CBTC 降級及后備運營系統(tǒng)方案與優(yōu)化設(shè)計

鄭生全 朱東飛 李 東

基于通信的列車自動控制系統(tǒng)CBTC(communicationbasedtraincontrol)，是城市軌道交通的主流信號系統(tǒng)，其必備功能之一是配置降級及后備運營信號系統(tǒng)。采用降級及后備運營信號系統(tǒng)的必要性主要體現(xiàn)在以下方面。

1．進(jìn)一步提高了城市軌道交通運營的安全性。當(dāng)CBTC系統(tǒng)因車-地通信系統(tǒng)故障而失去列車位置時，降級及后備信號系統(tǒng)的輔助列車占用檢查設(shè)備，能夠檢知列車的位置，通過聯(lián)鎖設(shè)備保證道岔和進(jìn)路的安全，消除了因列車車載設(shè)備自身定位故障帶來的安全風(fēng)險。

2．進(jìn)一步提高了CBTC系統(tǒng)的可用性。當(dāng)車-地失去無線通信時，使用降級及后備運營系統(tǒng)可維持正常的客運服務(wù)而不中斷線路運營。該系統(tǒng)可作為過渡信號系統(tǒng)先期開通運營，規(guī)避工程建設(shè)工期的風(fēng)險。

3．提供了非裝備車載CBTC設(shè)備工程車的運營安全保障。

1 降級及后備運營信號系統(tǒng)的方案選擇

通常情況下，系統(tǒng)分為以下3個層次，即3個方案:聯(lián)鎖級降級系統(tǒng)方案;點式ATP級降級及后備系統(tǒng)方案;點式ATO級降級及后備系統(tǒng)方案。

1.1 聯(lián)鎖級降級系統(tǒng)

聯(lián)鎖設(shè)備也是CBTC系統(tǒng)的組成部分和基礎(chǔ)設(shè)備，當(dāng)CBTC系統(tǒng)僅在聯(lián)鎖級運行時，稱為聯(lián)鎖級降級運營信號系統(tǒng)。它是由CBTC系統(tǒng)的聯(lián)鎖設(shè)備、計軸輔助列車占用檢查設(shè)備，以及在轉(zhuǎn)轍機基礎(chǔ)上增加的信號機組成。聯(lián)鎖級降級系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成圖如圖1所示。

當(dāng)CBTC的連續(xù)車-地通信模式和點式ATP模式都不可用時，司機將按信號機行車方式，保證列車運行的安全。聯(lián)鎖級降級系統(tǒng)通過進(jìn)路閉塞的方式保證列車的行車間隔，每條進(jìn)路中僅允許一列列車運行，進(jìn)路采用信號機至信號機的辦理方式。

在聯(lián)鎖級降級運行模式下，ATS子系統(tǒng)能夠?qū)α熊囘\行進(jìn)行監(jiān)控，可自動設(shè)置默認(rèn)的列車進(jìn)路，也可人工設(shè)置列車進(jìn)路。

1.2 點式ATP級降級及后備系統(tǒng)

點式ATP級降級及后備信號系統(tǒng)是在聯(lián)鎖級基礎(chǔ)上，增加地面點式應(yīng)答器以及車載的接收天線和模塊構(gòu)成。設(shè)備構(gòu)成圖如圖2所示。

圖2 點式ATP級降級及后備系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成圖

當(dāng)CBTC的連續(xù)車-地通信模式不可用時，系統(tǒng)可啟用點式ATP運行模式，司機在信號機開放后啟動列車，并根據(jù)車載設(shè)備提示的允許速度駕駛列車。聯(lián)鎖設(shè)備保證列車運行進(jìn)路和運行間隔的安全，點式ATP系統(tǒng)保障列車不超速運行和在規(guī)定的停車點停車。

在點式ATP級降級及后備運行模式下，地面點式ATP設(shè)備根據(jù)聯(lián)鎖設(shè)備提供的進(jìn)路信息、前行列車的位置或運營停車點，確定列車的移動授權(quán)信息，通過地面有源應(yīng)答器傳送給車載設(shè)備，由車載設(shè)備結(jié)合自定位數(shù)據(jù)和儲存的線路地圖，計算列車運行的速度監(jiān)控曲線，并監(jiān)控列車在該速度曲線下運行，防止列車超速。ATS子系統(tǒng)對列車運行進(jìn)行監(jiān)控，可自動設(shè)置默認(rèn)的列車進(jìn)路，也可人工設(shè)置列車進(jìn)路。

1.3 點式ATO級降級及后備系統(tǒng)

點式ATO級降級及后備運營信號系統(tǒng)，是在點式ATP級降級及后備運營信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加部分ATO功能和必要的車-地雙向通行設(shè)備構(gòu)成。點式ATO級降級及后備系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成圖如圖3所示。

同樣在用公因數(shù)解決問題后，教師讓學(xué)生探討可以放棱長最大是幾分米的正方體紙箱疊滿房間的問題。最后通過直觀操作，抽象出空間數(shù)軸圖，并對比之前的平面數(shù)軸圖，明確這類問題的本質(zhì)就是求多個數(shù)的公因數(shù)。

圖3 點式ATO級降級及后備系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成圖

該方案主要完成車站精確停車、車門及站臺門的聯(lián)動，以及實現(xiàn)部分ATS的功能，也可實現(xiàn)列車的自動運行。

車載ATO設(shè)備根據(jù)ATP提供的保護(hù)速度曲線，制定列車運行的速度曲線，通過在車站增加的車-地雙向通信設(shè)備TWC，來完成車門與站臺門的聯(lián)動、ATS對列車運行的校核和自動運行調(diào)整功能。

1.4 降級及后備系統(tǒng)方案選擇

在CBTC系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用初期，大多采用點式ATP級降級及后備運營信號系統(tǒng);在較早建設(shè)的線路中，多采用點式ATP作為線路開通時的臨時或過渡信號系統(tǒng)開通運營;在過渡期間，為了實現(xiàn)車門與站臺門的聯(lián)動，增加了部分 ATO的功能，當(dāng)CBTC系統(tǒng)的連續(xù)通信功能應(yīng)用后，點式ATP和點式ATO的功能就作為CBTC系統(tǒng)的降級及后備系統(tǒng)功能。

點式ATO級降級及后備運營信號系統(tǒng)，需要在車載中增加獨立的TWC設(shè)備，并增加車載設(shè)備的軟件功能，同時也增加了CBTC系統(tǒng)的復(fù)雜程度。如不考慮工程開通初期采用過渡信號系統(tǒng)開通運營，一般情況下，不宜采用點式ATO級的降級及后備運營信號系統(tǒng)。

聯(lián)鎖級是固有的降級運營信號設(shè)備，在降級運營時需通過設(shè)備和運營人員，共同保證列車運行的安全。點式ATP系統(tǒng)在降級運營模式下保證列車運行的安全，提高了載客運營列車的安全性。考慮到CBTC系統(tǒng)在開發(fā)運營過程中，都已應(yīng)用了點式ATP功能，而且也僅增加地面有源應(yīng)答器設(shè)備和車載設(shè)備的功能，因此，在CBTC應(yīng)用成熟性得到驗證的今天，選擇點式ATP級降級及后備運營信號系統(tǒng)是合適的。

2 點式ATP級降級及后備系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 點式ATP系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前，在正線信號平面圖的布置中，岔尖和岔后都設(shè)置了道岔防護(hù)信號機，這些防護(hù)信號機其實也是列車信號機，是聯(lián)鎖系統(tǒng)中列車進(jìn)路的始端和終端。這些進(jìn)路信號機之間的顯示沒有關(guān)聯(lián)，在降級及后備運營模式下，列車按信號機到信號機的進(jìn)路運行，即“進(jìn)路閉塞”方式，典型的信號平面布置如圖4所示。這種信號機的布置會帶來以下問題。

圖4 典型的信號平面布置

1．在聯(lián)鎖降級模式下運行時，司機看信號機行車，盡管供貨商要求在聯(lián)鎖降級模式下運行時只能采用RM模式駕駛列車，應(yīng)以不超過25km/h的速度運行，但由于一些線路的運營壓力大，設(shè)備故障時往往是采用限速60km/h的速度運行。加上一些道岔防護(hù)信號機間的距離較短，特別是在CBTC模式下信號機滅燈，而且有些站間有信號機，有些站間沒有信號機，司機一旦在站間通過綠燈信號機時的速度較高，可能在前方紅燈信號機前停不住車。此外，車站出發(fā)信號機點綠燈的含義有時不一致，當(dāng)列車在車站出發(fā)時，司機不知道是直接運行到下一站停車，還是運行至站間的信號機前準(zhǔn)備停車，也不知道區(qū)間信號機是否開放，因此為保證安全只能低速運行，這樣就導(dǎo)致聯(lián)鎖降級模式?jīng)]有太大的降級運行意義。

2．在點式ATP降級及后備運行模式下，對于布置有道岔防護(hù)信號機的站間，由于信號機是按聯(lián)鎖進(jìn)路開放，每個信號機處需設(shè)置有源應(yīng)答器，以便反映信號機的狀態(tài)，并向列車發(fā)送運行至下一架信號機的移動授權(quán)。當(dāng)信號機間的距離較短時，為保證在前方信號機前能夠停車，列車只能以低速越過該架信號機，即以較低的速度去尋找前架信號機的填充應(yīng)答器。在地鐵站間距離較短的情況下，正常CBTC模式下運行時區(qū)間并沒有追蹤運行的列車，但由于設(shè)置了過多的道岔防護(hù)信號機，反而限制了在點式ATP模式下，列車在區(qū)間運行的最高速度，降低了列車運行的效率和對列車不合理的牽引和制動。

3．道岔防護(hù)信號機的主要作用是針對列車臨時折返，或故障列車的停留等非正常運行作業(yè)，應(yīng)用這些信號機時，多為非載客列車運行，與調(diào)車作業(yè)性質(zhì)相當(dāng)，而這些信號機又都按列車信號機設(shè)置，參與了列車的運行。

2.2 點式ATP系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計

點式ATP系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計也是整個CBTC系統(tǒng)降級及后備系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，在 CBTC系統(tǒng)應(yīng)用的成熟性得到充分驗證的今天，后備系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是安全、實用、高效，使整個信號系統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)成簡單、穩(wěn)定、可靠及維護(hù)方便。

點式ATP系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計需從軌旁設(shè)備的平面布置開始優(yōu)化。首先優(yōu)化聯(lián)鎖級的降級運行功能，根據(jù)地鐵平均站間距1.2km左右，正常列車運行圖中大多數(shù)區(qū)間都沒有追蹤運行的情況，降級及后備系統(tǒng)運行時的設(shè)計主導(dǎo)思想，也應(yīng)該是站間自動行車，因此，在有線路配線的站間盡可能減少或不配置道岔防護(hù)信號機。因為信號機配置過多會影響降級及后備運行的效率，甚至不利于聯(lián)鎖降級運行的安全。優(yōu)化的信號設(shè)備平面布置如圖5所示。

減少道岔防護(hù)信號機的設(shè)置，且在站間的道岔防護(hù)信號機處也不設(shè)置應(yīng)答器，列車在降級及后備模式運行時，按站間自動閉塞模式運行，車站出發(fā)信號機開放時，在聯(lián)鎖降級模式下，司機知道能直接運行至下一站站臺停車，即便是站間有道岔防護(hù)信號機，也是在開放狀態(tài);而在點式ATP后備運營模式下，列車可利用儲存在車載設(shè)備內(nèi)的區(qū)間運行速度監(jiān)控曲線，讓司機合理地控制列車運行至下一站。這樣，有利于安全和提高降級模式下的旅行速度，保證服務(wù)質(zhì)量。

圖5 優(yōu)化的信號設(shè)備平面布置

優(yōu)化設(shè)計方案還應(yīng)有聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件功能的配合。采用降級及后備運行模式運行時，聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)轉(zhuǎn)入站間自動運行模式，出發(fā)信號機按站間自動運行模式開放，當(dāng)站間有同方向的道岔防護(hù)信號機時，在道岔防護(hù)信號機開放后，出發(fā)信號機才能開放，達(dá)到自動站間閉塞運行的目的。

3 結(jié)束語

降級及后備運營設(shè)備的設(shè)計應(yīng)充分體現(xiàn)CBTC系統(tǒng)不依賴于軌道電路檢知列車、軌旁設(shè)備少、按移動授權(quán)行車、移動閉塞運行的特點，減少軌旁設(shè)備的配置，提高整體CBTC系統(tǒng)的可靠性，避免片面強調(diào)后備系統(tǒng)功能強大而導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)的可靠性降低。

［1］ 董昱．區(qū)間信號與列車運行控制系統(tǒng)［M］．北京．中國鐵道出版社．2008．6．