继电器）连接到另一端。
当没有列车时，轨道电路处于无人状态，电源提供的直流电由钢轨传给继电器，使其通电。继电器通电后，绿色信号灯亮（图2）。当列车占用该区段时，车轮和车轴将两根运行轨道短接，使电源短路，从而使通过继电器的电流降为零。这将导致继电器落下（图3），关闭绿色信号灯，打开红灯，以表明区段被火车占用。串联电阻是为了短路时保护电源。
为便于说明，这里描述的轨道电路已被简化。在实际应用中，继电器会有几组触点与附近轨道电路的其他继电器的触点组合连接，形成逻辑电路，用于控制信号装置。
即使是图3所示的简单形式，也可以注意到，任何导体的断裂或电路中的失电都会导致显示红色信号或根本没有信号。红色或 "黑灯 "信号必须始终被解释为停止指令。换句话说，所有信号系统的设计都是基于：只有当轨道电路提供正面的信息，表明前方安全的，才会显示绿色信号（意味着继续前进）。
2.1.2 计轴
另一种可以替代轨道电路的方法是采用 "签入/签出 "逻辑。简单地说，这种电路的原理是，一旦检测到或 "签入 "一个区段的列车，就认为该列车已位于该区段内，直到在相邻区段检测到该列车 "签出"。列车的存在只能在进入新区段时断断续续地被检测到。在轨道区段的每个边缘都安装了车轴计数器（图4），当区段入口处的车轴数与出口处的车轴数相同时，表示列车已通过该区段。
一个检测点由两个独立的耦合检测器组成；因此，该装置可以通过检测器的通过顺序来检测列车的方向。当列车通过该区段末尾的类似计数头时，计数器就会递减。如果净计数评估为零，则认为该区段没有第二辆列车。检测装置通过评估放置在每个轨道边的线圈之间的磁耦合变化来感应车轮。该系统由以下设备组成:
1. 一个用于检测列车车轮的传感器线圈；
2. 一个电子接线盒，用于信号调节和车轮计数；
3. 一个评估装置，用于比较进入轨道区段的车轮数量和离开区段的车轮数量。
由比较结果可得出区段的状态（区段清空或占用）。
2.3 ATP（自动列车防护）系统
在80年代初，欧洲引进了现代铁路信号系统，在持续监测列车速度的基础上提高铁路安全。这种系统被称为ATP（自动列车保护）。如今，所有保护司机和列车免受可能的超速或超过停车信号的自动系统都被称为ATP。
最初的ATP系统使用目标速度指示和声音警告，当列车通过红灯（危险）或超过速度限制时，向司机发出警告。在这些情况下，如果司机没有对警告作出反应，系统就会自动刹车。详细信息请参考[ATP的核心 -数据工程（The Core of ATP - Data Engineering），作者W. Kaiser, S. Nielson]。21世纪才诞生了ATC（自动列车控制）系统。ATC实现了ATO(自动列车操作)功能，可以在没有司机干预的情况下移动列车，实现了完全的无人驾驶系统。
2.3 安全制动曲线
ATP系统的关键原则之一是制动模型概念，这是一个适用于任何有约束导向的陆地车辆的数学模型。
它可以根据以下数据预测车辆的最大安全速度：
- 目标距离(路线上的潜在障碍物)
- 当前速度
- 车辆的物理特性
根据这些数据，可以计算出如图6所示的曲线。一旦知道了制动模式，就可以很容易地确定车辆可以行驶的最高速度是多少，从而使列车在目标点之前安全地停下来。
车载系统:
1）接收来自轨道旁的数据包，包含虚拟信号和沿线的速度限制。
2）具有瞬间绘制保护曲线的功能，并验证列车当前速度是否始终低于模型定义的最高速度。
如果列车的行驶速度高于最高速度，ATP系统就会进行自动制动干预，降低速度。
2.4 从欧洲各个国家的ATP到ERTMS/ETCS
多年来，欧洲根据不同的国家要求、技术标准和运行规则，开发和运行了很多不同的ATP系统。
这种不兼容的列车保护和控制系统的独立发展，阻碍了欧洲铁路网中轨道交通的跨境运行。
随着欧洲一体化的到来，有必要为欧盟国家的铁路网络的自由流动制定共同的规则。1989年12月，欧洲运输部长作出决定，在欧盟开始实施一个项目，分析与信号和列车控制有关的问题。1990年底，ERRI(欧洲铁路研究所)开始考虑开发一个共同的可互操作的ATP/ATC系统，该系统可在所有欧洲国家采用。这样，ERTMS/ETCS（或简称ETCS）被选为国际指挥控制和信号系统。由于这些标准化，从21世纪初开始，欧洲铁路网的互操作性得到了保证。
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