移動(dòng)閉塞信號(hào)后備系統(tǒng)方案研究

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師）

移動(dòng)閉塞信號(hào)后備系統(tǒng)方案研究

樊國林

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師）

以移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)（CBTC）工作原理入手，分析了移動(dòng)閉塞設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，以及采取的運(yùn)營對策：CBTC應(yīng)配備具有點(diǎn)式ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）功能的后備系統(tǒng)，以便安全、高效地清退故障列車，恢復(fù)線路正常運(yùn)營秩序。介紹了采用美式信標(biāo)的后備系統(tǒng)（方案一）和采用歐式信標(biāo)的后備系統(tǒng)（方案二），并對兩個(gè)方案進(jìn)行了分析和比較。

城市軌道交通；移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)；后備系統(tǒng)

Author's address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

1 移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)工作原理

移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)（CBTC）由軌旁區(qū)域控制器，車載控制器，列車定位系統(tǒng)（速度傳感、車載信標(biāo)天線、軌旁信標(biāo)），車-地通信系統(tǒng)（車載無線天線、軌旁無線接入點(diǎn)、有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)）等設(shè)備組成［1］。車載控制器依據(jù)列車通過軌旁信標(biāo)的先后次序及速度確定列車的運(yùn)行方向及位置，并通過車-地通信系統(tǒng)將其報(bào)告給軌旁區(qū)域控制器；軌旁區(qū)域控制器依據(jù)列車的運(yùn)行方向及位置為在線所有列車建立自動(dòng)防護(hù)區(qū)段，通過計(jì)算相鄰列車自動(dòng)防護(hù)區(qū)段確定每列列車的移動(dòng)授權(quán)，并通過車-地通信系統(tǒng)將移動(dòng)授權(quán)分別發(fā)送到每列列車的車載控制器；車載控制器依據(jù)軌旁控制器給出的移動(dòng)授權(quán)控制列車運(yùn)行。車載控制器每隔一段時(shí)間（如600 ms）向軌旁區(qū)域控制器報(bào)告一次列車的運(yùn)行方向及位置。軌旁區(qū)域控制器每隔一段時(shí)間（如600 ms）更新線路上所有列車的自動(dòng)防護(hù)區(qū)段及移動(dòng)授權(quán)。

當(dāng)CBTC列車進(jìn)入非CBTC區(qū)段或超過規(guī)定時(shí)間間隔（如5 s）收不到移動(dòng)授權(quán)時(shí)，列車實(shí)施緊急制動(dòng)并退出CBTC駕駛模式，改由人工駕駛。人工駕駛列車時(shí)，車載控制器提供速度不超過20～25 km/h的自動(dòng)防護(hù)，行車安全由司機(jī)保證。

2 CBTC信號(hào)降級(jí)系統(tǒng)

為提高CBTC系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)的主要設(shè)備均采取冗余配置。但是，由于CBTC設(shè)備工作在振動(dòng)的環(huán)境下，導(dǎo)致設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生。CBTC系統(tǒng)設(shè)備可能發(fā)生的故障及采取的運(yùn)營對策如下：

（1）車載設(shè)備發(fā)生故障：車載設(shè)備通常由車載控制器（CC）、測速裝置、信標(biāo)天線、車載無線傳輸系統(tǒng)等組成。①當(dāng)車載無線傳輸系統(tǒng)或信標(biāo)天線發(fā)生故障時(shí)，車載控制器無法實(shí)現(xiàn)列車定位，但車載控制器具有速度不超過20～25 km/h自動(dòng)防護(hù)功能，此時(shí)司機(jī)需人工駕駛列車至相鄰車站，清客后故障列車退出日常運(yùn)營。②當(dāng)測速裝置發(fā)生故障時(shí)，車載控制器無法實(shí)現(xiàn)列車定位及速度控制，司機(jī)需切除ATP（列車自動(dòng)防護(hù)），人工駕駛故障列車至下一站，清客并退出日常運(yùn)營。③當(dāng)車載控制器發(fā)生故障時(shí)，如果人工復(fù)位后車載控制器仍具有最高速度20～25 km/h自動(dòng)防護(hù)功能，則人工駕駛列車至相鄰車站，清客后故障列車退出日常運(yùn)營；如果人工復(fù)位后車載控制器不具備ATP功能，司機(jī)需切除ATP，將列車駕駛至相鄰車站，清客后退出日常運(yùn)營。

（2）軌旁定位信標(biāo)發(fā)生故障：CBTC采用無源信標(biāo)（美式或歐式）進(jìn)行列車定位，當(dāng)列車錯(cuò)過2個(gè)連續(xù)的定位信標(biāo)時(shí)，列車將因定位信息丟失而緊急制動(dòng)，此時(shí)列車具備最高速度20～25 km/h自動(dòng)防護(hù)功能，司機(jī)人工駕駛列車連續(xù)通過后續(xù)2個(gè)定位信標(biāo)，方可重新定位列車并自動(dòng)切換至移動(dòng)閉塞。

（3）地面無線接入點(diǎn)發(fā)生故障：車-地通信中斷超過5 s后列車將緊急制動(dòng)，此時(shí)列車具備最高速度20～25 km/h防護(hù)功能，司機(jī)需人工駕駛列車通過故障區(qū)域，列車恢復(fù)無線覆蓋后將自動(dòng)切換到CBTC駕駛模式。

（4）信號(hào)有線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障：故障范圍內(nèi)的所有列車均無法向軌旁區(qū)域控制器報(bào)告其運(yùn)行方向及位置，也因接收不到來自軌旁區(qū)域控制器的移動(dòng)授權(quán)而緊急停車，在線列車具備最高速度20～25 km/h防護(hù)功能，故障范圍內(nèi)的所有列車只能人工駕駛。

（5）軌旁區(qū)域控制器發(fā)生故障：其控制范圍內(nèi)的所有列車因收不到移動(dòng)授權(quán)而緊急停車，所有列車只能按不大于20～25 km/h的防護(hù)速度人工駕駛。

上述故障發(fā)生時(shí)，為保證后續(xù)CBTC列車的行車安全，正線需配備輔助列車檢測裝置（計(jì)軸檢測設(shè)備）；為保證故障列車進(jìn)站清客、退出運(yùn)營時(shí)的安全，車站應(yīng)配置出站信號(hào)機(jī)；為保障故障列車及相鄰CBTC列車的行車安全，CBTC系統(tǒng)應(yīng)配備以信號(hào)機(jī)、計(jì)軸、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)為控制對象的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖降級(jí)系統(tǒng)［2］。CBTC配備降級(jí)系統(tǒng)也是保證工程車、救援車、跨線列車上線運(yùn)行安全的需要。

移動(dòng)閉塞降級(jí)系統(tǒng)信號(hào)平面布置如圖1所示。

圖1 移動(dòng)閉塞降級(jí)系統(tǒng)信號(hào)平面布置圖

3 后備系統(tǒng)方案

為滿足故障運(yùn)行工況，通常地鐵線路每隔5～6座車站（或8～10 km）設(shè)置停車線。故障列車以不大于20～25 km/h的防護(hù)速度運(yùn)行至停車線所需時(shí)間較長（約30 min），嚴(yán)重干擾了正常的運(yùn)營秩序，為此，有必要對CBTC配備的降級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以提高故障列車退出運(yùn)營時(shí)的行車速度，縮短故障處置時(shí)間［3］。

3.1 方案一

以CBTC配備的降級(jí)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，車站入口處增設(shè)進(jìn)站信號(hào)機(jī)，當(dāng)站間距較長時(shí)，區(qū)間可適當(dāng)增加通過信號(hào)機(jī)；每架信號(hào)機(jī)附近增設(shè)美式有源信標(biāo)，以防止列車冒進(jìn)信號(hào)；為保證前行CBTC列車的安全，采用雙紅燈防護(hù)；車載點(diǎn)式ATP設(shè)備提供固定限速防護(hù)。固定限速由線路允許的最高行車速度（直線段、曲線段）、道岔側(cè)向通過允許速度、列車通過站臺(tái)時(shí)的限制速度等組成［4］。

方案一可實(shí)現(xiàn)后備模式下3～4 min的列車追蹤間隔，其典型的信號(hào)平面布置及點(diǎn)式ATP防護(hù)曲線如圖2所示。

圖2 方案一信號(hào)平面布置及防護(hù)曲線

001列車區(qū)間內(nèi)發(fā)生故障、以20～25 km/h防護(hù)速度運(yùn)行至甲站出站信號(hào)機(jī)X2前停車并清客；當(dāng)前行002 CBTC列車越過乙站出站信號(hào)機(jī)X4后，甲站X2開放，司機(jī)可在點(diǎn)式ATP下駕駛001故障列車開往乙站；當(dāng)002列車越過區(qū)間通過信號(hào)機(jī)或進(jìn)入前方車站，乙站進(jìn)站信號(hào)機(jī)X3開放，001故障列車在點(diǎn)式ATP下通過X3信號(hào)機(jī)進(jìn)入乙站，若X3信號(hào)機(jī)顯示紅燈，001故障列車必須在X3信號(hào)機(jī)前停車。如果001列車司機(jī)誤闖顯示紅燈的X3信號(hào)機(jī)，則列車將因沒有收到與X3信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的信標(biāo)的速度碼而緊急制動(dòng)。當(dāng)乙站X4出站信號(hào)機(jī)前方具備2個(gè)軌道區(qū)段空閑條件，X4出站信號(hào)機(jī)開放，001故障列車可在點(diǎn)式ATP防護(hù)下跳越乙站。如果001故障列車在運(yùn)行過程中的實(shí)際速度觸碰了點(diǎn)式ATP曲線，則列車緊急制動(dòng)。

當(dāng)乙站屏蔽門發(fā)生故障或車站人員按壓了緊急關(guān)閉按鈕時(shí)，乙站X3進(jìn)站信號(hào)機(jī)關(guān)閉，與X3進(jìn)站信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的信標(biāo)停發(fā)速度碼，阻止001故障列車進(jìn)入乙站站臺(tái)區(qū)域。

以一站一區(qū)間為單元，方案一需增加2個(gè)出站信號(hào)機(jī)有源信標(biāo)、2架進(jìn)站信號(hào)機(jī)及2個(gè)進(jìn)站信號(hào)機(jī)有源信標(biāo)；當(dāng)列車追蹤間隔按3.5 min設(shè)計(jì)時(shí)，平均每個(gè)區(qū)間還需增加1架通過信號(hào)機(jī)、1組計(jì)軸檢測設(shè)備、1個(gè)通過信號(hào)機(jī)有源信標(biāo)。此外，方案一的點(diǎn)式ATP防護(hù)曲線由線路限速、站臺(tái)限速、道岔側(cè)向限速構(gòu)成，當(dāng)故障列車在點(diǎn)式ATP下運(yùn)行時(shí)，列車的運(yùn)行速度完全由司機(jī)憑經(jīng)驗(yàn)控制；而地鐵線路坡度大、曲線半徑小，為防止列車實(shí)際速度因觸碰點(diǎn)式ATP防護(hù)曲線而緊急制動(dòng)，進(jìn)站及通過信號(hào)機(jī)應(yīng)設(shè)置預(yù)告信號(hào)機(jī)，彎道附近應(yīng)設(shè)置提醒司機(jī)變速的標(biāo)志牌，經(jīng)常停車的地點(diǎn)應(yīng)設(shè)置一度停車牌；為提高行車效率，進(jìn)站、通過信號(hào)機(jī)前方適當(dāng)位置還應(yīng)設(shè)置有源預(yù)告信標(biāo)。

在特殊情況下（如因工期影響不能開通CBTC），方案一可用于載客運(yùn)營。但由于其設(shè)有進(jìn)站、通過信號(hào)機(jī)，載客列車存在隧道內(nèi)停車的可能性；另外，列車的運(yùn)行速度完全由司機(jī)憑經(jīng)驗(yàn)掌控，旅客乘車的舒適性會(huì)受到一定的影響。

3.2 方案二

以CBTC配備的降級(jí)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，出站信號(hào)機(jī)前方設(shè)置100 m長的延續(xù)保護(hù)區(qū)段，當(dāng)站間距超過2 000 m時(shí)，可在區(qū)間增設(shè)一架間隔信號(hào)機(jī)；出站信號(hào)機(jī)附近增設(shè)歐式有源信標(biāo)，以防止列車冒進(jìn)信號(hào)，進(jìn)站口增設(shè)預(yù)告信標(biāo)，實(shí)現(xiàn)列車在點(diǎn)式后備模式下跳停車站的功能；車載設(shè)備依據(jù)線路允許的最高運(yùn)行速度、道岔側(cè)向最大允許速度、列車通過站臺(tái)時(shí)的限制速度及前方出站信號(hào)機(jī)顯示等條件，提供目標(biāo)-距離點(diǎn)式ATP防護(hù)曲線及點(diǎn)式ATO控制曲線。

方案二可實(shí)現(xiàn)后備模式下4～5 min的運(yùn)營間隔，其典型的信號(hào)平面布置及點(diǎn)式ATP/ATO防護(hù)曲線如圖3所示。

圖3 方案二信號(hào)平面布置及防護(hù)曲線

001列車區(qū)間內(nèi)發(fā)生故障，以20～25 km/h防護(hù)速度運(yùn)行至甲站X2出站信號(hào)機(jī)前停車并清客；當(dāng)前行002 CBTC列車越過乙站X4出站信號(hào)機(jī)前方100 m保護(hù)區(qū)段后，甲站X2出站信號(hào)機(jī)開放，司機(jī)在點(diǎn)式ATP下駕駛001故障列車開往乙站，并在乙站X4出站信號(hào)機(jī)前停車；當(dāng)002列車離開丙站出站信號(hào)機(jī)前方保護(hù)區(qū)段后（乙、丙為相鄰車站），乙站X4出站信號(hào)機(jī)開放，001列車出站。001故障列車經(jīng)過乙站進(jìn)站口時(shí)，將接收到新的速度命令、更新點(diǎn)式ATP防護(hù)曲線，并在點(diǎn)式ATP下跳越乙站；運(yùn)行過程中司機(jī)依據(jù)操作盤面上提示的目標(biāo)速度和實(shí)際速度控制列車運(yùn)行，當(dāng)列車的實(shí)際速度觸碰點(diǎn)式ATP防護(hù)速度時(shí)觸發(fā)緊急制動(dòng)。當(dāng)列車誤闖乙站顯示紅燈的X4出站信號(hào)機(jī)時(shí)，則列車將因沒有收到與X4信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的信標(biāo)的速度碼而緊急制動(dòng)，并在X4出站信號(hào)機(jī)前方保護(hù)區(qū)段內(nèi)停車。

當(dāng)乙站屏蔽門發(fā)生故障或車站人員按壓了緊急關(guān)閉按鈕時(shí)，甲站X2出站信號(hào)機(jī)無法開放，與X2出站信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的信標(biāo)停發(fā)速度碼，阻止001故障列車自甲站進(jìn)入?yún)^(qū)間。

在該后備模式下，司機(jī)通過比較駕駛臺(tái)盤面上顯示的目標(biāo)速度和實(shí)際速度駕駛列車，列車加速、減速更平穩(wěn)；列車經(jīng)過變速點(diǎn)時(shí)車載點(diǎn)式ATP/ATO設(shè)備不間斷提供相應(yīng)的速度信息，軌旁變速點(diǎn)附近無需增加速度提示牌，區(qū)間無需增加預(yù)告信號(hào)機(jī)；列車接近顯示紅燈的出站信號(hào)機(jī)、道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)時(shí)的速度比較低，很好地保護(hù)了故障列車及前行CBTC列車的運(yùn)行安全。

方案二還提供點(diǎn)式ATO駕駛功能，提供了與CBTC類似的ATP/ATO曲線，完全適用于載客運(yùn)營。

以一站一區(qū)間為單元，方案二需增加2個(gè)出站信號(hào)機(jī)信標(biāo)、2個(gè)預(yù)告信標(biāo)及2個(gè)計(jì)軸設(shè)備。

3.3 后備系統(tǒng)方案比較

將方案一中采用的美式信標(biāo)更換成歐式信標(biāo)即產(chǎn)生方案三。方案三同時(shí)具備了方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)，但考慮到CBTC配備后備系統(tǒng)的目的是為了縮短CBTC設(shè)備故障時(shí)的處置時(shí)間，不刻意追求后備系統(tǒng)的行車間隔，且方案三的性價(jià)比較差，所以本文不予考慮。

當(dāng)CBTC配備方案一或方案二的后備系統(tǒng)后，軌旁信號(hào)設(shè)備發(fā)生的故障對正常運(yùn)營秩序?qū)缀鯖]有影響；車載設(shè)備發(fā)生故障時(shí)可提高故障列車退出運(yùn)營的速度，降低故障列車對運(yùn)營的影響。

后備系統(tǒng)方案比較如表1所示。

4 結(jié)論

（1）CBCT應(yīng)配備具有點(diǎn)式ATP功能的后備系統(tǒng)，以縮短故障列車退出運(yùn)營的處置時(shí)間。

（2）具有點(diǎn)式ATP功能的后備系統(tǒng)可用于載客運(yùn)營。

表1 后備系統(tǒng)性能對比

（3）以歐式信標(biāo)為特征、具有點(diǎn)式ATP/ATO功能的后備系統(tǒng)更符合運(yùn)營需求。

［1］ 王琰.基于通信的列車控制系統(tǒng)后備系統(tǒng)的探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007（6）：136.

［2］ 居理.移動(dòng)閉塞后備系統(tǒng)的應(yīng)用分析［J］.城市軌道交通研究，2011（1）：21.

［3］ 張瓊燕.基于無線通信的列車控制系統(tǒng)下后備模式的選擇與應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2012（7）：42.

［4］ 孫郁林，張偉.CBTC系統(tǒng)后備模式的點(diǎn)式ATP方案［J］.鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2013（4）：71.

On the Backup System of Communication Based Train Control System

Fan Guolin

In this paper，the probable equipment failures and operation methods based on the principle of CBTC are firstly analyzed.In order to restore the normal operation and remove the broken-down train from the scene when some CBTC equipment fault happens，a station block or fixed block backup system with automatic train protection（ATP）functions is required.For this purpose，two backup systems are compared respectively with American balise and European balise，some useful conclusionsare obtained.

urban rail transit；communication based train control system；backup system

U 284.44

2013-08-30）