美式信標在基于通信的列車控制信號系統(tǒng)中的應用分析

顧家泉 李立明

（1.上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院，201620，上海；2.上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上?！蔚谝蛔髡撸砉こ處煟?/p>

信標是CBTC（基于通信的列車控制）信號系統(tǒng)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)備，無論是CBTC 的主用模式還是后備模式，都必須依靠信標在特定的位置向車載設(shè)備發(fā)送軌旁信息。由于初期我國普速及高速鐵路都采用歐式信標（應答器），早期投入使用的CBTC信號系統(tǒng)也采用歐式信標，因此，美式信標作為在CBTC信號系統(tǒng)中新近引進的信號設(shè)備，值得進行深入研究［1］。

1 美式信標概述

信標是設(shè)置在鋼軌中央的被外殼保護的電路板，其內(nèi)部存儲著預先定義的信息。當列車經(jīng)過信標時，列車天線位于信標上方，通過電磁感應原理將電磁能量送入信標內(nèi)部電路，信標開始工作，將內(nèi)部存儲的信息不斷地發(fā)送出去，被列車天線所接收后通過解碼，成為控制車載設(shè)備運行的軌旁數(shù)據(jù)。

當前信號系統(tǒng)運用的信標按制造標準可以分為歐式信標和美式信標。每類信標又可根據(jù)是否由外部供電可分為無源信標（靜態(tài)信標）和有源信標（動態(tài)信標）。無源信標用于列車定位初始化和重定位，對外發(fā)送信息固定不變；有源信標在CBTC 后備模式下向車載設(shè)備傳送信號機、道岔等軌旁設(shè)備狀態(tài)信息，對外發(fā)送信息由聯(lián)鎖進行控制。

美式無源信標傳送的是該信標的識別號（ID），一般是60 位二進制數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量上相比發(fā)送1 023位二進制數(shù)據(jù)報文的歐式無源信標大大減少。美式有源信標只有被激活和未激活兩種狀態(tài)，根據(jù)故障－安全原則，激活態(tài)對應危險側(cè)信息，如信號開放、道岔開通定位等；未激活態(tài)對應安全側(cè)信息，如信號關(guān)閉、道岔開通反位等，當有源信標發(fā)生通信中斷、電源失電等非正常情況時，信標也被置于未激活狀態(tài)。

美式有源信標被封裝在專用的信標盒內(nèi)，信標盒可以容納2個或3個不同類型的有源信標，當一處被布置的信標數(shù)量大于信標盒可以容納的數(shù)量時，可以同時布置多個信標盒以允許放置足夠數(shù)量的信標。與美式信標不同的是，歐式有源信標和無源信標可以相互通用，當通信正常時有源信標將發(fā)送軌旁電子單元（LEU）發(fā)送過來的報文，通信失敗時將發(fā)送自身存儲的默認報文［2］。

2 無源信標應用分析

在預先定義車載設(shè)備的數(shù)據(jù)庫中，包含所有無源信標的識別號和坐標位置。列車初始化定位的過程是：經(jīng)過第一個無源信標時，根據(jù)收到的信標識別信息對應到車載數(shù)據(jù)庫中確定絕對位置，經(jīng)過連續(xù)的第二個無源信標時，比照車載數(shù)據(jù)庫中兩無源信標的相對位置，從而獲得運行方向，初始化定位過程結(jié)束。列車在運行中依靠自身的測速測距裝置定位，當經(jīng)過無源信標時，重新校準自身的定位，這樣的過程稱為重定位。當列車沒有檢測到連續(xù)的兩個無源信標或是檢測到與車載數(shù)據(jù)庫不符的意外信標時，將會失去定位并緊急制動［3］。

3 有源信標應用分析

在CBTC 信號系統(tǒng)后備模式下，通過對有源信標不同方式的運用，可以構(gòu)成冒進防護式和點式防護兩種列車運行控制方式。

3.1 冒進防護式

冒進防護式應用于自儀泰雷茲的CBTC 信號系統(tǒng)，遵循的是固定閉塞的工作原理，車載設(shè)備生成的速度限制曲線只考慮土建限速和道岔限速。當列車冒進紅燈時，車載設(shè)備自動施加緊急制動，且列車停穩(wěn)后必須重初始化。

該方式下的有源信標分為信號機信標和進路信標，分別與信號機和對向道岔相關(guān)聯(lián)。每個信號機關(guān)聯(lián)一組信號機信標，每組信標含兩個相同的信標，分別對應列車裝設(shè)在車頭和車尾的天線。信號機信標根據(jù)關(guān)聯(lián)信號機的不同顯示，還可以分為綠燈信標，白燈信標和線路運行方向上的對向道岔對應一個進路信標。

兩站間有源信標的典型布置如圖1所示。X1是甲站的出站信號機，X2、X3分別是乙站的進站、出站信號機。X1 與 X2 間構(gòu)成 Block1，X2 與 X3間構(gòu)成Block2。B1LA，B1LB是與X1關(guān)聯(lián)的一組有源信標，B2LA，B2LB 是與 X2 關(guān)聯(lián)的一組有源信標，B3LA，B3LB是與X3關(guān)聯(lián)的一組有源信標。由于X1、X2、X3都是紅綠兩顯示結(jié)構(gòu)，所以關(guān)聯(lián)的有源信標都是綠燈信標。

圖1 冒進防護式兩站間有源信標的典型布置圖

當信號機點亮綠燈時，關(guān)聯(lián)的一組內(nèi)的2個信標被激活，發(fā)送特定頻率的信息；當信號機點亮紅燈時，關(guān)聯(lián)的有源信標不會被激活。列車根據(jù)車載數(shù)據(jù)庫會在一個預先定義的窗口內(nèi)檢測有源信標發(fā)送的特定頻率信息，若該信息未被檢測到，則判斷列車冒進了紅燈信號機，立刻實施緊急制動。聯(lián)鎖控制防護列車占用閉塞分區(qū)及相鄰的后一分區(qū)的信號機點亮紅燈，其余信號機點亮綠燈，構(gòu)成“雙紅燈防護”。即使列車冒進信號機，列車開始實施緊急制動后將在前一列車所占用閉塞分區(qū)的相鄰分區(qū)內(nèi)停住，不會進入前一列車所占用區(qū)段內(nèi)，確保了列車間隔。如列車在Block2，X1顯示紅燈，當后續(xù)列車冒進X1時，車載設(shè)備實施緊急制動使得后續(xù)列車在Block1內(nèi)停住。

此外，當乙站站臺區(qū)域關(guān)閉時，乙站的進站、出站信號機都會點亮紅燈，而X2到乙站入口處存在一定的防護距離，使得列車冒進X2后實施緊急制動后能夠在乙站外停住，確保站臺區(qū)域的安全。

當列車運行方向上存在道岔時，如圖2所示，對于防護相對列車運行方向為對向道岔的信號機而言，存在紅、白、綠3種顯示，此時與X1信號機關(guān)聯(lián)的一組有源信標需要綠燈信標B1L 和白燈信標B1B兩類，通過發(fā)送不同的頻率信息以供車載設(shè)備進行區(qū)分。當?shù)啦黹_通正向時，綠燈信標被激活，列車獲得正向限速；當?shù)啦黹_通側(cè)向時，白燈信標被激活，列車獲得側(cè)向限速；當?shù)啦砦撮_通時，兩個信標都處于未激活狀態(tài)，信標作為紅燈冒進防護。

圖2 列車對向過岔有源信標布置圖

由于側(cè)向限速相對較低，車載設(shè)備默認在到達道岔前將控制列車減速到側(cè)向限速以下。為提高正向過岔的效率，在距離線路正方向的對向道岔的一定距離設(shè)置進路信標。在圖2中，B1JL即為與道岔及其防護信號機X1關(guān)聯(lián)的進路信標。當關(guān)聯(lián)的道岔已開通正向時，進路信標被激活，車載設(shè)備可以提前提高限速使得列車可以高速通過道岔。當?shù)啦硖幱陂_通側(cè)向或未開通狀態(tài)時，進路信標不會被激活，列車按默認程序控制限速。

對于防護相對列車運行方向為順向道岔的信號機而言，如圖3所示，根據(jù)信號機防護的道岔開通方向，布置綠燈信標或白燈信標。

圖3 列車順向過岔有源信標布置圖

需要指出的是，道岔防護信號機開放允許信號除了要考慮所防護道岔的狀態(tài)，也需要符合“雙紅燈防護”的列車間隔原則。對于處于車站進站、出站位置的道岔防護信號機，將直接作為車站進站、出站信號機，其開放允許信號時還將考慮站臺區(qū)域的狀態(tài)［4］。

3.2 點式防護

點式防護應用于浙大網(wǎng)新的CBTC 信號系統(tǒng)，遵循的是準移動閉塞的工作原理。車載設(shè)備速度限制曲線根據(jù)信號機狀態(tài)、道岔限速以及土建限速結(jié)合生成。車載設(shè)備通過一個開放的信號機后給出到下一個信號機的移動授權(quán)，并控制列車只能以很低的速度接近下一個信號機以讀取與該信號機關(guān)聯(lián)的有源信標狀態(tài)；當下一個信號機關(guān)閉時，車載設(shè)備實施緊急制動。

該方式下有源信標可分為主體信標和復示信標，主體信標設(shè)在信號機旁，與信號機關(guān)聯(lián)，并根據(jù)信號機燈位確定信標數(shù)量，與同一信號機關(guān)聯(lián)的多個信標防護不同限速的進路。復示信標設(shè)在主體信標前的一定距離，復示主體信標的狀態(tài)，令列車提前加速。

兩站間不存在道岔時，有源信標的典型布置如圖4所示。X1是甲站的出站信號機，X2是乙站的出站信號機。B1是與X1關(guān)聯(lián)的主體信標，B2是與X2關(guān)聯(lián)的主體信標。軌道區(qū)段被劃分為G1、G2和G3，其中G1是由甲站與乙站組成的區(qū)間，G2是乙站站臺軌道區(qū)段，G1和G2組成被X1防護的閉塞分區(qū)Block1，G3是Block1的保護區(qū)段（overlap）。

圖4 點式防護兩站間有源信標的典型布置圖

當 G1、G2 和 G3 都空閑時，X1 開放，B1被激活，車載設(shè)備越過激活的B1 時給出列車從X1 到X2的移動授權(quán)；在接近X2時，車載設(shè)備生成限速曲線使列車減速，列車只被允許以低速越過B2。若X2開放，B2被激活，車載設(shè)備給出到下一個主體信標處的移動授權(quán)；若X2開放關(guān)閉，列車越過未被激活的B2 后，實施緊急制動，并且列車將在Block1的保護區(qū)段G3內(nèi)停住，保證了列車的安全間隔。

一般而言，G3即為乙站與下一站所構(gòu)成的區(qū)間。當站間距離過長時，在乙站與下一站所構(gòu)成的區(qū)間中單獨設(shè)立一個軌道區(qū)段作為Block1的保護區(qū)段。

由于正常運營中列車本就需要站前減速，之后停靠站臺供乘客乘降，所以列車速度限制曲線在X2前減速不會對正常運營產(chǎn)生影響。

兩站間存在對向道岔時（甲站出站位置有岔除外），有源信標的典型布置如圖5所示。X1是甲站的出站信號機，X2是道岔防護信號機，X3 是乙站的出站信號機。B1是與X1關(guān)聯(lián)的主體信標，B2、B3是與X2關(guān)聯(lián)的主體信標，分別對應道岔的定反位。B2F、B3F分別是B2、B3的復示信標，B4是X3關(guān)聯(lián)的主體信標。軌道區(qū)段被劃分為G1、G2、G3和G4，其中G1 即Block1 是由甲站與道岔防護信號機組成的區(qū)間，G2 是道岔軌道區(qū)段，G3 是乙站站 臺 軌 道 區(qū) 段，G2 和 G3 組 成 Block2，G4 是Block2的保護區(qū)段。當G1、G2空閑時，X1開放，B1被激活，車載設(shè)備給出到X2的移動授權(quán)。當列車經(jīng)過B2F、B3F 時，若道岔開通定位，B2F 激活，車載設(shè)備生成通過X2的定位過岔曲線；若道岔開通反位，B3F激活，車載設(shè)備生成通過的X2反位過岔曲線；當?shù)啦砦撮_通，X2關(guān)閉時，B2F、B3F 都不被激活，車載設(shè)備給出到X2的移動授權(quán)，并允許列車以很低的速度接近B2、B3，以能夠獲得通過X2的授權(quán)。若列車經(jīng)過X2時，B2、B3還未被激活，車載設(shè)備施加緊急制動。若列車通過X2后經(jīng)道岔定位，車載設(shè)備生成到X3的移動授權(quán)，之后的控制方式與站間無岔情況相同［5］。

圖5 點式防護兩站間存在對向道岔時有源信標布置圖

兩站間存在對向道岔時，與道岔防護信號機關(guān)聯(lián)的主體信標和對應的復示信標只各采用一個即可，如圖6所示。

圖6 點式防護兩站間存在順向道岔時有源信標布置圖

當出站位置存在道岔時，出站信號機的開放不僅需要所防護的閉塞分區(qū)和延續(xù)的保護區(qū)段空閑，也需要聯(lián)鎖條件被滿足。此時，由于列車本就需要減速?？寇囌荆瑹o需再設(shè)置出站兼道岔防護信號機主體信標的復示信標。

3.3 兩種列控方式比較分析

由于美式有源信標不同的應用原則，導致兩種列控方式在多個方面存在明顯的差異。

從安全性的角度看，兩種方式都可以確保列車的安全間隔。但冒進防護式是一種事后防護，無法使得車載設(shè)備控制列車在關(guān)閉的信號機前采取減速措施，在信號機前方停住，這不利于體現(xiàn)信號機禁止信號的嚴肅性，長此以往司機會習慣性地認為即使冒進紅燈也不會發(fā)生安全問題，忽視信號機顯示對行車駕駛的約束。

從可靠性的角度來看，由于冒進防護式與信號機關(guān)聯(lián)的信標按冗余備份設(shè)置，一組內(nèi)的單個信標故障不會使得車載設(shè)備觸發(fā)制動；而點式防護中信標故障后車載設(shè)備只能觸發(fā)制動并且重新初始化，一定程度上會對行車效率產(chǎn)生影響。

從提高運輸效率的角度看，采用冒進防護式，兩站間可以任意增加閉塞分區(qū)的數(shù)量，以減少列車占用分區(qū)的時間，提高運輸效率。使用美式信標的點式防護系統(tǒng)中，當前以一個站間作為一個分區(qū)，若兩站間距離過長會對運輸效率產(chǎn)生不利影響。但就使用歐式信標的點式防護系統(tǒng)來看，在兩站間適當增加閉塞分區(qū)及其保護區(qū)段是可行的［6］。

從列車駕駛的角度看，采用冒進防護式的系統(tǒng)車載設(shè)備無法預先獲取前方信號機的狀態(tài)。司機在關(guān)注車載信號設(shè)備給出限速的同時，也必須時刻留意地面信號機的狀態(tài)。若前方信號機關(guān)閉時，需要司機自行控制列車減速以在信號機前方停住，防止冒進；在主體信號機顯示距離不足時，必需增設(shè)1架甚至是兩架復示信號機提前預告主體信號機的狀態(tài)，大大增加了信號機的數(shù)量，增大了司機的工作強度。點式防護，由于設(shè)置了預告信標，使得車載設(shè)備提前獲得道岔和信號機的狀態(tài)，形成控車曲線，確保列車在授權(quán)末端停住。因而可以增設(shè)ATO（列車自動駕駛）模式。即使手動駕駛也主要是根據(jù)車載信號控車，接近信號機或站臺發(fā)車前確認其狀態(tài)即可，無需過度擔心冒進信號的問題［7］。

4 結(jié)語

由于城市軌道交通CBTC 系統(tǒng)通常采用后備模式，行車時所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，遠遠低于歐式信標的最大數(shù)據(jù)傳輸容量，因此美式信標是一個十分經(jīng)濟理想的選擇。相信隨著美式信標在信號系統(tǒng)實際應用經(jīng)驗的增加，其將會更多地被選擇和使用。

［1］李向紅，李永善，曹進.高速鐵路中的查詢應答器［J］.鐵道通信信號，2004（10）：5.

［2］上海申通地鐵集團有限公司軌道交通培訓中心.城市軌道交通信號技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［3］夏青.應答器與測速組合定位在地鐵中的應用［J］.鐵路通信信號工程技術(shù)，2012（4）：51.

［4］徐金祥.城市軌道交通信號基礎(chǔ)［M］.北京：中國鐵道出版社，2010：71.

［5］邢紅霞，李樂.城市軌道交通信號系統(tǒng)［M］.重慶：重慶大學出版社，2013.

［6］周吉榮，付連著，萬曲波.后備模式下列車的追蹤能力［J］.鐵道通信信號，2013（8）：48.

［7］樊國林.移動閉塞信號后備系統(tǒng)方案研究［J］.城市軌道交通研究，2014（2）：23.

［8］王琰.基于通信的列車控制系統(tǒng)后備系統(tǒng)的探討［J］.鐵道標準設(shè)計，2007（6）：134.