联锁

在铁路号志系统中，联锁（Interlocking）是一种号志装置的布置，用于防止列车在道岔或道口等轨道系统中发生冲突。在北美，一组信号装置和轨道联锁在一起，有时统称为联锁装置，或简称为联锁。联锁系统的设计使得除非所用线路被证明是安全的，否则不可能发出通行讯号。

1993 年，伊利诺伊州德斯普兰斯的 Deval 联锁塔和轨道

联锁是一种安全措施，旨在防止信号机和转辙器按不正确的顺序切换。例如，联锁可以防止号志机切换为指示分岔路线，除非对应的转辙器已先切换。在北美，铁路部门对联锁的官方定义是：“一种信号机和信号设备相互连接的结构，使其动作必须按照正确的顺序相继进行。”^[1]

配置和使用

板和杠杆联锁系统模型

最低限度的联锁系统由号志灯组成，但通常也会附加一些装置，例如道岔、面对点锁（Face point locks）和脱轨器，并且可能包括平面交叉口和可移动桥。联锁系统的一些基本原则包括：

• 不得操作号志以允许冲突的列车在设定的路线上同时运行。
• 在信号允许火车进入该路线之前，路线中的转辙器和其他设备必须正确“设定”（到位）。
• 一旦设定了路线，并向火车发出在该路线上行驶的信号，路线上的所有转辙器和其他可移动设备都会被锁定，直到
  • 火车驶出受影响的路线部分，或
  • 继续行驶的号志已撤回，且已过了足够的时间以确保驶近该路线的列车有机会在通过号志前停下来。

历史

铁路联锁技术起源于英国，并在当地获得了多项专利。 1856 年 6 月，约翰·萨克斯比（John Saxby）获得了第一项联锁转辙器和讯号专利^[2][3]:23-24。1868 年，萨克斯比（隶属 Saxby & Farmer 公司^[4]）获得如今在北美被称为“预锁闩锁”（Preliminary latch locking）的专利^[5][6] 。预锁闩锁技术非常成功，到 1873 年，光是伦敦和西北铁路就使用了 13,000 个机械锁定杆^[6][7]。

美国首次机械联锁实验于 1875 年由 J. M. Toucey （图西）和威廉·布坎南在纽约、纽约中央铁路和哈德逊河铁路公司的斯派滕戴维尔（Spuyten Duyvil）枢纽站进行^[6][7][8]。当时，图西是该公司的总监，布坎南是机械总监。 1878 年，图西和布坎南在宾夕法尼亚州哈里斯堡成立了图西和布坎南联锁道岔和信号公司。他们的机制首次重要安装在 1877-78 年的曼哈顿高架铁路公司和纽约高架铁路公司的道岔和号志上^[6]。与萨克斯比的设计相比，图西和布坎南的联锁机制更笨重又不够先进，因此没有广泛应用^[8]。1882年，联合转辙器与讯号公司收购了图西和布坎南的公司^[8]。

随著技术的进步，铁路号志产业希望将新技术融入联锁装置，以提高路线设定速度、单点控制的设备数量，并扩大从控制点操作相同设备的距离。讯号产业面临的挑战是达到纯机械系统所固有的安全性和可靠性水准。 1884 年，在新泽西州邦德布鲁克，费城和雷丁铁路、以及利哈伊（Lehigh）谷铁路的交汇处安装了实验性的液压气动^[9]联锁装置^[6][7]。到 1891年，已有六条铁路安装了液压气动装置，已安装的装置达到 18 座，它们共控制 482 个杠杆^[6] 。这些装置虽然运作正常，但设计有严重缺陷，几乎没能节省劳力。

1891年，液压气动系统的发明者们发展了电动气动系统。该系统以联合转辙器与号志公司最为知名，首次安装在芝加哥和北太平洋铁路横跨芝加哥河的单叶上开桥上^[7]。到1900年，北美13条铁路上共使用了54组电动气动联锁装置，控制著1864个联锁杆。尽管该系统存在额外需要一次性设备且维护成本高昂的缺点，但它仍是未来两种可行的竞争系统之一^[7]。

1894年，奥地利的西门子在普热罗夫（今捷克共和国）安装了第一个使用电动马达移动道岔和信号机的联锁系统^[10]。1896 年，另一个此类联锁系统在柏林的韦斯特恩德（Westend）安装^[11]。在北美，第一个使用电动转辙机的联锁系统是 1901 年在威斯康辛州欧克莱尔的芝加哥、圣保罗、明尼阿波利斯和奥马哈铁路上安装的，由通用铁路信号公司（GRS，现为阿尔斯通的一个部门，总部位于巴黎附近的勒瓦卢瓦-佩雷）安装^[7]。到 1913 年，这种系统已经安装在美国 35 个州和加拿大各省的 83 条铁路上，共有 440 个联锁装置，使用了 21,370 个杠杆^[6]。

联锁类型

联锁装置可分为机械式联锁装置、电气联锁装置（机电联锁装置或继电器联锁装置）或电子联锁装置/电脑联锁装置。

机械联锁

伊利诺伊州德斯普兰斯市 Deval 联锁塔内的锁定底座

在机械联锁装置中，会建构一个由钢条构成网格的锁定底座。用于操作道岔、脱轨装置、讯号装置或其他设备的杠杆连接到这些单向运作的钢条。这些钢条的结构设计使得，如果某个杠杆控制的功能与另一个杠杆控制的功能发生冲突，则会在两个钢条之间的交叉锁定中建立机械干扰，从而阻止冲突杠杆的移动。

在纯机械联锁设备中，杠杆透过机械杆或电线连接直接操作现场设备，例如讯号装置。杠杆高度大约与肩部齐平，因为它们必须为操作员提供机械优势。杠杆采用交叉锁定，以确保额外的杠杆作用无法破坏锁定（预锁闩）。

第一个机械联锁装置于 1843 年在英国伦敦的 Bricklayers Arms Junction 安装^[12]:7。

机电联锁

电力联锁装置也可以使用机械锁定来确保杠杆的正确排序，但杠杆体积要小得多，因为它们本身并不会直接控制现场设备。如果杠杆可以根据锁定底座自由移动，杠杆上的接点将触发电动或电动气动操作的转辙器和讯号。在将控制杠杆移动到释放其他杠杆的位置之前，必须从现场元件接收到已实际移动到请求位置的讯号。右图图示的锁定底座适用于 GRS 电力联锁机。

中国大陆广泛使用6502电气集中联锁系统。

继电器联锁

使用微型插入式继电器进行继电器联锁的一部分

纯电气联锁（有时也称为全电气联锁）由复杂的电路组成，这些电路由按继电器逻辑排列的继电器组成，用于确定每个信号设备的状态或位置。当设备运作时，其位置的变化会断开一些电路，从而锁定与新位置冲突的其他设备。同样，当它们控制的设备恢复安全操作时，其他电路也会闭合。由于铁路号志设备的特殊性和故障安全设计，它们往往很昂贵。

仅由电路操作的联锁装置可以本地或远端操作，先前系统中的大型机械杆已被面板或视讯介面上的按钮、转辙器或拨动转辙器取代。此类联锁装置也可设计为无需人工操作。这些装置称为自动联锁装置，只要没有冲突的列车进站，列车就会自动设定自己的进站路线。

GRS于1929年制造了第一个全继电器联锁系统。该系统安装在内布拉斯加州林肯的芝加哥、伯灵顿和昆西铁路上^[12]:18。

US&S 继电器联锁控制面板

入口-出口联锁（Entrance-Exit Interlocking，简称 NX）是第一代基于继电器的调度集中系统联锁系统的原始品牌名称，该系统由 GRS ^[13]（欧洲的代表是Metropolitan-Vickers）于 1936 年推出。全电气联锁技术的出现使路线设定程序更加自动化，而无需操作员手动划定路线的每个部分。NX 系统可让操作员查看复杂交叉路口的图表，只需按下已知入口轨道上的一个按钮和所需出口轨道上的另一个按钮即可。逻辑电路处理所有必要的操作，命令底层继电器联锁设定讯号并按正确顺序切换转辙器，从而根据需要通过联锁设备提供有效的路线。首个 NX 系统安装于 1937 年，位于英国利物浦、柴郡线上的布伦瑞克站。美国首次安装该装置是在 1937 年位于俄亥俄州吉拉德（Girard Junction）枢纽的纽约中央铁路上^[12]:18。 纽约中央铁路另一个 NX 装置位于纽约州尤蒂卡和纽约州罗彻斯特之间的主干线上，此后很快又于 1948 年在纽约市地铁的IND福尔顿街线上安装了三台该装置^[14][15]。

其他铁路号志供应商也实施了 NX 型系统。例如，“联合线路”（Union Route）是联合道岔与号志公司（US&S）于 1951 年推出的同类系统的品牌名称^[16]。 NX 型系统及其昂贵的预固态控制逻辑往往只安装在较为繁忙或较为复杂的终点站区域，以增加容量并减少人员需求。在欧洲流行的做法是，将整个区域的讯号传输压缩到一个大型电力信号箱中，在操作员区域设置一个控制面板，在下面的楼层设置一个相当于电话机房的地方，将重要的继电器联锁逻辑和非重要的控制逻辑集中在一个地方。这种先进的方案还包括列车描述和列车追踪技术。在远离复杂终点站的地方，单元杆控制系统一直很受欢迎，直到 1980 年代，固态联锁和控制系统开始取代所有类型的老式继电器装置。

电子联锁

基于电脑的现代电子联锁控制

现代联锁装置（自 1980 年代末安装的联锁装置）一般都是固态的，其中继电器的有线网路被在专用控制硬体上运行的软体逻辑所取代^[3]:84。 事实上，逻辑是由软体而不是硬接线电路实现的，这极大地方便了在需要时透过重新编程而不是重新接线进行修改。在许多实作中，这种重要逻辑储存为韧体或ROM，这些韧体或 ROM 不易被更改，以抵抗不安全的修改并满足监管安全测试要求。随著显示技术的改进，硬接线实体电路设备可以透过可视显示单元（电脑显示器）进行更新，这使得现场设备的变化可以在不进行任何硬体修改的情况下显示给信号员。

“固态联锁”（SSI）是第一代基于微处理器的联锁系统的行业品牌，该系统由英国铁路公司、英国通用电气公司 - 通用信号和西屋信号有限公司于1980年代开发。第二代基于处理器的联锁系统被称为“基于电脑的联锁”（CBI）^[17]，例如VPI（通用铁路信号公司，现为阿尔斯通公司的商标）、 MicroLok （联合转辙器与信号公司，现为日立轨道STS公司的商标）、Westlock和Westrace（Invensys铁路公司，现为西门子的商标）、Smartlock （阿尔斯通的商标）以及 EBI Lock（庞巴迪运输公司的商标）。

锁定形式的定义

根据美国铁路协会，锁定形式的定义如下^[18]：

电动锁

“一个或多个电锁或控制电路的组合，透过该组合，联锁机中的杠杆、转辙器或其他与讯号和联锁相关操作的装置，可防止其在特定条件下被操作。”

部分锁定

“当列车位于某条线路的某一特定区段时，电动锁定装置有效，并适用于防止列车在该区段内被人为操纵，以免危及列车安全。”

路线锁定

“当列车通过信号机时，电动锁定装置生效，用于防止在列车进入进路范围内时，操纵杆造成危险。”

分段路线锁定

“进路锁定的布置方式是，列车在通过进路的每个区段时，都会解除影响该区段的锁定。”

进场锁定

“当列车接近为其设定的通行讯号时，电动锁定装置生效，并适用于防止操纵杆或装置危及列车安全。”

斗杆锁定

“电动锁定装置在列车通行讯号设定后生效，由经过的列车释放，用于防止操纵杆造成对接近列车的危险。”

指示锁定

“电动锁用于防止任何可能导致不安全状况的操纵杆操作，以防信号灯、转辙器或其他操作装置未能做出与操作杆动作相对应的动作；或用于直接防止一个装置在先操作的另一个装置未能做出所需的动作时被操作。”

检查锁定 / 交通锁定

“电动锁闭装置可强制两个相邻联锁站的操作员之间进行协作，以防止控制同一轨道的相反讯号同时运作。此外，在信号清除并被列车接受后，检查锁闭装置可防止相邻联锁站的相反信号在列车通过该联锁站之前被清除。”

完全和不完全联锁

联锁允许列车使用道岔和一系列道岔从一条轨道跨越到另一条轨道。铁路术语根据可用的移动方式将以下联锁类型定义为完全联锁或不完全联锁。虽然列车时刻表通常不会将联锁类型确定为完全联锁或不完全联锁，规则手册也没有对这些术语进行定义，但以下术语通常是系统工作人员和规则官员所认可的。

完全联锁

允许从联锁一侧的任意轨道连续移动到另一侧的任意轨道，而无需在联锁限制范围内进行反向移动。即使两侧轨道数量不同，或联锁有多条轨道，也是如此。

不完全联锁

不允许上述动作。不完整联锁中的动作可能受到限制，甚至可能需要反向动作才能实现所需的路线。