CBTC系統(tǒng)正線信號機顯示方案及邏輯實現(xiàn)分析

嚴(yán)建鵬

CBTC系統(tǒng)正線信號機顯示方案及邏輯實現(xiàn)分析

嚴(yán)建鵬

對城市軌道交通正線信號機不同顯示方案進(jìn)行分析，重點闡述每一種顯示方案對“CBTC列車”和“非CBTC列車”的邏輯處理過程。同時，比較各方案存在的優(yōu)勢、缺點以及對信號系統(tǒng)安全性和可用性的影響，以期為實際工程的設(shè)計和CBTC系統(tǒng)的進(jìn)一步完善提供有價值的參照。

城市軌道交通；信號機；顯示方案；CBTC系統(tǒng)；控制邏輯

1 CBTC系統(tǒng)控制方式簡介

采用基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)是城市軌道交通信號系統(tǒng)提高運營效率、實現(xiàn)移動閉塞的首選方案。CBTC系統(tǒng)一般將連續(xù)式列車控制模式（CBTC模式）作為常用的運營控制模式，將點式ATP（列車自動防護(hù)）模式作為CBTC失效時的后備降級控制模式，并根據(jù)列車車載控制器（VOBC）是否與軌旁區(qū)域控制器（ZC）建立通信，將列車區(qū)分為“CBTC車”和“非CBTC車”。由ZC根據(jù)每列車VOBC發(fā)來的列車運行狀態(tài)是“CBTC車”還是“非CBTC車”信息，向計算機聯(lián)鎖（CBI）提供邏輯條件，由CBI實際控制軌旁信號機的顯示。點式ATP模式下，1條進(jìn)路中只允許1列列車運行，列車追蹤間隔通過軌旁信號機的顯示來控制。列車追蹤間隔相對較大，線路行車密度較低，地面只能通過點式應(yīng)答器、軌道感應(yīng)環(huán)線等設(shè)備向車載設(shè)備提供有限的信息。而CBTC模式下，1條進(jìn)路中可以允許多列列車追蹤運行，由ZC為每列追蹤列車實時計算移動授權(quán)，車載VOBC根據(jù)移動授權(quán)信息計算ATP速度防護(hù)曲線，以此來控制相鄰兩列列車的追蹤間隔，保證行車安全。列車運行不再依靠軌旁信號機的顯示來控制，而是以車載VOBC收到的移動授權(quán)作為行車憑證。CBTC模式下，列車追蹤間隔更小，能夠滿足較高的線路行車密度，通過車-地雙向、大容量的通信，地面能夠獲取更準(zhǔn)確的列車數(shù)據(jù)。ZC計算移動授權(quán)時，不需檢查進(jìn)路中的軌道區(qū)段是否空閑，而是將關(guān)注點放在列車運行前方障礙物的判定上，根據(jù)障礙物位置計算移動授權(quán)的終點。因此，CBTC系統(tǒng)中，軌旁信號機的顯示方案，要同時滿足點式ATP和CBTC兩種不同控制模式下的需求。此外，在信號設(shè)備發(fā)生故障不能正常點亮允許燈光時，為保證運營效率，軌旁信號機還需要能夠開放引導(dǎo)信號。

本文將在文獻(xiàn)[1～7]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析各種顯示方案具體的邏輯設(shè)計過程，以及每種方案對CBTC系統(tǒng)安全性和可用性產(chǎn)生的影響。

2 城市軌道交通信號顯示意義

2.1 正線信號機顯示意義

正線信號機一般采用黃（或月白）、綠、紅三燈四顯示，或黃、綠、紅、藍(lán)四燈五顯示信號機構(gòu)。信號顯示意義如下。

綠燈：表示進(jìn)路中所有道岔都開通直股，準(zhǔn)許列車按規(guī)定速度越過該信號機。

黃燈（或月白燈）：表示進(jìn)路中至少有1組道岔開通彎股，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的限制速度越過該信號機。除上海地鐵規(guī)定正線出站和防護(hù)信號機采用月白燈，其他城市地鐵線路多使用黃燈。

紅燈：表示禁止列車越過該信號機。

紅黃燈（或紅白燈）：為引導(dǎo)信號，表示準(zhǔn)許列車以不超過25 km/h的速度越過該信號機，并隨時準(zhǔn)備停車，上海地鐵限速為20 km/h。限制速度主要根據(jù)道岔側(cè)向通過速度以及運營需要確定。

藍(lán)燈：表示系統(tǒng)當(dāng)前為CBTC控制模式。該燈位的設(shè)計用于區(qū)分系統(tǒng)處于CBTC模式還是處于降級模式。

2.2 進(jìn)出段信號機顯示意義

正線與車輛段/停車場交界處的進(jìn)出段信號機，一般采用黃、綠、紅三燈位信號機，其中綠燈封閉或空燈位處理，只顯示紅燈或黃燈2種信號。其顯示意義如下。

黃燈：準(zhǔn)許列車按規(guī)定的限制速度越過該信號機。

紅燈：表示禁止列車越過該信號機。

有的進(jìn)出段信號機采用黃、綠、紅、黃、白高柱五燈位信號機，其中綠燈封閉或空燈位處理，多了紅白燈和雙黃燈2種顯示。例如昆明地鐵1號線就采用這種方式。其信號顯示意義如下。

1個黃燈：表示信號機所防護(hù)的進(jìn)路中，所有道岔都開通直股，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的限制速度越過該信號機。

2個黃燈：表示信號機所防護(hù)的進(jìn)路中，至少有1組道岔開通彎股，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的限制速度越過該信號機。

紅燈：表示禁止列車越過該信號機。

紅白燈：引導(dǎo)信號，準(zhǔn)許列車以不超過25 km/h的速度越過該信號機，并隨時準(zhǔn)備停車。

2.3 車輛段/停車場調(diào)車信號機顯示意義

車輛段/停車場調(diào)車信號機都采用藍(lán)、白矮柱兩燈位信號機，其顯示意義如下。

藍(lán)燈：禁止列車越過該信號機進(jìn)行調(diào)車作業(yè)。

白燈：準(zhǔn)許列車按照規(guī)定的限制速度越過該信號機進(jìn)行調(diào)車作業(yè)。

正線、車輛段/停車場所有盡頭線阻攔信號機都采用單燈位紅燈信號機，且永遠(yuǎn)點亮紅燈。

3 CBTC系統(tǒng)正線信號機顯示方案

3.1 信號機亮燈方案

3.1.1 采用黃、綠、紅三燈位時亮燈方案

采用該方案時，無論系統(tǒng)處于CBTC控制模式還是處于降級控制模式，軌旁信號機統(tǒng)一都按照綠、黃、紅、紅黃4種方式顯示，信號機常態(tài)點亮紅燈。如果線路上沒有列車且列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）沒有下發(fā)排路命令，則正線信號機全部點亮紅燈。當(dāng)線路上有列車運行時，ZC會將車載VOBC發(fā)來的列車運行狀態(tài)是“CBTC車”還是“非CBTC車”信息送給CBI，CBI通過邏輯運算，控制軌旁信號機點亮相應(yīng)的燈光。如果ZC與車載VOBC沒有建立通信，CBI排列進(jìn)路時，沒收到ZC列車狀態(tài)信息，則按“非CBTC車”處理。而對于“CBTC車”和“非CBTC車”，CBI會采取不同的邏輯處理方式。信號系統(tǒng)處于點式ATP控制模式時，在點亮綠燈或黃燈時，必須先檢查信號機點亮紅燈。而信號系統(tǒng)處于CBTC控制模式時，點亮綠燈或黃燈之前，則不需要檢查信號機點亮紅燈。

如果信號機前方是“非CBTC車”，則CBI需要檢查進(jìn)路中所有軌道區(qū)段都空閑且鎖閉方向正確、道岔位置正確、站臺屏蔽門及相關(guān)按鈕狀態(tài)正常、當(dāng)前紅燈點亮且燈絲完好等聯(lián)鎖條件滿足后，才能夠點亮允許信號。如果允許信號燈絲斷絲，則改點紅燈。如果紅燈斷絲，則信號機滅燈，此時司機視滅燈為禁止信號。

如果信號機前方是“CBTC車”，則CBI不再檢查進(jìn)路中軌道區(qū)段是否空閑，只需要檢查進(jìn)路內(nèi)各軌道區(qū)段鎖閉方向正確、道岔位置正確、站臺屏蔽門及相關(guān)按鈕狀態(tài)、當(dāng)前紅燈點亮等聯(lián)鎖條件滿足后，就能夠點亮允許信號。允許信號的開放不再檢查紅燈燈絲是否完好。如果允許信號燈絲斷絲，則信號機滅燈，司機可憑車載信號正常通過信號機。CBI只將斷絲狀態(tài)送給ATS，在人機界面給出斷絲報警，不影響正常運營。但如果信號機為紅燈，則ZC必須以紅燈信號機作為授權(quán)終點。同樣，如果紅燈燈絲斷絲，無論斷絲前紅燈是否點亮，ZC都必須以該斷絲信號機為授權(quán)終點，同時給出斷絲報警。

3.1.2 采用黃、綠、紅、藍(lán)（或M紅燈）四燈位時亮燈方案

采用該方案時，軌旁信號機按照綠、黃、紅、藍(lán)（或M紅燈）、紅黃5種方式顯示，信號機常態(tài)點亮紅燈。藍(lán)燈（或M紅燈）點亮表示信號系統(tǒng)處于CBTC模式，藍(lán)燈熄滅則表示信號系統(tǒng)處于點式ATP模式。“CBTC車”可越過藍(lán)燈按車載信號繼續(xù)前行，而“非CBTC車”遇到藍(lán)燈則在信號機前停車。當(dāng)CBTC控制模式下，如果藍(lán)燈因故未能點亮，則信號機為滅燈狀態(tài)，此時“CBTC車”可按車載信號越過滅燈信號機繼續(xù)前行，而“非CBTC車”則在滅燈信號機前停車。CBI在點亮藍(lán)燈的條件中，不檢查進(jìn)路中軌道區(qū)段是否空閑以及紅燈燈絲是否完好。

該方案中，綠、黃、紅燈的點亮由基本聯(lián)鎖條件來控制的，而藍(lán)燈（或M紅燈）是否點亮，則是由當(dāng)前系統(tǒng)使用的控制模式來決定的。該方案還存在一個缺陷，就是如果系統(tǒng)由點式ATP升級為CBTC模式時，藍(lán)燈因故未能夠點亮，而此時恰好有“非CBTC車”接近信號機，那么“非CBTC車”可能只有在比較靠近信號機時，才能夠識別出信號機的滅燈狀態(tài)。如果此“非CBTC車”運行速度較高，則有可能發(fā)生冒進(jìn)信號的事故，使系統(tǒng)的安全性降低。為防止這類危險的發(fā)生，需要CBI在點亮藍(lán)燈時檢查信號機紅燈燈絲完好，如果藍(lán)燈因故不能點亮，則使信號機自動改點紅燈。

此外，正線信號機增加藍(lán)燈后，正線信號機藍(lán)燈顯示意義與車輛段調(diào)車信號機藍(lán)燈顯示意義不一致，容易產(chǎn)生混淆。目前國內(nèi)只有杭州地鐵1號線、大連地鐵1、2號線等為數(shù)不多的線路采用增加藍(lán)燈的方式。

3.1.3 方案對比

上述2種亮燈方案，CBTC控制模式下，都能夠持續(xù)檢查燈絲狀態(tài)，并在允許燈光因故熄滅時自動點亮紅燈，實現(xiàn)故障導(dǎo)向安全。“CBTC車”以車載信號為主體，軌旁信號機顯示正常時可忽略。如果司機發(fā)現(xiàn)車載信號與軌旁信號顯示不一致時，有可能采取不必要的制動措施而影響運營效率，使系統(tǒng)可用性降低。軌旁信號機的顯示反而會對列車運行造成干擾，增加司機勞動強度和心理壓力。鑒于此，近年來新開通的CBTC系統(tǒng)更趨向于選用軌旁信號機滅燈的方式。

3.2 信號機滅燈方案

該方案一般在正線采用黃、綠、紅三燈四顯示LED信號機的CBTC系統(tǒng)中使用。當(dāng)系統(tǒng)處于CBTC控制模式下時，軌旁信號機滅燈，列車以車載VOBC接收到的ZC移動授權(quán)為行車憑證，在ATP速度曲線的監(jiān)控下運行。而系統(tǒng)處于點式ATP控制模式下時，軌旁信號機點亮相應(yīng)的燈光。根據(jù)滅燈時機的不同，可以將CBTC模式下信號機滅燈的具體實施方案分為3種。

3.2.1 常態(tài)滅燈方案

采用常態(tài)滅燈方案的CBTC系統(tǒng)正常運營時，當(dāng)系統(tǒng)處于CBTC控制模式下，除進(jìn)出入段、聯(lián)絡(luò)線、盡頭線信號機常態(tài)亮紅燈外，其余正線軌旁信號機常態(tài)全部滅燈，所有“CBTC車”都以車載信號為行車憑證，而“非CBTC車”視滅燈為禁止信號，仍依靠地面信號機的顯示行車。

該方案中，ZC會根據(jù)車載VOBC發(fā)來的列車狀態(tài)和位置信息以及CBI發(fā)來的軌道區(qū)段占用狀態(tài)，判斷是否需要給CBI滅燈控制信號。如果是“CBTC車”，則ZC持續(xù)向CBI發(fā)送滅燈指令，列車憑車載信號行車。如果是“非CBTC車”，則ZC判斷該“非CBTC車”進(jìn)入信號機前方接近區(qū)域后，停止向CBI發(fā)送滅燈指令，CBI根據(jù)進(jìn)路空閑等聯(lián)鎖條件控制信號機點亮相應(yīng)的燈光，該“非CBTC車”按軌旁信號機顯示行車。如果在信號機點亮后，該“非CBTC車”又升級成了“CBTC車”，則ZC重新向CBI發(fā)送滅燈指令，CBI收到滅燈指令后，控制軌旁信號機滅燈，列車憑車載信號行車。

從該方案的執(zhí)行過程中，可以看出信號機點燈還是滅燈是由ZC根據(jù)列車狀態(tài)是“CBTC車”還是“非CBTC車”來控制的。而列車降級后，前方信號機的點燈時機則由列車是否進(jìn)入信號機接近區(qū)域來控制。

該方案的優(yōu)點是CBTC下地面信號機以滅燈形式，不會對司機的正常駕駛產(chǎn)生干擾，同時又符合地鐵綠色節(jié)能的設(shè)計宗旨。因此，不僅國內(nèi)開通的多條地鐵線都采用了這一方案，而且我國高鐵CTCS-3級列控系統(tǒng)也明確規(guī)定采用地面信號機滅燈模式。

該方案最大的缺陷在于CBTC模式下無法實現(xiàn)對信號機燈絲狀態(tài)的持續(xù)檢查，“非CBTC車”接近時信號機可能因故無法點亮。如果信號機滅燈后，發(fā)生燈絲斷絲，CBI無法檢測到斷絲狀態(tài)。這種情況下，如果列車降級為“非CBTC車”需要軌旁信號機點燈，但軌旁信號機因燈絲斷絲點不亮，最終列車只能在滅燈信號機前停車待命。此時，信號機無法給列車提供行車憑證，只能依靠調(diào)度員直接授權(quán)給司機，列車才能夠繼續(xù)前行。此外，使用該方案時，因為信號機長期處于滅燈，對司機確定信號機位置有一定影響。如果是紅燈燈絲斷絲，而恰好接近信號機的“非CBTC車”運行速度較高，則有可能發(fā)生冒進(jìn)信號的事故，使系統(tǒng)的安全性降低。

鑒于信號機常態(tài)滅燈方案中存在的問題，目前開通的線路一般可采用以下幾種措施來進(jìn)行預(yù)防：①人工定時檢測信號機燈絲，并以紅燈燈絲狀態(tài)檢查為重中之重；②在車載設(shè)備上增加CBTC狀態(tài)指示燈及相關(guān)提示，提醒司機在列車降級后注意瞭望軌旁信號機，謹(jǐn)慎駕駛；③采用LED信號機，即使發(fā)生燈絲斷絲，LED燈依然能夠保證一定的顯示距離和光通量；④運營公司可以通過運營制度規(guī)定和對司機定期進(jìn)行培訓(xùn)和考核等方式，提高人員的防范意識。例如可規(guī)定司機在列車降為“非CBTC車”時必須減速慢行，并注意觀察軌旁信號機顯示狀態(tài)以及前方線路狀況。通過這些輔助措施，可大大降低該類問題的發(fā)生概率，將潛在的風(fēng)險轉(zhuǎn)移，但并不能將問題根除。這也是一些城市地鐵線路寧愿選用信號機常態(tài)亮燈方案的主要因素。

3.2.2 常態(tài)亮燈，CBTC列車接近觸發(fā)信號機滅燈

該方案的做法是在CBTC控制模式下，當(dāng)線路上沒有列車時，正線軌旁信號機常態(tài)全部點亮相應(yīng)的燈光。如果信號機前方運行的是“CBTC車”，則當(dāng)“CBTC車”進(jìn)入信號機前方設(shè)定的接近區(qū)域時，ZC會根據(jù)列車位置和接近區(qū)域軌道區(qū)段占用狀態(tài)判斷列車已接近信號機，并持續(xù)向CBI發(fā)送信號機滅燈指令，觸發(fā)信號機滅燈，“CBTC車”憑車載信號行車。如果信號機前方運行的是“非CBTC車”，則ZC不會給CBI發(fā)送滅燈指令，軌旁信號機仍由CBI根據(jù)聯(lián)鎖條件點亮相應(yīng)的燈光，“非CBTC車”憑軌旁信號行車。如果“CBTC車”進(jìn)入接近區(qū)域后降級為“非CBTC車”，則ZC停止向CBI發(fā)送滅燈指令，CBI根據(jù)聯(lián)鎖條件控制軌旁信號機點亮相應(yīng)燈光。如果是“非CBTC車”進(jìn)入接近區(qū)域后升級為“CBTC車”，則ZC持續(xù)向CBI發(fā)送滅燈指令，將信號機設(shè)置為滅燈狀態(tài)。

該方案中，ZC是否向CBI發(fā)送滅燈指令，需要判斷列車狀態(tài)是不是“CBTC車”，并且列車是否進(jìn)入信號機前方接近區(qū)域。信號機滅燈是由“CBTC車”是否進(jìn)入信號機接近區(qū)域來控制。

3.2.3 常態(tài)亮燈，移動授權(quán)范圍內(nèi)信號機滅燈

該方案的做法是在CBTC控制模式下，軌旁信號機常態(tài)點亮相應(yīng)的燈光。由ZC判斷該列車是“CBTC車”，則向CBI發(fā)送滅燈指令，將列車運行前方移動授權(quán)覆蓋范圍內(nèi)的信號機全部設(shè)置為滅燈。不在移動授權(quán)覆蓋范圍內(nèi)的信號機仍按照點式ATP進(jìn)路控制原則，由CBI根據(jù)進(jìn)路的請求、占用、出清來控制軌旁信號機點亮相應(yīng)的燈光。如果“CBTC車”降級為“非CBTC車”，則ZC停止向CBI發(fā)送滅燈指令，軌旁信號機點亮相應(yīng)燈光。如果是“非CBTC車”升級為“CBTC車”，則ZC持續(xù)向CBI發(fā)送滅燈指令，將移動授權(quán)范圍內(nèi)的信號機設(shè)置為滅燈狀態(tài)。

該方案中，ZC是否向CBI發(fā)送滅燈指令，只需要判斷列車狀態(tài)是不是“CBTC車”，不需要檢查列車是否已進(jìn)入信號機接近區(qū)域。信號機滅燈取決于是否被移動授權(quán)所覆蓋。

3.2.4 方案對比

對比上述3種滅燈方案可以看出，常態(tài)滅燈方案與“CBTC車”接近觸發(fā)滅燈和移動授權(quán)滅燈方案的區(qū)別僅在于CBTC控制模式下信號機常態(tài)的選擇不同。與常態(tài)滅燈方案相比，“CBTC車”接近觸發(fā)滅燈和移動授權(quán)滅燈方案能夠改善信號系統(tǒng)對信號機燈絲狀態(tài)的檢查，系統(tǒng)安全性更高。但與“CBTC車”接近觸發(fā)滅燈和移動授權(quán)滅燈方案相比，在線路上行車密度比較大時，常態(tài)滅燈可以有效地減少信號機因頻繁點亮、熄滅而使壽命降低的問題，更具節(jié)能優(yōu)勢，并且不會出現(xiàn)司機誤看到前方較遠(yuǎn)處信號機的顯示而采取與設(shè)備自動控制命令不一致的操作，系統(tǒng)可用性更高。

4 結(jié)論

本文針對目前國內(nèi)城市軌道交通信號系統(tǒng)CBTC控制模式下正線信號機顯示方案的設(shè)計進(jìn)行了研究，總結(jié)了正線信號機顯示意義和各種顯示方案。從信號系統(tǒng)運營和設(shè)計開發(fā)的角度，著重介紹了每一種顯示方案對“CBTC車”和“非CBTC車”的邏輯處理方式，并分析了各種方案存在的優(yōu)勢和缺點，為實際工程的設(shè)計和CBTC系統(tǒng)的進(jìn)一步完善提供了一點參照。

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責(zé)任編輯 冒一平

Analysis of Scheme and Logic Implementation for CBTC Main Line Signal Display System

Yan Jianpeng

The paper makes analysis of different display scheme of urban rail transit main line signal, focuses on logical process of all kinds of display schemes of "the CBTC train" and "non CBTC train". At the same time, the advantages and disadvantages of all schemes and the effect of the safety and availability of signal system are compared, providing valuable references for further improvement of practical engineering design and CBTC system.

urban rail transit, signal, display scheme, CBTC system, control logic

U284

2015-04-21

嚴(yán)建鵬：國電南瑞科技股份有限公司，工程師，江蘇南京 210061