基于通信的列車控制技術(shù)下城市軌道交通軌旁信號(hào)的分析

朱 莉

(上海軌道交通維護(hù)保障中心通號(hào)分公司,200233,上?！喂こ處?

在城市軌道交通中,為保證列車運(yùn)行安全,必須保證列車以一定的安全間隔運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)這種間隔的技術(shù)稱為閉塞,即用信號(hào)或憑證來保證列車按照空間間隔制運(yùn)行的技術(shù)方法[1]。閉塞技術(shù)包括固定閉塞、準(zhǔn)移動(dòng)閉塞和移動(dòng)閉塞。

移動(dòng)閉塞是一種新型的閉塞制式,是實(shí)現(xiàn)CBTC(Communications-Based Train Control,基于通信的列車控制)的關(guān)鍵技術(shù)之一。CBTC是這種閉塞的應(yīng)用系統(tǒng)[2]。

1 城市軌道交通系統(tǒng)中軌旁信號(hào)的作用

對(duì)于固定閉塞,軌道交通線路被劃分為若干閉塞分區(qū)。在一個(gè)或多個(gè)閉塞分區(qū)之間設(shè)置軌旁信號(hào)機(jī)對(duì)分區(qū)進(jìn)行防護(hù),根據(jù)閉塞分區(qū)的方向及列車運(yùn)行時(shí)對(duì)分區(qū)的占用狀態(tài),確定防護(hù)該分區(qū)的軌旁信號(hào)顯示。列車則根據(jù)信號(hào)顯示運(yùn)行。

當(dāng)采用移動(dòng)閉塞時(shí),不需要真正的物理閉塞分區(qū),只有邏輯閉塞分區(qū)或者說是虛擬閉塞分區(qū)。軌旁CBTC系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)給出的道岔位置、閉塞分區(qū)方向等安全變量,給出列車的移動(dòng)授權(quán);列車再根據(jù)前方列車的位置和速度,計(jì)算自己的運(yùn)行速度曲線,以保證列車安全的運(yùn)行間隔。于是,有人提出,由于CBTC技術(shù)的應(yīng)用,列車依靠移動(dòng)授權(quán)來運(yùn)行,軌旁信號(hào)并無實(shí)際意義,是否可以取消,從而節(jié)約工程造價(jià)和施工工作量,并減少后期的維護(hù)。

CBTC技術(shù)目前尚處于發(fā)展初期,經(jīng)過近幾年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)有許多不確定因素,比如通信故障、列車自動(dòng)控制系統(tǒng)故障等。當(dāng)發(fā)生這些故障時(shí),由于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn),必須保證不間斷運(yùn)營(yíng),且軌道線路中有時(shí)需要運(yùn)行未裝備CBTC的列車(非通信列車)、救援列車等,這就需要有后備模式可以選用。在后備模式下,列車需要根據(jù)軌旁信號(hào)和物理閉塞分區(qū)提供的安全防護(hù)維持運(yùn)行。后備模式的選用,增加了城市軌道交通控制系統(tǒng)的技術(shù)難度。

2 CBTC技術(shù)下的軌旁信號(hào)顯示

軌旁信號(hào)在CBTC模式和后備模式下所起的作用顯然是不同的。在CBTC模式下,軌旁信號(hào)只是一個(gè)輔助設(shè)備,但列車的運(yùn)行又不能違背傳統(tǒng)的軌旁信號(hào)顯示,如果軌旁信號(hào)和車載信號(hào)顯示不一致時(shí),反而給運(yùn)行速度的判斷帶來困擾。因此,本文分別對(duì)后備模式、CBTC點(diǎn)燈模式和CBTC滅燈模式進(jìn)行分析。

2.1 CBTC點(diǎn)燈模式

CBTC點(diǎn)燈模式,即在CBTC模式下,軌旁信號(hào)采用點(diǎn)燈的顯示方式。上海軌道交通6、8、9號(hào)線以及北京地鐵機(jī)場(chǎng)線都采用了CBTC點(diǎn)燈模式。

在CBTC模式下,軌旁信號(hào)機(jī)顯示允許信號(hào)和禁止信號(hào)的邏輯與后備模式是不同的。CBTC模式時(shí),列車將按照移動(dòng)授權(quán)(LMA)的命令來運(yùn)行,所有LMA范圍內(nèi)的信號(hào)機(jī)顯示允許信號(hào),這樣可以縮短運(yùn)行間隔,提高運(yùn)營(yíng)效率(如圖1所示)。

圖1 CBTC點(diǎn)燈模式

圖1中,在CBTC點(diǎn)燈模式下,由CBTC系統(tǒng)來保證列車的運(yùn)行間隔。當(dāng)列車 A在EF區(qū)段運(yùn)行時(shí),可以為列車B建立以D 點(diǎn)(S1信號(hào)機(jī)處)為始端通向EF區(qū)段的進(jìn)路;進(jìn)路建立、道岔鎖閉、敵對(duì)進(jìn)路未建立時(shí),S1信號(hào)機(jī)顯示綠燈,指示列車B能駛過S1繼續(xù)前行。列車A與列車B的間隔距離通過CBTC系統(tǒng)計(jì)算來保證安全。

這種設(shè)計(jì)方法,同一架軌旁信號(hào)所防護(hù)的進(jìn)路中允許同時(shí)有一列以上列車運(yùn)行,其安全距離由CBTC系統(tǒng)來保證。軌旁信號(hào)所防護(hù)的進(jìn)路中有車在運(yùn)行時(shí),允許點(diǎn)亮允許信號(hào),這與既有的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件中規(guī)定的“防護(hù)該進(jìn)路的信號(hào)機(jī)必須檢查其進(jìn)路空閑[3]”不相符。并且當(dāng)S1由于故障不能正常點(diǎn)亮綠燈時(shí),雖然CBTC模式下不會(huì)迫使列車停在S1前方,但會(huì)對(duì)司機(jī)產(chǎn)生混淆,有可能影響運(yùn)營(yíng)效率。

2.2 CBTC滅燈模式

CBTC滅燈模式,是在CBTC模式下,軌旁信號(hào)采用滅燈的顯示方式。北京地鐵2號(hào)線、上海軌道交通10號(hào)線均采用了CBTC滅燈模式。

在CBTC滅燈模式下,列車完全依賴于車載信號(hào)運(yùn)行,軌旁信號(hào)只能為車載系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)或其它軌旁設(shè)備故障時(shí)提供一種后備顯示(如圖2所示)。

圖2中,在CBTC滅燈模式下,當(dāng)列車A在EF區(qū)段運(yùn)行時(shí),可以為列車B建立以D點(diǎn)(S1信號(hào)機(jī)處)為始端通向EF區(qū)段的進(jìn)路,進(jìn)路建立、道岔鎖閉、敵對(duì)進(jìn)路未建立時(shí),CBTC系統(tǒng)為列車B提供“允許信號(hào)”(這里的“允許信號(hào)”并不是說S1信號(hào)開放,只是給出了列車 B在S1前方運(yùn)行的移動(dòng)授權(quán)),指示列車B可以越過S1,按規(guī)定速度運(yùn)行。列車B與列車A的安全距離由CBTC系統(tǒng)保證。

圖2 CBTC滅燈模式

在CBTC滅燈模式下,軌旁信號(hào)處于滅燈狀態(tài),列車運(yùn)行的安全間隔距離由CBTC系統(tǒng)來保證。由于運(yùn)行圖中可以方便地搜索和計(jì)算前方是否有列車在運(yùn)行,以及前方列車運(yùn)行的速度,并且可以實(shí)時(shí)更新列車位置信息,大大提高了運(yùn)行的效率;同時(shí)軌旁信號(hào)平時(shí)不點(diǎn)亮任何燈光,可以節(jié)約能源、減少熱量排放。

當(dāng)然,CBTC滅燈模式也有缺陷,如無法實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)機(jī)的故障情況。在CBTC運(yùn)行模式下,如果設(shè)備發(fā)生故障啟用后備模式時(shí),聯(lián)鎖子系統(tǒng)根據(jù)區(qū)段占用情況、道岔位置等信息開放軌旁信號(hào)機(jī),為司機(jī)行車提供安全指令。此時(shí),假設(shè)信號(hào)機(jī)也發(fā)生故障,無法正常開放時(shí),后備模式也無法正常使用,使得故障影響擴(kuò)大化。因此,如果采用CBTC滅燈模式,建議夜間停運(yùn)期間,維護(hù)人員定期人工開放信號(hào)機(jī),檢查信號(hào)機(jī)狀態(tài),以免發(fā)生不能正常啟用后備模式的情況發(fā)生。

2.3 后備模式

上海地鐵信號(hào)系統(tǒng)由于工期較緊,在CBTC系統(tǒng)投入使用前,往往會(huì)先開通后備系統(tǒng)。后備系統(tǒng)通常是由聯(lián)鎖、閉塞和點(diǎn)式超速防護(hù)系統(tǒng)等構(gòu)成的,為線路開通初期的運(yùn)營(yíng)提供安全保障。

在CBTC系統(tǒng)開通后,后備系統(tǒng)作為ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)的組成部分,又可以作為一種降級(jí)模式使用,為車載設(shè)備故障的運(yùn)營(yíng)列車或非通信列車(工程車等)提供聯(lián)鎖及閉塞防護(hù)功能;或當(dāng)無線通信子系統(tǒng)故障或軌旁區(qū)域控制器發(fā)生故障(不含聯(lián)鎖相關(guān)設(shè)備)時(shí),對(duì)相應(yīng)故障區(qū)域內(nèi)的列車提供聯(lián)鎖、閉塞及點(diǎn)式超速防護(hù)的功能。當(dāng)CBTC系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí),不采用后備模式。

在后備模式下,上海已經(jīng)開通的軌道交通6、8、9號(hào)線采用“雙紅燈”防護(hù)的理念,并且每個(gè)信號(hào)機(jī)前方都有相關(guān)聯(lián)的信標(biāo)。當(dāng)信號(hào)機(jī)顯示允許信號(hào)(綠燈或白燈)時(shí),相對(duì)應(yīng)的信標(biāo)通電;若信號(hào)機(jī)顯示禁止信號(hào),則信標(biāo)失電。此時(shí)若列車冒進(jìn)信號(hào),將觸發(fā)緊急制動(dòng),以確保運(yùn)行安全。如圖3所示,當(dāng)列車A在EF區(qū)段運(yùn)行時(shí),信號(hào)機(jī)S1、S2必須都顯示紅燈,以防止列車B駛?cè)?如果一旦列車B越過紅燈信號(hào)S1,車載設(shè)備由于檢測(cè)不到與信號(hào)機(jī)S1允許顯示相應(yīng)的應(yīng)答器,從而觸發(fā)一個(gè)緊急制動(dòng),迫使列車停車,以保證不越過第二架紅燈信號(hào)機(jī)S2。

圖3 后備模式的軌旁信號(hào)顯示

2.4 模式轉(zhuǎn)換

在CBTC技術(shù)條件下的信號(hào)系統(tǒng)中,其CBTC子系統(tǒng)和聯(lián)鎖子系統(tǒng)都有CBTC模式與后備模式兩種模式,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。模式轉(zhuǎn)換的條件,由CBTC子系統(tǒng)和聯(lián)鎖配合完成,CBTC子系統(tǒng)提供當(dāng)前所處模式信息,發(fā)送給聯(lián)鎖子系統(tǒng),最終由聯(lián)鎖子系統(tǒng)判斷后決定軌旁信號(hào)的點(diǎn)燈模式。當(dāng)CBTC子系統(tǒng)和聯(lián)鎖子系統(tǒng)選擇相同的模式時(shí),系統(tǒng)根據(jù)所選模式運(yùn)行。當(dāng)CBTC子系統(tǒng)和聯(lián)鎖子系統(tǒng)選擇了不同模式時(shí),應(yīng)以較低一級(jí)的模式處理,確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1)選擇CBTC模式:聯(lián)鎖根據(jù)CBTC模式下的技術(shù)條件,所建立的進(jìn)路不檢查區(qū)段空閑,CBTC系統(tǒng)將移動(dòng)授權(quán)、運(yùn)行方向等信息發(fā)送給車載系統(tǒng),列車根據(jù)CBTC子系統(tǒng)的移動(dòng)授權(quán)運(yùn)行;軌旁信號(hào)處于滅燈或點(diǎn)燈狀態(tài)。

2)選擇后備模式:聯(lián)鎖根據(jù)后備模式下的聯(lián)鎖技術(shù)條件,檢查進(jìn)路中的軌道區(qū)段空閑并滿足進(jìn)路的其它聯(lián)鎖條件,才能開放軌旁信號(hào);運(yùn)行間隔由聯(lián)鎖保證安全,列車根據(jù)軌旁信號(hào)顯示運(yùn)行;軌旁信號(hào)處于點(diǎn)燈狀態(tài)。

根據(jù)設(shè)計(jì)的需要,同一條軌道交通線路中不同的軌旁信號(hào)可以處于不同的模式。如圖3中的軌旁信號(hào)S1和S2,可以選擇不同的模式,S1、S2可根據(jù)當(dāng)前所處的狀態(tài),分別選擇CBTC模式和后備模式。

3 結(jié)語(yǔ)

CBTC系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信、計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)地控制,能夠縮短運(yùn)行間隔,提高運(yùn)營(yíng)效率。目前國(guó)內(nèi)正在大力修建客運(yùn)專線。針對(duì)僅開行動(dòng)車組的客運(yùn)專線,信號(hào)機(jī)常態(tài)滅燈,如車載設(shè)備故障或開行未安裝ATP(列車自動(dòng)防護(hù))車載設(shè)備的列車時(shí),按照站間閉塞模式運(yùn)行,信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)為點(diǎn)燈狀態(tài)[4]。廣株客運(yùn)專線、滬杭客運(yùn)專線、武廣客運(yùn)專線等,都將采用這種軌旁信號(hào)顯示方式。總之,在CBTC技術(shù)下,城市軌道交通系統(tǒng)采用軌旁信號(hào)滅燈的顯示方式,可以滿足大容量的城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)要求,同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)境需求。

[1]TB/T 454—1981 鐵路信號(hào)名詞術(shù)語(yǔ)[S].

[2]蔣晟.基于通信的列車控制-CBTC[J].科協(xié)論壇,2009(2):74.

[3]TB/T 3027—2002 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件[S].

[4]鐵運(yùn)[2008]19號(hào)文.關(guān)于客運(yùn)專線信號(hào)顯示系統(tǒng)若干問題的指導(dǎo)意見[S].