城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)后備模式方案

邢紅霞

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院交通運輸系，710014，西安∥副教授）

基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)已成為目前城軌信號系統(tǒng)的發(fā)展方向，該系統(tǒng)為目前最先進的列車運行控制系統(tǒng)。CBTC的突出優(yōu)點是車－地雙向通信，而且傳輸信息量大，傳輸速度快，很容易實現(xiàn)移動自動閉塞。該系統(tǒng)能大量減少區(qū)間敷設(shè)電纜，減少日常維護工作，縮短列車運行間隔，大幅度提高區(qū)間運營通過能力，靈活組織雙向運行和單向連續(xù)發(fā)車，容易適應(yīng)不同車速、不同運量、不同牽引類型的列車運行控制等。

CBTC信號系統(tǒng)雖然有眾多優(yōu)點，但是在實際運營中系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，要求運行狀態(tài)能夠?qū)虬踩?，這就需要一定的后備模式支持。在我國城市軌道交通所使用的CBTC系統(tǒng)中，增加后備模式基本上已經(jīng)成為標配，并且在故障情況下后備模式都是自啟動的。

1 CBTC的故障分類及后備模式方案

1.1 控制中心ATS系統(tǒng)故障

在CBTC系統(tǒng)中，一般會在線路上某個集中站設(shè)置一個列車運行自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）后備服務(wù)器。當控制中心ATS系統(tǒng)故障時（比如到控制中心的通訊中斷），將使用后備站的ATS后備主服務(wù)器及通信服務(wù)器。在這種情況下，列車進路和車站發(fā)車將繼續(xù)根據(jù)故障時使用的時刻表執(zhí)行（見圖1）。

圖1 控制中心ATS系統(tǒng)故障下的后備方案

1.2 中央ATS或中央至車站的信息傳輸通道完全故障

如果后備站的ATS設(shè)備也故障，聯(lián)鎖將按自動信號的方式排列進路。當列車接近信號機，對非折返站聯(lián)鎖將開放直通進路，在折返站開放特殊的折返進路。折返進路可以在故障前通過ATS系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定，或者在ATS故障期間通過本地控制工作站（LCW）進行設(shè)定。車站調(diào)度員也可以通過與正線聯(lián)鎖連接的LCW人工操作進路和信號。

當中央ATS或中央至車站的信息傳輸通道完全故障，系統(tǒng)自動降級為ATS故障情況下的車站級或聯(lián)鎖級控制（見圖2）。對于集中式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在中央設(shè)有聯(lián)鎖設(shè)備，當中央ATS失效時，系統(tǒng)能夠維持列車運行和控制的自動化，通過中央聯(lián)鎖設(shè)備實現(xiàn)基本進路和延續(xù)進路的自動排列，實現(xiàn)所有進路（含延續(xù)進路）的取消和人工解鎖，并實現(xiàn)控制和監(jiān)督列車位置狀態(tài)、進路狀態(tài)以及信號設(shè)備故障等基礎(chǔ)信息的功能。

圖2 信息傳輸通道完全故障下的后備方案

1.2.1 車站級控制

當中央ATS故障或中央通信故障時，控制中心（OCC）的調(diào)度員工作站不可用，可以采取車站級控制模式。在車站級控制模式下，各聯(lián)鎖區(qū)ATS工作站用戶擁有本聯(lián)鎖區(qū)的控制權(quán)（并非全線），用戶只能為本聯(lián)鎖區(qū)各車站的列車或設(shè)備發(fā)送請求。被授權(quán)的車站值班人員通過設(shè)備集中站的ATS設(shè)備實現(xiàn)對本聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)列車運行狀態(tài)的監(jiān)控、列車進路的自動排列、進路解鎖等功能，但是不具備列車自動調(diào)整功能，列車到站停車、發(fā)車時間按系統(tǒng)預(yù)設(shè)時間來進行。計軸系統(tǒng)向車站值班人員反映列車對軌道的占用與出清狀況。由于降級后車－地通信失效，車站緊急停車按鈕不起作用，站臺工作人員需要加強對站臺客流的及時疏導(dǎo)與管理，防止因擁擠或其他原因?qū)е鲁丝偷滠壍佬熊噮^(qū)域造成人身傷亡事故。

司機在此降級模式下視情況轉(zhuǎn)換為iATP（點式ATP駕駛模式）、RM（限制人工駕駛模式）、NRM（非限制人工駕駛模式）中的任一駕駛模式。

在iATP駕駛模式下，系統(tǒng)實現(xiàn)點式ATP功能，包括列車超速防護功能、間隔防護功能、地面信號機防冒進功能和車站站臺區(qū)域停車窗保護功能等。司機按照車載設(shè)備的推薦速度行車，由于信號系統(tǒng)不具備列車自動駕駛和自動調(diào)整功能，所以要求司機嚴格按照《運營時刻表》規(guī)定的開車點及發(fā)車表示器（DTI）顯示掌握好停站和運行時間。只有前方進路排列好，給出信號機綠燈或黃燈顯示，司機才可駕駛列車離開車站。若列車出現(xiàn)故障無法實現(xiàn)點式ATP的駕駛功能時，需要報行調(diào)同意后轉(zhuǎn)換成RM模式（或行調(diào)授權(quán)URM模式）運行。

1.2.2 聯(lián)鎖級控制模式

在控制中心和車站ATS都不可用情況下，啟用聯(lián)鎖級控制模式。在聯(lián)鎖級控制模式下，被授權(quán)的車站值班員利用計軸系統(tǒng)了解列車對軌道的出清或占用情況，通過操作LCW控制聯(lián)鎖設(shè)備進行進路的排列與解鎖等工作，并且所有的列車進路前方均設(shè)置保護區(qū)段。排列進路時相應(yīng)的保護區(qū)段必須是空閑和鎖閉狀態(tài)，在列車出清、滿足解鎖條件后才能對進路和保護區(qū)段進行解鎖。在跨聯(lián)鎖區(qū)排列進路時相鄰站間的操作人員應(yīng)通過通信設(shè)備及時溝通配合作業(yè)，保證跨聯(lián)鎖區(qū)作業(yè)安全順利。此時中央行調(diào)人員應(yīng)做好降級模式下的協(xié)調(diào)與組織工作，車站值班員與司機保持及時通暢的聯(lián)系，做好控制區(qū)域內(nèi)的列車接發(fā)車工作，加強與站務(wù)人員的配合，實現(xiàn)在聯(lián)鎖級控制模式下的安全運營。

在聯(lián)鎖級控制模式下，提供固定閉塞列車間隔和聯(lián)鎖防護，不能提供其他的ATC功能，行車安全由司機全權(quán)負責。司機應(yīng)嚴格按照軌旁信號機的顯示與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的速度和駕駛模式控制列車運行，列車到站的停站時間按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)時間進行，只有前方進路排列好、信號機給出允許信號，司機才可駕駛列車離開車站。由于無法實現(xiàn)車地通信，所以要求司機在駕駛過程中及時向調(diào)度部門報告列車運行的狀態(tài)信息與位置信息，按照信號固定閉塞原理行車。

計軸和軌道電路的作用幾乎是一樣的，軌道電路是聯(lián)鎖的一部分，計軸也是聯(lián)鎖的一部分，當計軸故障后聯(lián)鎖無法知道區(qū)段的占用信息，所以計軸故障聯(lián)鎖也“隨之故障”。軌道電路故障后則采用電話行車或是地面標志信號（手搖旗等）行車，計軸故障后也采用上述行車方法。

1.3 軌旁設(shè)備故障

1.3.1 軌旁ATP／ATO計算機設(shè)備完全故障

如果軌旁ATP／ATO計算機設(shè)備完全故障，則其控制范圍（故障區(qū)）內(nèi)的列車不能按ATO和ATP模式運行。此時，視系統(tǒng)構(gòu)成情況不同，中央聯(lián)鎖設(shè)備或故障區(qū)內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)備應(yīng)在中央行調(diào)或車站值班員的控制下，經(jīng)過必要的手續(xù)改為以后備列車檢測裝置（如軌道電路或計軸設(shè)備）作為列車位置檢測依據(jù)，實現(xiàn)進路的自動和人工設(shè)置，以地面信號機的顯示作為行車憑證，按照固定閉塞方式對列車進行防護（見圖3）。

后備模式下聯(lián)鎖進路的排列方式有按站間閉塞原則設(shè)置的進路和基本聯(lián)鎖進路兩種。站間閉塞原則設(shè)置進路的始端是車站出站信號機，進路的終端是下一車站的出站信號機，在滿足聯(lián)鎖條件后，其進路中的信號機應(yīng)能自動由遠至近順序開放（除進路終端的信號機外）；基本聯(lián)鎖進路的始端是信號機，進路的終端是下一架信號機。聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)置的所有進路（包括延續(xù)進路）應(yīng)具有安全防護功能，包括進路鎖閉、解鎖、道岔側(cè)向防護等。

后備模式下，聯(lián)鎖設(shè)備應(yīng)能將某一信號機或全部信號機設(shè)置為自動模式和人工模式兩種狀態(tài)。當信號機被設(shè)置為自動模式時，應(yīng)能實現(xiàn)基于站間閉塞原則的進路自動排列和折返站的折返進路自動排列。當信號機被設(shè)置為人工模式時，應(yīng)能按基本聯(lián)鎖進路方式人工排列進路。

圖3 軌旁ATP／ATO計算機設(shè)備完全故障的后備方案

1.3.2 軌旁聯(lián)鎖計算機設(shè)備故障

聯(lián)鎖計算機通常采用安全型冗余結(jié)構(gòu)，可靠性高，一臺計算機單元故障時不影響系統(tǒng)正常工作。如果有兩臺計算機單元同時故障，則在其控制范圍內(nèi)將喪失進路控制和聯(lián)鎖功能以及ATP／ATO功能。這時應(yīng)停止故障區(qū)的列車運營或采取人工組織方式運營，直到故障修復(fù)。

1.4 車－地通信設(shè)備故障

對CBTC移動閉塞系統(tǒng)而言，如果基于通信的基礎(chǔ)設(shè)備，如感應(yīng)環(huán)線、裂縫波導(dǎo)、軌旁無線電臺或天線等車－地連續(xù)通信設(shè)備發(fā)生故障，對于配備點式設(shè)備的系統(tǒng)可降為點式ATP列車控制級，通過點式通信設(shè)備實現(xiàn)車－地通信和列車的控制。也可直接降為聯(lián)鎖級控制，由司機人工駕駛，人工開關(guān)車門、屏蔽門或安全門。

1.5 車載系統(tǒng)出現(xiàn)故障

1.5.1 車載ATO子系統(tǒng)出現(xiàn)故障

車載ATO子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，列車應(yīng)采用ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式（iATP）運行；車載通信單元故障時，列車應(yīng)按照相應(yīng)的行車規(guī)則，采用限制人工駕駛模式運行。

此模式下由司機根據(jù)地面信號機的顯示駕駛列車以不超過預(yù)先確定的安全速度（如25km／h）運行，并隨時準備停車。此安全速度由車載ATP防護，一旦發(fā)現(xiàn)列車超速，ATP將實施制動。

1.5.2 車載ATP子系統(tǒng)故障

當列車車載設(shè)備故障或車載信號設(shè)備無法發(fā)送列車位置和接收軌旁信息時，應(yīng)按照嚴格的行車規(guī)則，采用NRM運行。由駕駛員使用特殊的鑰匙開關(guān)進入該模式，在此模式下ATC系統(tǒng)將不起任何作用。列車運行及安全完全由調(diào)度員、車站值班員和司機人工保證。采用該駕駛模式，必須嚴格按照行車規(guī)則執(zhí)行。

無論何種車載設(shè)備故障，均應(yīng)在設(shè)備界面上給司機顯示相應(yīng)故障信息。

2 CBTC降級狀態(tài)下后備設(shè)備配置

2.1 列車軌道占用后備檢測設(shè)備

移動閉塞的列車定位通過交叉環(huán)線、信標、測速傳感器等方式，由車載ATP設(shè)備主動檢測，經(jīng)車－地通信發(fā)送給軌旁ATP設(shè)備實現(xiàn)列車位置精確定位。為滿足系統(tǒng)降級運營模式以及無ATP保護列車運行的需要，正線區(qū)間線路、車站正線和道岔區(qū)段需設(shè)置備用列車檢測設(shè)備，如計軸設(shè)備或軌道電路，這樣才能確保CBTC后備模式的運行效率和運行安全。

2.2 信號機

正線除道岔區(qū)段、降級運行時的列車進路始終端、聯(lián)絡(luò)線及其它須防護的特殊位置設(shè)防護信號機外，其余地點原則上不設(shè)地面信號機。

為減少維修提高可靠性和可用性，信號機擬采用LED鋁合金信號機。地面列車信號機的顯示方式如下：①紅燈——禁止通行，“特殊列車”在信號機前停車；②綠燈——允許通行，進路中所有道岔開通直向；③黃燈——允許通行，進路中至少有一組道岔開通側(cè)向；④黃燈＋紅燈——引導(dǎo)信號，允許“特殊列車”以不大于25km／h（暫定）速度越過信號機，并隨時準備停車。

2.3 設(shè)備安裝要求

信號機、轉(zhuǎn)轍機、軌旁車－地通信設(shè)備、列車檢測設(shè)備等的安裝應(yīng)滿足線路設(shè)備限界以及土建結(jié)構(gòu)、軌道、排水等專業(yè)的要求，所有軌旁設(shè)備其金屬外殼都應(yīng)安全接地。

3 后備控制模式下系統(tǒng)應(yīng)達到的運營能力

在CBTC的后備模式下，根據(jù)地面信號設(shè)備的布置，列車按照固定閉塞方式，司機以地面信號顯示行駛，列車的最高運行速度可視以下情況控制。

（1）當進路上所有道岔處于直向開通位置，設(shè)置的進路空閑，顯示綠燈，司機可按站間區(qū)間最小線路限制速度運行。

（2）當進路上至少有一組道岔處于側(cè)向開通位置，設(shè)置的進路空閑，顯示黃燈，司機可按道岔側(cè)向限速運行。

后備控制模式下系統(tǒng)的設(shè)備配置應(yīng)實現(xiàn)線路設(shè)計規(guī)定的行車追蹤間隔、區(qū)間最高運行速度不低于線路設(shè)計規(guī)定運營能力的要求，具體數(shù)值要視不同線路實際設(shè)計要求而定。

4 結(jié)語

各個CBTC系統(tǒng)廠商在系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性上都采用了較高的設(shè)計標準，但在后備降級控制功能的強弱上存在一定的差異。當CBTC系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時，都能轉(zhuǎn)換到提前預(yù)置的后備降級模式，而后備模式需要設(shè)置相應(yīng)的信號設(shè)備。由此可見CBTC系統(tǒng)并非能夠大幅減少軌旁設(shè)備，據(jù)此對CBTC系統(tǒng)的可靠性和可用性指標的科學合理性產(chǎn)生質(zhì)疑。

后備降級控制功能一般是利用信標、查詢應(yīng)答器實現(xiàn)車－地信息傳輸，完成ATP功能。聯(lián)鎖模式下用計軸器顯示區(qū)段的占用與否。后備模式下，列車的運營能力和運行速度都不可能與正常運行狀態(tài)相提并論，但能夠確保信號系統(tǒng)在最少的人工參與條件下最大限度地實現(xiàn)列車安全與自動控制，這才是后備模式的意義所在。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］林瑜筠.城市軌道交通信號設(shè)備［M］.北京：中國鐵道出版社，2006.

［3］林海香，董昱.無線CBTC系統(tǒng)車地通信方案研究［J］.蘭州交通大學學報，2010，29（6）：124.

［4］劉曉娟，黨建武，劉蓓.基于通信的列車控制系統(tǒng)中無線傳輸系統(tǒng)的安全性研究［J］.城市軌道交通研究，2009（12）：37.