弓 劍

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

信號系統(tǒng)連續(xù)型點式方案的工程設(shè)計與應(yīng)用

弓 劍

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

針對信號系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)點式ATP(列車自動防護(hù)系統(tǒng))降級方案下出現(xiàn)的駕駛模式轉(zhuǎn)換初始化、進(jìn)路命令變更、列車誤啟動、保護(hù)區(qū)段解鎖等常見且無法妥善解決的問題進(jìn)行分析，結(jié)合寧天城際實際工程對降級方案信息傳輸方式的比選，提出連續(xù)型點式方案，并針對此方案應(yīng)用于工程實現(xiàn)各項功能出現(xiàn)的實際問題，分析系統(tǒng)設(shè)計因素及信息處理方式，使點式系統(tǒng)更進(jìn)一步傾向于閉環(huán)系統(tǒng)。

軌道交通；連續(xù)型點式方案；有源信標(biāo)；保護(hù)區(qū)段；聯(lián)鎖系統(tǒng)

軌道交通信號系統(tǒng)大多采用基于無線通信的列車自動控制CBTC系統(tǒng)(communication based train control system)+點式列車自動防護(hù)ATP系統(tǒng)(point type aotumatic train protection)的主備方案。當(dāng)車載設(shè)備與軌旁設(shè)備間無法形成連續(xù)通信時，CBTC系統(tǒng)可采取降級模式使用[1]，而標(biāo)準(zhǔn)點式ATP系統(tǒng)作為降級方案在信息傳輸上受到其傳輸媒介的影響，在一些功能上無法形成有效、快捷的閉環(huán)系統(tǒng)。隨著運營及服務(wù)意識的逐漸增強(qiáng)，很多工程都對此提出了更強(qiáng)的功能需求。

筆者認(rèn)為降級系統(tǒng)信息傳輸方式是實現(xiàn)功能的關(guān)鍵點，結(jié)合實際工程提出了信息傳輸改進(jìn)方案。連續(xù)型點式ATP方案的應(yīng)用不僅可以有效解決在傳統(tǒng)后備方案下無法解決的問題，還為今后的軌道交通信號系統(tǒng)主方案的選擇提供了新的研究方向。

1 寧天城際信號降級模式

寧天城際軌道交通一期工程(以下簡稱“寧天城際”)信號系統(tǒng)采用完整的列車控制ATC系統(tǒng)，由主用模式和降級模式構(gòu)成[2]。主用模式是指CBTC，降級模式是基于計軸和信標(biāo)的點式通信固定閉塞系統(tǒng)。點式方案是保證信號系統(tǒng)在主系統(tǒng)CBTC模式出現(xiàn)故障而無法正常追蹤或在特殊需要時，所啟用的一種保證線路能夠以最低效率運營的降級方案。

1.1 點式ATP系統(tǒng)信息傳輸

圖1 標(biāo)準(zhǔn)點式方案信息傳輸

1.2 降級系統(tǒng)站間閉塞運行方式

在降級系統(tǒng)中，列車僅在預(yù)告信標(biāo)或者重開信標(biāo)處接收信息，根據(jù)最后接收到的變量更新列車授權(quán)，并根據(jù)授權(quán)點計算列車運行速度曲線(見圖2)，當(dāng)列車獲得某一變量后，使得列車可以在變量有效時間內(nèi)行駛到下一個信標(biāo)并升級變量信息。

圖2 寧天城際點式系統(tǒng)配置方案

CBTC系統(tǒng)是車—地通信連續(xù)不間斷的閉環(huán)系統(tǒng)，但點式ATP系統(tǒng)信息的傳輸是通過信標(biāo)點實現(xiàn)的，與CBTC相比，系統(tǒng)設(shè)計在一些功能上有所限制。寧天城際信號系統(tǒng)在設(shè)計時充分分析了在此模式下系統(tǒng)的不足，并通過優(yōu)化點式方案下信息傳輸?shù)耐緩?，使得這些不完善的問題得到了有效的解決。

2 點式降級系統(tǒng)疑難問題

在標(biāo)準(zhǔn)點式ATP降級方案下，車載接收進(jìn)路開放信息只能做到點傳輸，工程中經(jīng)過對系統(tǒng)的深入研究，結(jié)合寧天城際信號系統(tǒng)降級下的設(shè)計理念特異性，分析點式系統(tǒng)主要在幾個問題上無法妥善解決，包括駕駛模式轉(zhuǎn)換初始化、進(jìn)路命令變更、列車誤啟動、保護(hù)區(qū)段解鎖時間。

2.1 點式駕駛模式轉(zhuǎn)換初始化

軌旁區(qū)域控制器出現(xiàn)故障時，列車需轉(zhuǎn)為點式駕駛模式，但由于車載設(shè)備與軌旁失去通信，列車需在停車后轉(zhuǎn)至點式駕駛模式[6]，此時軌旁計算機(jī)無法確定列車的實際位置，因此點式列車不能實現(xiàn)信息初始化，司機(jī)必須首先以限速人工駕駛模式低速向前行駛，待信標(biāo)天線讀取到設(shè)于信號機(jī)前的重開信標(biāo)并獲得前方信號機(jī)、道岔及區(qū)段的允許授權(quán)信息時，列車才能升級為點式模式。這樣如果需要模式轉(zhuǎn)換的列車運行于長大區(qū)段內(nèi)，無法快速升級點式模式將會影響運營效率。

2.2 進(jìn)路命令變更

在點式系統(tǒng)下，列車在區(qū)間運行需要通過地面有源信標(biāo)讀取前方進(jìn)路授權(quán)的走行距離。若列車通過信標(biāo)點后，前方進(jìn)路狀態(tài)發(fā)生變化(例如綠燈變?yōu)榧t燈)，列車則不能及時獲得命令。對標(biāo)準(zhǔn)點式系統(tǒng)來說，其設(shè)備配置會帶來2個問題：第一，如列車越過預(yù)告信標(biāo)后信號機(jī)變化，列車仍將高速行駛至重開信標(biāo)后施加緊急制動；第二，如果是越過重開信標(biāo)，列車將無法實施緊急制動。

2.3 列車誤啟動

列車進(jìn)站在信號機(jī)前停車，停車點距離重開信標(biāo)至少5 m，因此停車后，信標(biāo)天線尚未讀到重開信標(biāo)。若此時信號機(jī)仍為紅燈，司機(jī)誤操作啟動列車，列車在經(jīng)過地面重開信標(biāo)讀到禁止信號后，會產(chǎn)生緊急制動，導(dǎo)致列車闖入紅燈防護(hù)區(qū)，更為嚴(yán)重的情況是如果前方是道岔區(qū)，并且道岔正在轉(zhuǎn)動，尚未鎖閉，列車有可能沖入尚未鎖閉的道岔區(qū)域，造成擠岔事故。

2.4 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間

圖3 變量有效時間的距離因素

經(jīng)分析，全線布置應(yīng)選擇時間最長的布置間隔。聯(lián)鎖設(shè)備需要等待變量有效時間和緊急制動時間后，默認(rèn)列車停穩(wěn)，解鎖進(jìn)路防護(hù)區(qū)段(Overlap)，見圖4。

圖4 變量有效時間作用下的防護(hù)區(qū)段解鎖時間

變量有效時間會導(dǎo)致列車征用進(jìn)路的可能時間變長，也會導(dǎo)致聯(lián)鎖進(jìn)路解鎖時間過長[7]。從本工程設(shè)計來看，當(dāng)列車收到變量并進(jìn)入?yún)^(qū)段后，防護(hù)區(qū)域開始287 s解鎖倒計時，結(jié)束后防護(hù)進(jìn)路可解鎖。

3 寧天城際連續(xù)型點式系統(tǒng)方案

基于以上對寧天城際信號系統(tǒng)降級模式的分析，問題的實質(zhì)是信息傳輸不連續(xù)，因此，在原有標(biāo)準(zhǔn)點式ATP系統(tǒng)配置下，考慮變量信息通過新的傳輸媒介進(jìn)行完善。通過分析有兩種方案可以有效解決。

3.1 方案1：軌旁增加感應(yīng)環(huán)線設(shè)備

在有源信標(biāo)后鋪設(shè)一段感應(yīng)環(huán)線電纜，將信號機(jī)的有源信標(biāo)預(yù)告范圍擴(kuò)大，車載可通過環(huán)線持續(xù)接收地面信號的狀態(tài)，將原來的“點”變成 “線”。但此方法適用于車站，列車停穩(wěn)后，應(yīng)答器天線始終在環(huán)線上。然而對區(qū)間信標(biāo)，由于列車不停車需要鋪設(shè)更長的感應(yīng)環(huán)線電纜，再加上需要在道床上安裝大量的感應(yīng)環(huán)線電纜，除增加工程投資外，還易受土建安裝條件的限制，并且感應(yīng)環(huán)線經(jīng)常會受到軌道維護(hù)的影響，使得設(shè)備維護(hù)費用增加，將會影響列車的運行甚至影響正常運營[8]。

3.2 方案2：利用既有CBTC系統(tǒng)無線設(shè)備

寧天城際信號系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)采用冗余結(jié)構(gòu)，用于承載CBTC系統(tǒng)下車載和軌旁間信號數(shù)據(jù)流的通信。每個軌旁無線設(shè)備由紅、藍(lán)兩個無線接入點組成雙網(wǎng)，同時全線天線分別工作在兩個不同頻段上，保證任意一個軌旁或車載無線設(shè)備出現(xiàn)故障時均不影響系統(tǒng)的正常工作[4]。

無線網(wǎng)絡(luò)的雙頻冗余結(jié)構(gòu)能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，在分析過程中，通過增加聯(lián)鎖進(jìn)路識別信息與車載ATP無線通信可以解決后備下的點式信息帶來的問題，車載與無線天線的接口已在CBTC下成熟，需要新開發(fā)的是聯(lián)鎖與無線的接口，這樣就可以利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)路命令從而達(dá)到信息連續(xù)的目的。

3.3 方案比選及優(yōu)化

與方案2相比，方案1在建設(shè)和維護(hù)成本上都有所增加，方案2利用既有CBTC的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，寧天城際在系統(tǒng)設(shè)計時通過增加車載和聯(lián)鎖主機(jī)之間的無線通信接口實現(xiàn)了連續(xù)型點式ATP功能，有針對性地優(yōu)化了信息傳輸?shù)姆绞?，有效解決了標(biāo)準(zhǔn)點式系統(tǒng)存在的不完善問題，見圖5。

圖5 連續(xù)型點式系統(tǒng)信息傳輸路徑

需要說明的是連續(xù)型點式系統(tǒng)沒有改變信息的傳輸路徑①，而是在信標(biāo)通信的基礎(chǔ)上新增了一條無線信息傳輸鏈路②，由CC(車載控制器)向ZLC(區(qū)域邏輯控制器)發(fā)送變量請求，ZLC將進(jìn)路內(nèi)信號機(jī)和道岔狀態(tài)變量信息通過無線天線傳送給車載CC，使得信息傳輸連續(xù)有效。

4 連續(xù)型點式系統(tǒng)的工程應(yīng)用

連續(xù)型點式方案完善了降級模式下的多個功能，并且有針對性地解決了標(biāo)準(zhǔn)點式系統(tǒng)以上分析到的問題。雖然無線傳輸是連續(xù)的，但因聯(lián)鎖傳輸?shù)男畔⒘繜o法與區(qū)域控制器相比，該方案在實際工程應(yīng)用中并不能做到全線有效，只在變量傳輸有效區(qū)域和列車初始化區(qū)域等范圍有效作用。

4.1 點式駕駛模式初始化

當(dāng)列車需要轉(zhuǎn)換為點式駕駛模式時，連續(xù)型點式方案提供了快速初始化條件，列車從軌旁無線接收到前方區(qū)段變量信息且列車處于點式初始化區(qū)域內(nèi)(見圖6)，列車即可轉(zhuǎn)換為點式駕駛模式，無需再以人工駕駛模式行至重開信標(biāo)處升級。

此功能需主要考慮列車初始化區(qū)域。因聯(lián)鎖無法判斷車次號，區(qū)間轉(zhuǎn)換模式的時候需行駛至距信號機(jī)距離小于系統(tǒng)設(shè)定的最短車長才可篩選升級。

圖6 連續(xù)型點式方案列車初始化

4.2 及時獲取進(jìn)路信息的變化

降級模式下列車在區(qū)間運行，當(dāng)越過預(yù)告信標(biāo)后，信號機(jī)狀態(tài)才發(fā)生變化(如紅燈變綠燈)，列車可以在變量傳輸有效區(qū)域接收到新變量，根據(jù)變化的信息提前計算速度曲線，無需行至信標(biāo)點(見圖7)。

圖7 連續(xù)型點式方案進(jìn)路信息變化接收方式

此功能需主要考慮變量有效傳輸區(qū)域，列車需進(jìn)入變量有效傳輸區(qū)域才可以執(zhí)行收到的變量信息。

4.3 避免在沒有授權(quán)情況下發(fā)生闖紅燈事故

連續(xù)型點式系統(tǒng)可以防止點式列車無授權(quán)啟動，出站信號機(jī)處于禁止?fàn)顟B(tài)時，列車可以從無線天線持續(xù)接收禁止列車離站信息，當(dāng)信號機(jī)轉(zhuǎn)為允許信號后，車載自動接收并計算速度曲線，可避免司機(jī)誤啟動列車而產(chǎn)生闖紅燈的緊急停車事故。此功能需保證列車始終在變量有效傳輸區(qū)域。

4.4 保護(hù)區(qū)段提前解鎖

標(biāo)準(zhǔn)點式系統(tǒng)下由于車載無法將停穩(wěn)信息發(fā)送給軌旁，進(jìn)路防護(hù)區(qū)段解鎖時間綜合了多種因素；而在連續(xù)型點式系統(tǒng)下，列車征用一條進(jìn)路并為其鎖閉一條防護(hù)進(jìn)路，可保證列車一旦發(fā)生緊急停車最終能夠在防護(hù)進(jìn)路內(nèi)停下，當(dāng)列車在運營停車點停穩(wěn)，且不再需要此Overlap命令時，車載將列車停穩(wěn)信息通過無線天線提供給聯(lián)鎖子系統(tǒng)，命令Overlap提前解鎖(見圖8)，不必計算區(qū)間運行和站停時間。此功能需保證列車始終在變量有效傳輸區(qū)域。

圖8 連續(xù)型點式方案列車保護(hù)區(qū)段解鎖

5 結(jié)語

寧天城際信號系統(tǒng)在整個設(shè)計過程不僅延續(xù)了CBTC系統(tǒng)的完整功能，同時也深入分析了以往工程標(biāo)準(zhǔn)點式降級方案存在的問題，通過優(yōu)化信息傳輸途徑及媒介，增加系統(tǒng)設(shè)計中的限定因素，在不增加硬件設(shè)備的情況下有效地解決了點式降級模式下信息傳輸不連續(xù)所帶來的幾個問題。

國內(nèi)各城市的軌道交通項目基 本 都 采 用CBTC作為主方案，但近年來軌道交通市域線、城際線逐漸增多，往往站間距長、客流較少，而移動閉塞CBTC系統(tǒng)的造價偏高，應(yīng)用于市域城際線未必能體現(xiàn)其運營能力強(qiáng)的優(yōu)點。點式系統(tǒng)造價低、結(jié)構(gòu)簡單、控 制 精 準(zhǔn)，通過進(jìn)一步研究緊急停車信息、臨時限速信息、出站升級功能的采集執(zhí)行方式可以將點式方案作為一個完整的主系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。

[2] 南京地下鐵道有限責(zé)任公司.寧天城際一期工程信號系統(tǒng)采購項目用戶需求書[G] .南京，2012.

[4] 南京地下鐵道有限責(zé)任公司.寧天城際一期工程信號系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格書[G] .南京，2013.

[5] 南京地下鐵道有限責(zé)任公司.寧天城際一期工程信號系統(tǒng)后備模式描述設(shè)計文件[G] .南京，2013.

[8] GB 50157—2013 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

(編輯：郝京紅)

Gong Jian

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100045)

The article analyzed some common problems that could not be solved properly in signal system standard point type-ATP downgrade program like driving mode conversion initialization, route command change, train error start and overlap unlock. Taking the practical engineering project of Nanjing metro line S8 as an instance, we selected the information transmission mode for downgrade program and put forward the continuous-point program. For the practical problems when continuous-point program is applied in project to realize various functions, we analyzed the design factors and the information processing mode to make the continuous-point program tend to closed-loop system further.

metro; continuous-point program; active beacon; overlap; interlocking system

弓劍，男，碩士，高級工程師，合肥分院副總工程師，從事城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)計工作， gongjianbs@sina.com

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