聯鎖

在鐵路號誌系統中，聯鎖（Interlocking）是一種號誌裝置的佈置，用於防止列車在道岔或道口等軌道系統中發生衝突。在北美，一組信號裝置和軌道聯鎖在一起，有時統稱為聯鎖裝置，或簡稱為聯鎖。聯鎖系統的設計使得除非所用線路被證明是安全的，否則不可能發出通行訊號。

1993 年，伊利諾伊州德斯普蘭斯的 Deval 聯鎖塔和軌道

聯鎖是一種安全措施，旨在防止信號機和轉轍器按不正確的順序切換。例如，聯鎖可以防止號誌機切換為指示分岔路線，除非對應的轉轍器已先切換。在北美，鐵路部門對聯鎖的官方定義是：「一種信號機和信號設備相互連接的結構，使其動作必須按照正確的順序相繼進行。」^[1]

配置和使用

板和槓桿聯鎖系統模型

最低限度的聯鎖系統由號誌燈組成，但通常也會附加一些裝置，例如道岔、面對點鎖（Face point locks）和脫軌器，並且可能包括平面交叉口和可移動橋。聯鎖系統的一些基本原則包括：

• 不得操作號誌以允許衝突的列車在設定的路線上同時運行。
• 在信號允許火車進入該路線之前，路線中的轉轍器和其他設備必須正確「設定」（到位）。
• 一旦設定了路線，並向火車發出在該路線上行駛的信號，路線上的所有轉轍器和其他可移動設備都會被鎖定，直到
  • 火車駛出受影響的路線部分，或
  • 繼續行駛的號誌已撤回，且已過了足夠的時間以確保駛近該路線的列車有機會在通過號誌前停下來。

歷史

鐵路聯鎖技術起源於英國，並在當地獲得了多項專利。 1856 年 6 月，約翰·薩克斯比（John Saxby）獲得了第一項聯鎖轉轍器和訊號專利^[2][3]:23-24。1868 年，薩克斯比（隸屬 Saxby & Farmer 公司^[4]）獲得如今在北美被稱為「預鎖閂鎖」（Preliminary latch locking）的專利^[5][6] 。預鎖閂鎖技術非常成功，到 1873 年，光是倫敦和西北鐵路就使用了 13,000 個機械鎖定桿^[6][7]。

美國首次機械聯鎖實驗於 1875 年由 J. M. Toucey （圖西）和威廉·布坎南在紐約、紐約中央鐵路和哈德遜河鐵路公司的斯派滕戴維爾（Spuyten Duyvil）樞紐站進行^[6][7][8]。當時，圖西是該公司的總監，布坎南是機械總監。 1878 年，圖西和布坎南在賓夕法尼亞州哈里斯堡成立了圖西和布坎南聯鎖道岔和信號公司。他們的機制首次重要安裝在 1877-78 年的曼哈頓高架鐵路公司和紐約高架鐵路公司的道岔和號誌上^[6]。與薩克斯比的設計相比，圖西和布坎南的聯鎖機制更笨重又不夠先進，因此沒有廣泛應用^[8]。1882年，聯合轉轍器與訊號公司收購了圖西和布坎南的公司^[8]。

隨著技術的進步，鐵路號誌產業希望將新技術融入聯鎖裝置，以提高路線設定速度、單點控制的設備數量，並擴大從控制點操作相同設備的距離。訊號產業面臨的挑戰是達到純機械系統所固有的安全性和可靠性水準。 1884 年，在新澤西州邦德布魯克，費城和雷丁鐵路、以及利哈伊（Lehigh）谷鐵路的交匯處安裝了實驗性的液壓氣動^[9]聯鎖裝置^[6][7]。到 1891年，已有六條鐵路安裝了液壓氣動裝置，已安裝的裝置達到 18 座，它們共控制 482 個槓桿^[6] 。這些裝置雖然運作正常，但設計有嚴重缺陷，幾乎沒能節省勞力。

1891年，液壓氣動系統的發明者們發展了電動氣動系統。該系統以聯合轉轍器與號誌公司最為知名，首次安裝在芝加哥和北太平洋鐵路橫跨芝加哥河的單葉上開橋上^[7]。到1900年，北美13條鐵路上共使用了54組電動氣動聯鎖裝置，控制著1864個聯鎖桿。儘管該系統存在額外需要一次性設備且維護成本高昂的缺點，但它仍是未來兩種可行的競爭系統之一^[7]。

1894年，奧地利的西門子在普熱羅夫（今捷克共和國）安裝了第一個使用電動馬達移動道岔和信號機的聯鎖系統^[10]。1896 年，另一個此類聯鎖系統在柏林的韋斯特恩德（Westend）安裝^[11]。在北美，第一個使用電動轉轍機的聯鎖系統是 1901 年在威斯康辛州歐克萊爾的芝加哥、聖保羅、明尼阿波利斯和奧馬哈鐵路上安裝的，由通用鐵路信號公司（GRS，現為阿爾斯通的一個部門，總部位於巴黎附近的勒瓦盧瓦-佩雷）安裝^[7]。到 1913 年，這種系統已經安裝在美國 35 個州和加拿大各省的 83 條鐵路上，共有 440 個聯鎖裝置，使用了 21,370 個槓桿^[6]。

聯鎖類型

聯鎖裝置可分為機械式聯鎖裝置、電氣聯鎖裝置（機電聯鎖裝置或繼電器聯鎖裝置）或電子聯鎖裝置/電腦聯鎖裝置。

機械聯鎖

伊利諾伊州德斯普蘭斯市 Deval 聯鎖塔內的鎖定底座

在機械聯鎖裝置中，會建構一個由鋼條構成網格的鎖定底座。用於操作道岔、脫軌裝置、訊號裝置或其他設備的槓桿連接到這些單向運作的鋼條。這些鋼條的結構設計使得，如果某個槓桿控制的功能與另一個槓桿控制的功能發生衝突，則會在兩個鋼條之間的交叉鎖定中建立機械干擾，從而阻止衝突槓桿的移動。

在純機械聯鎖設備中，槓桿透過機械桿或電線連接直接操作現場設備，例如訊號裝置。槓桿高度大約與肩部齊平，因為它們必須為操作員提供機械優勢。槓桿採用交叉鎖定，以確保額外的槓桿作用無法破壞鎖定（預鎖閂）。

第一個機械聯鎖裝置於 1843 年在英國倫敦的 Bricklayers Arms Junction 安裝^[12]:7。

機電聯鎖

電力聯鎖裝置也可以使用機械鎖定來確保槓桿的正確排序，但槓桿體積要小得多，因為它們本身並不會直接控制現場設備。如果槓桿可以根據鎖定底座自由移動，槓桿上的接點將觸發電動或電動氣動操作的轉轍器和訊號。在將控制槓桿移動到釋放其他槓桿的位置之前，必須從現場元件接收到已實際移動到請求位置的訊號。右圖圖示的鎖定底座適用於 GRS 電力聯鎖機。

中國大陸廣泛使用6502電氣集中聯鎖系統。

繼電器聯鎖

使用微型插入式繼電器進行繼電器聯鎖的一部分

純電氣聯鎖（有時也稱為全電氣聯鎖）由複雜的電路組成，這些電路由按繼電器邏輯排列的繼電器組成，用於確定每個信號設備的狀態或位置。當設備運作時，其位置的變化會斷開一些電路，從而鎖定與新位置衝突的其他設備。同樣，當它們控制的設備恢復安全操作時，其他電路也會閉合。由於鐵路號誌設備的特殊性和故障安全設計，它們往往很昂貴。

僅由電路操作的聯鎖裝置可以本地或遠端操作，先前系統中的大型機械桿已被面板或視訊介面上的按鈕、轉轍器或撥動轉轍器取代。此類聯鎖裝置也可設計為無需人工操作。這些裝置稱為自動聯鎖裝置，只要沒有衝突的列車進站，列車就會自動設定自己的進站路線。

GRS於1929年製造了第一個全繼電器聯鎖系統。該系統安裝在內布拉斯加州林肯的芝加哥、伯靈頓和昆西鐵路上^[12]:18。

US&S 繼電器聯鎖控制面板

入口-出口聯鎖（Entrance-Exit Interlocking，簡稱 NX）是第一代基於繼電器的調度集中系統聯鎖系統的原始品牌名稱，該系統由 GRS ^[13]（歐洲的代表是Metropolitan-Vickers）於 1936 年推出。全電氣聯鎖技術的出現使路線設定程序更加自動化，而無需操作員手動劃定路線的每個部分。NX 系統可讓操作員查看複雜交叉路口的圖表，只需按下已知入口軌道上的一個按鈕和所需出口軌道上的另一個按鈕即可。邏輯電路處理所有必要的操作，命令底層繼電器聯鎖設定訊號並按正確順序切換轉轍器，從而根據需要通過聯鎖設備提供有效的路線。首個 NX 系統安裝於 1937 年，位於英國利物浦、柴郡線上的布倫瑞克站。美國首次安裝該裝置是在 1937 年位於俄亥俄州吉拉德（Girard Junction）樞紐的紐約中央鐵路上^[12]:18。 紐約中央鐵路另一個 NX 裝置位於紐約州尤蒂卡和紐約州羅徹斯特之間的主幹線上，此後很快又於 1948 年在紐約市地鐵的IND福爾頓街線上安裝了三台該裝置^[14][15]。

其他鐵路號誌供應商也實施了 NX 型系統。例如，「聯合線路」（Union Route）是聯合道岔與號誌公司（US&S）於 1951 年推出的同類系統的品牌名稱^[16]。 NX 型系統及其昂貴的預固態控制邏輯往往只安裝在較為繁忙或較為複雜的終點站區域，以增加容量並減少人員需求。在歐洲流行的做法是，將整個區域的訊號傳輸壓縮到一個大型電力信號箱中，在操作員區域設置一個控制面板，在下面的樓層設置一個相當於電話機房的地方，將重要的繼電器聯鎖邏輯和非重要的控制邏輯集中在一個地方。這種先進的方案還包括列車描述和列車追蹤技術。在遠離複雜終點站的地方，單元桿控制系統一直很受歡迎，直到 1980 年代，固態聯鎖和控制系統開始取代所有類型的老式繼電器裝置。

電子聯鎖

基於電腦的現代電子聯鎖控制

現代聯鎖裝置（自 1980 年代末安裝的聯鎖裝置）一般都是固態的，其中繼電器的有線網路被在專用控制硬體上運行的軟體邏輯所取代^[3]:84。 事實上，邏輯是由軟體而不是硬接線電路實現的，這極大地方便了在需要時透過重新編程而不是重新接線進行修改。在許多實作中，這種重要邏輯儲存為韌體或ROM，這些韌體或 ROM 不易被更改，以抵抗不安全的修改並滿足監管安全測試要求。隨著顯示技術的改進，硬接線實體電路設備可以透過可視顯示單元（電腦顯示器）進行更新，這使得現場設備的變化可以在不進行任何硬體修改的情況下顯示給信號員。

「固態聯鎖」（SSI）是第一代基於微處理器的聯鎖系統的行業品牌，該系統由英國鐵路公司、英國通用電氣公司 - 通用信號和西屋信號有限公司於1980年代開發。第二代基於處理器的聯鎖系統被稱為「基於電腦的聯鎖」（CBI）^[17]，例如VPI（通用鐵路信號公司，現為阿爾斯通公司的商標）、 MicroLok （聯合轉轍器與信號公司，現為日立軌道STS公司的商標）、Westlock和Westrace（Invensys鐵路公司，現為西門子的商標）、Smartlock （阿爾斯通的商標）以及 EBI Lock（龐巴迪運輸公司的商標）。

鎖定形式的定義

根據美國鐵路協會，鎖定形式的定義如下^[18]：

電動鎖

「一個或多個電鎖或控制電路的組合，透過該組合，聯鎖機中的槓桿、轉轍器或其他與訊號和聯鎖相關操作的裝置，可防止其在特定條件下被操作。」

部分鎖定

「當列車位於某條線路的某一特定區段時，電動鎖定裝置有效，並適用於防止列車在該區段內被人為操縱，以免危及列車安全。」

路線鎖定

「當列車通過信號機時，電動鎖定裝置生效，用於防止在列車進入進路範圍內時，操縱桿造成危險。」

分段路線鎖定

「進路鎖定的佈置方式是，列車在通過進路的每個區段時，都會解除影響該區段的鎖定。」

進場鎖定

「當列車接近為其設定的通行訊號時，電動鎖定裝置生效，並適用於防止操縱桿或裝置危及列車安全。」

鬥桿鎖定

「電動鎖定裝置在列車通行訊號設定後生效，由經過的列車釋放，用於防止操縱桿造成對接近列車的危險。」

指示鎖定

「電動鎖用於防止任何可能導致不安全狀況的操縱桿操作，以防信號燈、轉轍器或其他操作裝置未能做出與操作桿動作相對應的動作；或用於直接防止一個裝置在先操作的另一個裝置未能做出所需的動作時被操作。」

檢查鎖定 / 交通鎖定

「電動鎖閉裝置可強制兩個相鄰聯鎖站的操作員之間進行協作，以防止控制同一軌道的相反訊號同時運作。此外，在信號清除並被列車接受後，檢查鎖閉裝置可防止相鄰聯鎖站的相反信號在列車通過該聯鎖站之前被清除。」

完全和不完全聯鎖

聯鎖允許列車使用道岔和一系列道岔從一條軌道跨越到另一條軌道。鐵路術語根據可用的移動方式將以下聯鎖類型定義為完全聯鎖或不完全聯鎖。雖然列車時刻表通常不會將聯鎖類型確定為完全聯鎖或不完全聯鎖，規則手冊也沒有對這些術語進行定義，但以下術語通常是系統工作人員和規則官員所認可的。

完全聯鎖

允許從聯鎖一側的任意軌道連續移動到另一側的任意軌道，而無需在聯鎖限制範圍內進行反向移動。即使兩側軌道數量不同，或聯鎖有多條軌道，也是如此。

不完全聯鎖

不允許上述動作。不完整聯鎖中的動作可能受到限制，甚至可能需要反向動作才能實現所需的路線。