CBTC后備模式計軸設(shè)備工作原理和復(fù)位方式簡介

任善虎

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

CBTC后備模式計軸設(shè)備工作原理和復(fù)位方式簡介

任善虎

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

后備模式是城市軌道交通信號系統(tǒng)在設(shè)備故障時降級運行、保證故障列車安全退出運營、保持運營效率的一種手段。介紹基于通信的列車控制（CBTC）信號系統(tǒng)的3種常用后備模式。計軸作為列車占用檢測設(shè)備，是后備模式下的關(guān)鍵設(shè)備，重點介紹應(yīng)用于上海地鐵線路的2種計軸產(chǎn)品。

CBTC；后備模式；計軸設(shè)備

在IEEE1474國標(biāo)中，是這樣定義CBTC系統(tǒng)的：“一種以列車定位為基礎(chǔ)的車輛和地面數(shù)據(jù)交互安全管理控制系統(tǒng)”。應(yīng)該看到，由于高水平的無線通信技術(shù)在列車自動控制（ATC）系統(tǒng)中的有效應(yīng)用，使得該系統(tǒng)具有支持車-地之間實時大數(shù)據(jù)通信的能力。其中的車載系統(tǒng)能夠肩負(fù)更多的信息處理責(zé)任，具有制動曲線快速計算功能，為列車間隔的進(jìn)一步縮短提供有效的數(shù)據(jù)支持，已經(jīng)成為當(dāng)前軌道交通信號系統(tǒng)的熱點課題之一。

基于運營安全及項目建設(shè)實際情況考慮，目前各個城市的軌道交通信號系統(tǒng)均采用CBTC系統(tǒng)加后備模式的系統(tǒng)制式。后備模式的設(shè)置主要是出于以下應(yīng)用場景的考慮:1）線路初始階段，在尚未形成完備的CBTC環(huán)境情況下，在過渡階段采用后備模式來保障車輛運行的安全性；2）針對部分尚未安裝車載設(shè)備的列車，需要通過站臺值班員來重新觀察、界定其運行的區(qū)間的占用情況，為作業(yè)效率的提升提供必要支持；3）車-地通信設(shè)備故障(如：軌旁區(qū)域控制器ZC故障或車載控制單元OBCU故障)，而并沒有破壞原有聯(lián)鎖狀態(tài)的情況下，客觀上要求有必要的運行狀態(tài)來保證運行安全，提供良好性能水平的系統(tǒng)來使故障盡快排除，恢復(fù)系統(tǒng)正常運營。

1 后備模式的制式

當(dāng)前階段，在我國城市軌道交通中較為常見的后備模式包括如下3種類型。

1.1 輔助的列車位置檢測系統(tǒng)

此種類型在劃分計軸區(qū)段，用于保障未安裝車載設(shè)備及車-地通信故障列車的占用檢測方面應(yīng)用較為常見。調(diào)度及車站值班人員可以從ATS界面上直觀的確認(rèn)該列車的占用、出清情況，通過站間電話閉塞方式，指揮故障列車退出運營及晚間施工工程車作業(yè)。

該制式簡單，所需設(shè)備少，成本低；但不具備超速防護(hù)功能，完全靠人工指揮調(diào)度列車運營，運營效率低。

1.2 站間自動閉塞系統(tǒng)

該制式在全線配置計軸設(shè)備和信號機，由計算機聯(lián)鎖（CBI）及計軸區(qū)段組成區(qū)間自動閉塞系統(tǒng)，通過聯(lián)鎖控制來保障固定閉塞狀態(tài)下的有效控制。

由于增加了地面信號機，列車運行以地面信號顯示為主體信號，可以實現(xiàn)非通信列車與正常通信列車的混合運營，相比制式1，提高了運營效率。不過由于此類型實際上并未涵蓋ATP設(shè)備，因此在超速防護(hù)方面并不能起到應(yīng)有的作用，只能通過人工控制的方式來保證故障車的運行安全?；谏鲜銮闆r，這一類型系統(tǒng)也不應(yīng)作為一種常態(tài)的運營制式使用，只能作為一種應(yīng)急的降級備用模式使用。

1.3 點式ATP防護(hù)系統(tǒng)

該制式在全線配置計軸設(shè)備、信號機及點式ATP設(shè)備（包括地面應(yīng)答器和車載查詢應(yīng)答器）。地面應(yīng)答器為車載控制模塊提供地面行車信息，并結(jié)合列車自身的實際運作信息，經(jīng)過實時計算獲得速度監(jiān)控數(shù)據(jù)，為信號機之間速控功能的實現(xiàn)提供必要數(shù)據(jù)支持。司機按照司機操作面板上指示的最大允許速度來行車，當(dāng)出現(xiàn)超速情況時，列車實行緊急制動，從而保障列車運行安全。

圖1為速度監(jiān)控曲線在實際應(yīng)用過程中的實例，在非感應(yīng)環(huán)線的限速區(qū)列車行車速度監(jiān)控工作中可經(jīng)常性見到。通過對圖1中間段的分析可以發(fā)現(xiàn)，該曲線提供了如下4個方面的信息。

v0：所允許的最高列車速度。

圖1 點式列車超速防護(hù)系統(tǒng)的速度監(jiān)控曲線

v2：在該狀態(tài)下，車載中央控制單元將會給出聲頻報警信號，如果司機按照規(guī)定對列車的行車速度進(jìn)行控制，那么將恢復(fù)正常。

v3：在該狀態(tài)下，控制單元將會主動制動，將車速直接降低到v0狀態(tài)。如果該型號車載設(shè)備具備自動緩解功能，那么減速后將會恢復(fù)到正常狀態(tài)。反之，則將在繼續(xù)緩行一段時間后停車，經(jīng)過駕駛?cè)藛T人工手動啟動重新開車。

V5：在該狀態(tài)下，將會直接進(jìn)入緊急制動狀態(tài)，車載設(shè)備發(fā)出緊急制動信號，短時間內(nèi)完成列車的停車操作，確保在危險點之前完成這一系列動作。

點式ATP防護(hù)系統(tǒng)，不僅可以當(dāng)做CBTC系統(tǒng)的后備模式，同樣也可直接作為一種運營模式投入使用，目前已被廣泛采用。

2 計軸設(shè)備在后備模式的應(yīng)用

由上分析可知，目前無論采用何種制式的后備模式，都離不開計軸設(shè)備。眾所周知，計軸設(shè)備是鐵路信號系統(tǒng)中用來檢測列車位置的裝置，早在20世紀(jì)20年代開始在歐洲鐵路使用。由于電氣化鐵路的牽引電流回流與軌道電路共用一個通道，強電流對弱電流的干擾是不可避免的。隨著電力機車變流控制技術(shù)的發(fā)展，牽引電流對軌道電路的干擾影響越來越大。此外，軌道電路的工作狀態(tài)還嚴(yán)重依賴于道床漏隙，在道床電阻很低的場合，無論何種軌道電路都無法正常工作?；诖耍嬢S設(shè)備應(yīng)運而生。

2.1 計軸設(shè)備工作原理

作為當(dāng)前一種應(yīng)用范圍相對廣泛的區(qū)間占用計算設(shè)備，其基本原理是通過對傳感器所提供的區(qū)間軸數(shù)的計量和分析，通過計算出來的軌道區(qū)段內(nèi)車軸數(shù)來判斷軌道區(qū)段的實際狀態(tài)。當(dāng)駛?cè)胼S數(shù)和駛出軸數(shù)相同的情況下，該區(qū)段內(nèi)為空閑狀態(tài)，而當(dāng)這兩個數(shù)據(jù)不同時，這一區(qū)段實際上占用（區(qū)段內(nèi)軸數(shù)大于零）或受擾（區(qū)段內(nèi)軸數(shù)小于零）。下面對該技術(shù)在實際應(yīng)用過程中的2種常見方法進(jìn)行更為詳細(xì)的介紹。

2.2 輪輻式計軸

下面以上海地鐵6、7、8、9、11號線的泰雷滋AzLM輪幅式計軸為例作簡要介紹。

輪幅式計軸的拾取采用調(diào)相、調(diào)幅方式，室外鋼軌上裝有發(fā)送、接收磁頭。如果出現(xiàn)通過列車，那么以鑄鐵為主要材料的車輪將會對此范圍內(nèi)的磁力線進(jìn)行往復(fù)切割，從而導(dǎo)致接收端所接收的磁場強度出現(xiàn)明顯改變，以此為基礎(chǔ)就可順利獲得輪對通過計軸磁頭的具體數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的主要部件包括發(fā)射和接收磁頭2個方面的內(nèi)容。一般情況下，行車過程將會按照SK1磁頭、SK2磁頭的順序進(jìn)行切割，而在包括回庫之類的特殊狀態(tài)下，切割順序?qū)l(fā)生改變。計軸數(shù)量方法：在行車過程中，對高頻磁頭進(jìn)行切割的過程中，將會在系統(tǒng)中形成記錄。而磁頭和單元盒相連的EAK對脈沖信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)后，傳輸信號給室內(nèi)控制設(shè)備和計軸評估機柜ACE的數(shù)據(jù)電源耦合單元PDCU，該單元將會對所接收到的信號進(jìn)行簡單處理，傳送到ACE機柜中，其中串口板所具有的兩個PDCU可提供2組磁頭信息的通信功能。串口板將所負(fù)責(zé)的每組磁頭的方向數(shù)據(jù)和輪對數(shù)數(shù)據(jù)提交CPU模塊，然后核心CPU模塊就可以此為基礎(chǔ)來計算出各個軌道區(qū)段的軸數(shù)，然后將區(qū)段狀態(tài)（占用、空閑、受擾）信息發(fā)送給并口板。ACE再把所控區(qū)域內(nèi)的所有計軸區(qū)段狀態(tài)發(fā)送給聯(lián)鎖機柜CBI。

2.3 輪緣式計軸

下面以應(yīng)用于上海張江試驗線的奧地利福豪盛公司生產(chǎn)的ACS2000產(chǎn)品為例作簡要介紹。

輪緣式計軸在實際應(yīng)用過程中，并不要求必需有電子盒作為輔助支持，可直接通過電磁振蕩的方式傳遞信號。此類型傳感器所利用的基本原理是磁力線偏轉(zhuǎn)原理，通過對列車車輪邊緣的檢測來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。而在該設(shè)備所使用的發(fā)送、接收磁頭方面，采用一體化設(shè)計方案，當(dāng)傳感器上方或者下方出現(xiàn)金屬物體時，傳感器的磁感應(yīng)強度將會出現(xiàn)明顯的變化，而以此為基礎(chǔ)可以對車輪輪緣進(jìn)行有效的檢測并形成完整數(shù)據(jù)用于對傳感器位置的檢測。在行車狀態(tài)下，車輪所對應(yīng)的線圈分別對應(yīng)室內(nèi)系統(tǒng)的時序，以此為基礎(chǔ)獲得列車的行車方向信息，而通過對系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的阻尼范圍數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行軸數(shù)的計算。當(dāng)出現(xiàn)傳感器松動、脫落情況，將會導(dǎo)致系統(tǒng)持續(xù)阻尼的存在，這是檢測安裝有效性和設(shè)備完整度的重要依據(jù)。EB 板初步處理實時數(shù)據(jù)后，向ACB板傳送。ACB板主體是一個二乘二取二計算板面，對所處區(qū)間的實時運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和計算，為調(diào)度員提供調(diào)度信息。

2.4 輪緣式傳感器特點

1）具有很高的可靠性和良好的抗干擾性能，受干擾范圍小。采用電磁感應(yīng)，有源傳感器，檢測車輛輪緣引起的磁場變化，工作可靠；電磁傳感器采用恒流電源供電，電流環(huán)輸出方式傳輸磁場變化狀態(tài)，抗干擾能力極強；采用二取二微處理器進(jìn)行計數(shù)和邏輯運算，采用校驗、回采等方式，安全性高。

2）室外傳感器直接傳輸電流信號給室內(nèi)，傳感器和室內(nèi)主機采用電纜直接連接，鋼軌上的傳感器到室內(nèi)主機的傳輸距離可達(dá)10 km，檢測點無需地線，節(jié)約成本。不需要安裝EAK，這對降低檢修人員的工作強度有著非常重要的現(xiàn)實意義。

3）卡具式安裝方式相對簡單，對于降低后期維護(hù)、檢修工作量有一定的積極意義，同時檢修過程完全可在室內(nèi)完成，并不會對軌道本身進(jìn)行破壞性檢測。

4）系統(tǒng)具有故障弱化功能，每個區(qū)段的故障對于其他區(qū)段的正常運行不會造成直接影響。

5）預(yù)復(fù)位和強制復(fù)位模式的應(yīng)用，有效提升系統(tǒng)的總體安全度水平，同時也可根據(jù)實際需求靈活操作。

2.5 計軸復(fù)位方式簡介

計軸區(qū)段受擾情況在現(xiàn)階段計軸設(shè)備的應(yīng)用過程中較為常見，通常情況下需要進(jìn)行人工復(fù)位。而如歐洲的發(fā)達(dá)國家，當(dāng)前階段已經(jīng)廣泛實現(xiàn)了預(yù)復(fù)位的設(shè)計，值得我們學(xué)習(xí)。

計軸區(qū)段預(yù)復(fù)位后，區(qū)段內(nèi)軸數(shù)清零，狀態(tài)顯示為待清掃狀態(tài)，需要到室外進(jìn)行清掃（低速列車清掃或者人工用模擬輪清掃，清掃必須由區(qū)段一邊進(jìn)入，從另外一邊出去），清掃沒有問題后，室內(nèi)待清掃計軸區(qū)段方可變?yōu)榭臻e狀態(tài)。

預(yù)復(fù)位可以通過以下方式實現(xiàn)：

*通過ACE并口板上鑰匙和復(fù)位按鈕實現(xiàn)。例如上海地鐵6、8、9號線，其操作方法為：按壓復(fù)位按鈕的同時把鑰匙開關(guān)向右側(cè)旋轉(zhuǎn)2～10 s，并口板上會有相應(yīng)指示燈指示是否復(fù)位成功。該種預(yù)復(fù)位簡單、安全可靠，由通號維護(hù)人員在信號機房內(nèi)ACE面板上操作，但對于突發(fā)搶修的故障處理，會存在處理不及時的問題。

*通過ATS軟件實現(xiàn)。例如上海地鐵7、11號線，擁有區(qū)域控制權(quán)的本地操作員通過ATS選取受擾的計軸區(qū)段，發(fā)送該計軸區(qū)段預(yù)復(fù)位命令給PLC，每個區(qū)域有一個PLC，安裝在ATS機柜或計軸機柜內(nèi)，通過以太網(wǎng)與ATS進(jìn)行通信。每個PLC由1個CPU和3個輸出模塊組成，對于ATS的預(yù)復(fù)位命令請求，PLC激活兩路輸出，驅(qū)動ACE相關(guān)計軸區(qū)段繼電器，使相關(guān)計軸區(qū)段軸數(shù)清零。由于ATS系統(tǒng)是非安全的，PLC本身也是非安全的設(shè)備，因此該種預(yù)復(fù)位方式存在很大安全風(fēng)險，只能作為一種權(quán)宜之計，而非長久之計。

*通過車控室的IBP盤硬件實現(xiàn)。對應(yīng)每個區(qū)段（并行I/O板）連接外設(shè)在車控室IBP盤上的復(fù)零按鈕，當(dāng)需要進(jìn)行預(yù)復(fù)零時，操作人員在IBP盤上按壓“總預(yù)復(fù)零”+“相應(yīng)故障區(qū)段”按鈕，執(zhí)行相應(yīng)區(qū)段預(yù)復(fù)零命令。復(fù)位按鈕加鉛封，這種做法類似6502中的故障區(qū)段解鎖按鈕盤。這一方案在實際應(yīng)用過程中，不僅能夠保證故障狀態(tài)下預(yù)復(fù)位工作及時進(jìn)行，同樣也對非安全器件的種種隱患有效防護(hù)。目前，該方案還沒有在上海地鐵已運營線路上實施，將來可以考慮。

考慮計軸故障對運營的影響，尤其是在后備模式下對運營影響相當(dāng)大。因此，信號維護(hù)人員可以申請登記強制復(fù)零操作，行車人員在確認(rèn)故障區(qū)段無車占用的情況下，信號維護(hù)人員在計軸機柜內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)區(qū)段的強制復(fù)零操作，將系統(tǒng)恢復(fù)到原來狀態(tài)。

ACS2000計軸設(shè)備在設(shè)計過程中采用歐標(biāo)，從故障的實際情況出發(fā)，設(shè)置了不同的安全等級， “預(yù)復(fù)位”和“復(fù)位”2 擋的設(shè)置，極大地提高了設(shè)備的管理靈活性。在軌道區(qū)間行駛過程中，由于安全等級相對較高，因此必須“預(yù)復(fù)位”，再“復(fù)位”才能夠為系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮提供支持；而在機車車輪駛出軌道區(qū)段時，安全等級就會相對降低一些，只要進(jìn)行“復(fù)位”操作即可完成對系統(tǒng)的復(fù)位。對應(yīng)每個區(qū)段，在計軸主機柜正面都設(shè)置有鑰匙開關(guān)，信號維護(hù)人員可通過該鑰匙開關(guān)執(zhí)行強制復(fù)零命令。鑰匙插入孔位后，鑰匙先轉(zhuǎn)向左邊停留500 μs以上；再倒回中間，停留500 μs以上；再轉(zhuǎn)向右邊，停留500 μs以上；最后鑰匙回到中間位置。拔出鑰匙后，完成對該區(qū)段強制復(fù)位。在計軸設(shè)備恢復(fù)正常后，故障消除，調(diào)度可正常組織行車。

3 結(jié)語

在當(dāng)前鐵路信號設(shè)備快速發(fā)展過程中，CBTC及其后備模式得到極大提升，整體性能和適用性也被極大的加強。在城市軌道交通的發(fā)展過程中，對此類型設(shè)備的依賴性日益加強。但是其整體運行效率、技術(shù)水平、穩(wěn)定程度和性能指標(biāo)并不能從真正意義上滿足實際使用需求，因此成為當(dāng)前信號領(lǐng)域亟待完善的一項重要課題，得到了社會各界的廣泛關(guān)注和重視。通過對后備模式的深入分析，可從實際的運營需求出發(fā)，采用不同的策略。從功能需求和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，而不能過度地強調(diào)性能指標(biāo)。如果后備式系統(tǒng)的整體復(fù)雜度過高，不僅不利于軌旁設(shè)備的減少，同樣會導(dǎo)致初期運營維護(hù)成本的大幅度提升，失去其原有優(yōu)勢。

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When signal equipment faults in urban rail transit, the fallback mode of CBTC system will be used in degraded operation to ensure the failed train to exit safely and keep certain operation ability. The paper presents three kinds of common fallback modes of the CBTC system. The axle counter, as train detection equipment, is key equipment in fallback mode. The paper mainly introduces two kinds of axle counter products used in Shanghai metro lines.

CBTC; fallback mode; axle counter

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.016

2014-12-02）