基于既有線固定閉塞信號系統(tǒng)升級的方案研究

羅 勛

北京地鐵13號線是北京第一條全地面軌道的城市軌道線路，全長40.5km。由于當時13號線是按照郊區(qū)聯(lián)絡線規(guī)劃建設，設計運行間隔大，信號系統(tǒng)配置技術等級低，早已不能滿足客流不斷增長的運營要求。且原信號系統(tǒng)采用英國西屋公司的設備及技術，存在設備老化問題突出，維修困難等問題。為此，北京地鐵聯(lián)合大成通號公司進行國產化目標－距離模式信號系統(tǒng)研發(fā)及應用試驗，目的是采用國產化產品，對未完全到使用壽命的既有系統(tǒng)進行局部改造、替代，延長系統(tǒng)使用壽命，提升信號系統(tǒng)運行間隔能力，提升設備穩(wěn)定性。

1 概念解析

1.1 增量更新

增量更新是在計算機應用中的一種更新模式，特指在更新操作時，只更新局部。將增量更新的概念引入到城市軌道交通信號系統(tǒng)工程中，則特指充分利用既有基礎信號設備，僅局部改造處于性能瓶頸，或者影響系統(tǒng)提升能力的子系統(tǒng)，對其他設備僅做必要的軟件升級或調整，以達到提升信號系統(tǒng)運營間隔能力，提高系統(tǒng)設備服務水平的目的。

1.2 固定閉塞模式列車自動防護系統(tǒng)

基于軌道電路的固定閉塞模式列車自動防護系統(tǒng)，廣泛運用于北京、上海、天津等地多條城市軌道交通線路。它是利用音頻軌道電路，來實現(xiàn)列車定位、速度碼的傳輸，采用階梯式速度曲線 （FBSS）控制列車。這種列車控制系統(tǒng)的控制精度不高，舒適度較差。此外，由于閉塞分區(qū)長度的劃定是按照最長列車、滿載、最高允許速度、最不利制動率及最小列車運行聞隔時間等最嚴格條件設計，影響了行車效率。

1.3 目標－距離模式列車自動防護系統(tǒng)

基于軌道電路的準移動閉塞模式列車自動控制系統(tǒng)，在鐵路及部分城市軌道交通線路也得到了應用，如北京地鐵5號線。該系統(tǒng)采用目標－距離模式 （DTG）防護曲線，列車根據軌道傳來的編碼信息和APR信息，以及地理數據，計算出列車不得逾越的最大安全距離，并實時計算出列車的防護速度曲線。列車實際速度一旦超出的防護速度曲線，則實施緊急制動。同時，列車也不能越過計算出的最大安全距離，否則實施緊急制動。

準移動閉塞的地面設備 （軌道電路加信標）應向車載設備提供所需信息，實現(xiàn)列車運行的連續(xù)式速度和可行車距離控制。準移動閉塞的列車安全間隔，是以所在閉塞分區(qū)入口端為目標地點 （危險點），由后續(xù)列車以當前速度制動停車所需走行距離加安全保護距離確定。目標－距離模式中，每列車都會產生可以安全運行的 “運行權限”（LMA），并生成防護速度曲線。

為了使列車能夠在DTG模式下工作，需沿軌道放置APR （絕對位置信標），以實現(xiàn)列車的精確定位。在目標－距離模式中，當發(fā)生某些故障時，仍能使列車從DTG模式降級為FBSS模式，保證不中斷運營，而且還能保證與原固定閉塞系統(tǒng)相同的效率。

圖1為目標－距離模式示意圖，列車實際運行速度與計算的防護速度連續(xù)進行比較，超過防護速度則實施緊急制動。列車超過 “運行權限”（LMA），則實施緊急制動。目標－距離模式和固定閉塞速度信號模式 （FBSS）相兼容。

圖1 目標－距離模式

2 目標－距離模式ATP系統(tǒng)工作原理

2.1 速度和距離測量

在目標－距離模式中，列車位置是安全關鍵因素。如果在線路中，列車沒有一個精確的位置表示，就不能保證在某個閉塞區(qū)段或限制區(qū)段之前停車或減速。

測速電機負責給車載ATP設備提供速度信息。但由于測速電機不能精確地補償車輪空轉和打滑，還需要配置多普勒雷達，由多普勒雷達所測的速度與測速電機給出的輸入速度進行比較，可對速度測量系統(tǒng)做進一步的可靠性校驗。

通過安裝在列車上的閱讀器讀入沿軌道按固定間距安裝APR的數據。每個APR具有一個惟一標識，該標識存儲在車載ATP地理數據中。列車根據速度信息，計算出列車行駛距離，并根據APR信息確定列車當前位置。

2.2 運行權限

一般而言，ATP車載設備接收軌道傳來的編碼信息，經過譯碼后，即可知道列車前方還有幾個未被占用的軌道電路。

列車根據收到的編碼信息，結合車載ATP設備中存儲的地理數據，就可以計算出列車不得逾越的最大安全距離。運行權限示意圖如圖2所示，其中編碼可以翻譯如下。

圖2 運行權限示意圖

0/0N：最大安全距離為列車當前位置到本軌道電路盡頭的距離。

1/1N：最大安全距離為前一閉塞分區(qū)的長度，與列車占用位置到占用本軌道電路盡頭的距離之和。

2/2N：最大安全距離為前2個閉塞分區(qū)的長度，與列車占用位置到占用本軌道電路盡頭的距離之和。

3/3N：最大安全距離為前3個閉塞分區(qū)的長度，與列車占用位置到占用本軌道電路盡頭的距離之和。

4/4N：最大安全距離為前4個閉塞分區(qū)的長度，與列車占用位置到占用本軌道電路盡頭的距離之和。

如圖2所示，假設列車A靜止，列車B正從后面向列車A靠近。列車B收到的編碼是4/4N，所以前方有4段軌道電路空閑。Pb點是列車A占用的軌道電路的起點，無論如何列車B都不得逾越該點。列車B繼續(xù)前進，進入了下一段軌道電路，它開始接收3/3N編碼，表明前方有3段軌道電路空閑。

實際上，列車不會正好停在軌道電路的終點，而是在軌道電路終點之前，會留出一定的安全距離（該安全距離可以在工程設計時，由軟件配置）。

2.3 防護速度曲線

列車根據軌道傳來的編碼信息和APR信息以及地理數據，計算出列車不得逾越的最大安全距離，并實時計算列車的防護速度曲線。列車必須在此曲線下運行。

除了上述條件外，在線路的某些區(qū)域，由于某種特殊情況或臨時性原因，如軌道臨時作業(yè)等，還有一些永久或臨時性速度限制要求。ATP將充分考慮到限制條件，選擇最嚴格的條件來執(zhí)行，以便對列車實施保護。

3 “目標－距離”與 “固定閉塞”的區(qū)別

1.運行權限生成方式不同。固定閉塞模式沒有運行權限，也就是說沒有目標－距離，只有最大安全速度及目標速度；而 “目標－距離”模式有允許列車行駛最大距離限制，如果超出這個距離，列車實施緊急制動。

2.防護速度定義不同。如圖3所示，固定閉塞模式在每個區(qū)段內有一個來自地面的固定最大安全速度；“目標－距離”模式的最大安全速度是車載設備根據運行權限連續(xù)計算的。

圖3 停車曲線圖

3.防護方式不同。速度碼模式只有速度防護，“目標－距離”模式不僅有速度防護，還有距離防護。

4.追蹤間隔不同。從圖3中停車曲線的停車點可以看出，固定閉塞的追蹤間隔比目標－距離的追蹤間隔多一個閉塞區(qū)段，稱為防護區(qū)段。顯然，目標－距離比固定閉塞的效率高。同樣道理，折返效率也會提高。

4 “固定閉塞”模式升級 “目標－距離”的增量更新方案

在對北京地鐵13號線固定閉塞模式信號系統(tǒng)進行增量更新時，在硬件方面，需進行車載ATP子系統(tǒng)及外圍設備更新，地面新增APR信標設備，原有的地面設備均可以保留；軟件方面，聯(lián)鎖及CTC設備需進行軟件升級；在軌道碼定義方面，也需對原有速度臺階軌道碼進行重新釋義，以實現(xiàn)目標－距離模式運行。

車載ATP子系統(tǒng)及外圍設備更新內容：①改造既有速度臺階模式車載ATP控制單元，升級基于軌道電路傳輸的目標－距離模式ATP控制單元；②改造司機顯示單元，加入目標－距離模式信息顯示，及進入目標－距離模式操作按鈕；③增加車載APR閱讀器，用于讀取地面無源信標、有源信標的信息；④增加多普勒雷達，用于列車打滑、空轉補償。

地面新增APR信標設備包含：①無源信標，安裝在區(qū)間軌旁，用于列車讀取以確定絕對位置；②有源信標，安裝在區(qū)間軌旁，用于向列車發(fā)送臨時限速，站臺封閉等特定可變信息。保留既有ATS系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、地面ATP系統(tǒng) （軌道電路發(fā)碼設備、編碼電路、室外調諧單元），以及既有車載外圍設備，包括測速電機、ATP天線、速度表及ATP模式開關等。

車載ATP對軌道碼譯碼重新進行定義。因定義完全不同于速度臺階的MSS/TS（最大安全速度/目標速度），故需人工將全線速度臺階模式編碼（簡稱FBSS編碼）翻譯成前方空閑區(qū)段數的編碼，即DTG信號模式編碼 （簡稱DTG編碼），并存儲在地理數據中。ATP控制單元根據列車位置信息和FBSS編碼，去地理數據中讀取對應的DTG編碼，如果能夠讀取對應的DTG編碼，則認為DTG編碼有效。

5 增量更新方案的優(yōu)勢和意義

經測算，如采用全面改造更新為CBTC信號系統(tǒng)的方案，13號線改造工程需投資約15.5億元，工期4－5年。而選擇增量更新方案，可實現(xiàn)2min最小運行間隔 （原系統(tǒng)設計間隔3min），只需投資5.7億元，工期2年。

增量更新的方案充分利用既有的地面聯(lián)鎖、軌道電路、ATS等設備，在局部進行軟件升級，必需的硬件增容，通過替換車載信號設備，新增地面APR信標，即可實現(xiàn)固定閉塞信號系統(tǒng)升級至準移動閉塞模式.在升級過程中，無需配置新舊2套設備和設計安裝倒切裝置，新設備可兼容原有的固定閉塞模式地面設備，實現(xiàn)改造與運營互不影響，減少運營影響、平滑過渡的目的。

目前，北京地鐵13號線已經使用此更新方法進行了應用試驗和試驗段調試，相信可進一步推廣應用。

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