市域快軌信號機顯示方案研究

鄧志翔

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

市域快軌信號機顯示方案研究

鄧志翔

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

作為一種新型的軌道交通，市域快軌在站間距、運行時速等方面與城市軌道交通有著明顯的區(qū)別，分析城市軌道交通信號降級及后備系統(tǒng)的信號機“兩顯示”和“三顯示”方案，將其應用于市域快軌中存在的信號機顯示邏輯關系不明確、岔區(qū)信號機間距過小等問題，從而提出針對市域快軌工程特點的“三顯示”信號方案，并給出各工況條件下信號機(出發(fā)信號機、進站信號機、區(qū)間通過信號機)之間的點燈邏輯關系。該方案可在保障行車安全的前提下，有效提高降級及后備模式下的行車效率，更加適用于平均站間距大、速度目標值和旅行速度高的市域快軌公交化運營需求。

市域快軌； 運營需求； 信號機； 邏輯關系； 顯示方案

1 研究背景

隨著城市化進程的加快及城市框架的不斷拉大，城市規(guī)模快速膨脹。傳統(tǒng)軌道交通模式(國鐵和城市軌道交通)已經(jīng)無法適應新型城鎮(zhèn)化的運營需求[1]，因此市域快軌作為一種較城市軌道交通營運速度更快、運量更大的交通工具，成為增進城市中心與衛(wèi)星城、組團城區(qū)之間經(jīng)濟交互的最佳交通模式，對城市的可持續(xù)發(fā)展、資源的節(jié)約利用以及生態(tài)環(huán)境的保護都具有重要意義。

市域快軌的功能定位介于國鐵干線和城軌交通之間[2]，相比國鐵干線更具公交化運營[3]特點，運營需求和工程體量更接近城市軌道交通。相比城軌，市域快軌在工程體系上具有如下特點[4]：

1) 線路運營里程較長，單一工程規(guī)劃一般在50～100 km，區(qū)間和車站均以高架為主，中心城區(qū)或跨江(河、湖)區(qū)域采用隧道方式；

2) 平均站間距一般不小于3 km，最長站間距可超過10 km；

3) 速度目標值為120～160 km/h，且旅行速度不低于50 km/h；

4) 初、近期高峰時期的最小行車間隔在5 min以上，遠期則不小于2.5 min；

5) 公交化運營模式，一般采用站站停的運營方式，當運量增長且具有相關需求之后，可開行大站快車。

鑒于市域快軌項目一般由地方政府建設，無需與國鐵互聯(lián)互通，且自動化程度更高，因此其信號系統(tǒng)一般采用基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(CBTC系統(tǒng))[5]或基于ETCS-1平臺的點式列車自動控制系統(tǒng)(ATC系統(tǒng))[6]。

2 信號機顯示方案

無論CBTC系統(tǒng)還是點式ATC系統(tǒng)，均具備ATP(列車自動防護)功能和ATO(列車自動駕駛)功能，當ATP設備正常時，司機均以車載信號為主體信號。為降低設備故障對運營的影響，信號系統(tǒng)在設計之初就應具備靈活多樣的降級控制模式，當上級設備發(fā)生故障時，能自動或經(jīng)人工轉換至下一級設備對行車進行控制，并能維持較低一級的運營。當ATP設備故障時，司機必須根據(jù)軌旁信號機的顯示來駕駛列車，人工保障行車安全。

2.1 城市軌道交通信號顯示方案

目前，城市軌道交通的車載ATP設備發(fā)生故障時，列車一般處于“RM受限制人工駕駛模式”或“NRM非受限制人工駕駛模式”。在RM模式下，列車由司機人工駕駛，最高限速一般為25 km/h，一旦超速列車會緊急制動；在NRM模式下，列車完全由司機人工駕駛，無速度限制，但司機仍然會將車速控制在比較低的速度等級，這是因為城市軌道交通的降級及后備系統(tǒng)的信號顯示主要采用“兩顯示”方案，即：綠燈表示前方一個進路閉塞分區(qū)空閑；紅燈表示禁止列車越過該架信號機。一方面當司機看到前方信號機顯示綠燈時，無法知道該架信號機后方的閉塞區(qū)段長度和下一架信號機的顯示信息，因此無法把握開車的速度，只能低速行駛；另一方面，正線道岔區(qū)段的信號機之間的距離往往很短，如圖1所示，X1和X2之間的距離僅一列車長，一旦司機駕車速度略高，則容易出現(xiàn)闖“紅燈”的事故。

圖1 城軌典型道岔區(qū)段信號機布置示意Fig.1 Signal layout diagram of typical urban switch section

為了進一步保障道岔區(qū)段的行車安全，信號機會增加黃燈顯示，從而變成所謂的“三顯示”方案，黃燈表示前方一個進路閉塞分區(qū)空閑，進路中有道岔鎖閉在反位。

在“三顯示”方案中，綠燈和黃燈之間沒有邏輯關系，黃燈只是起到對道岔反位的警示作用，其本質仍是“兩顯示”方案。黃燈的下一架信號機可以為任意顯示，司機同樣無法預知該架信號機后方的閉塞區(qū)段長度和下一架信號機的顯示信息。因此在“三顯示”方案中，司機的駕駛速度仍然很低，行車效率低下。

在城市軌道交通中，由于列車正常運營的旅行速度不高，平均站間距較小，因此在降級及后備模式下運行時，乘客的感受不會特別明顯。然而將該顯示方式應用到市域快軌中，例如4 km的站間距，在正常運營時約需3.5 min；然而在25 km/h的限速下，人工駕駛將耗時超過12 min,乘客的感受差異非常大，由此會帶來較大的負面影響。

2.2 市域快軌信號顯示方案

鑒于軌道交通“兩顯示”和“三顯示”方案在平均站間距較大的市域快軌中存在的不足，為了進一步提高市域快軌后備及降級運營模式下的運營效率，筆者借鑒了國鐵“三顯示”自動閉塞原理[7]，提出了市域快軌“三顯示”信號系統(tǒng)方案。國鐵“三顯示”[8]方案是根據(jù)區(qū)間自動閉塞概念設計的，區(qū)間通過信號機默認顯示綠燈，然而市域快軌CBTC系統(tǒng)或點式ATC系統(tǒng)均采用站區(qū)一體化設計思路，區(qū)間通過信號機的顯示均根據(jù)聯(lián)鎖邏輯而來，默認顯示紅燈。為了實現(xiàn)“三顯示”方案的邏輯關系[9]，聯(lián)鎖層面應做相應的調(diào)整，并在通過信號機上增加引導信號：故市域快軌“三顯示”方案在系統(tǒng)實現(xiàn)上與國鐵存在一定的差異，但更符合CBTC或點式ATC主用系統(tǒng)的應用，更適應市域快軌公交化運營的需求。

根據(jù)市域快軌站場配線情況[10]，將車站及緊鄰的岔區(qū)均視為車站范圍，正線信號機大致分為進站信號機、出發(fā)信號機和區(qū)間通過信號機，3種類型的信號機如圖2所示。出發(fā)信號機和區(qū)間通過信號機的機構類型相同，均采用“黃、綠、紅”3燈位機構，出發(fā)信號機的道岔表示器用小白燈表示，進站信號機采用“黃、綠、黃、封、紅”5燈位機構。

圖2 正線信號機示意Fig.2 The sketch map of signals

1) 出發(fā)信號機的燈光顯示含義：綠色燈光表示前方至少有兩個閉塞分區(qū)空閑；黃色燈光表示前方有一個閉塞分區(qū)空閑；紅色燈光表示禁止列車越過該架信號機；紅黃燈光為引導信號顯示，準許列車以不大于規(guī)定允許的速度越過該架信號機繼續(xù)運行，并隨時準備停車；小白燈光表示出發(fā)進路中需通過道岔側向。

2) 進站信號機的燈光顯示含義：綠色燈光表示列車以不大于站臺允許的速度通過車站；黃色燈光(1黃)表示列車經(jīng)道岔直向進入車站站臺停車；雙黃燈光表示列車經(jīng)道岔側向進入車站站臺/存車線停車；紅色燈光表示禁止列車越過該架信號機；紅黃燈光(2黃)為引導信號顯示，準許列車以不大于規(guī)定允許的速度越過該架信號機繼續(xù)運行，并隨時準備停車。

3) 區(qū)間通過信號機的燈光顯示含義：綠色燈光表示前方至少有兩個閉塞分區(qū)空閑；黃色燈光表示前方有一個閉塞分區(qū)空閑；紅色燈光表示禁止列車越過該架信號機；紅黃燈光為引導信號顯示，準許列車以不大于規(guī)定允許的速度越過該架信號機繼續(xù)運行，并隨時準備停車。

區(qū)間信號機的布點基本原則是每一個閉塞分區(qū)的長度均大于一個緊急制動距離；如為保障行車效率，且區(qū)間長度較為特殊時，可以適當縮短出發(fā)信號機外方“一離去”區(qū)段的長度，以保障其他區(qū)段長度均滿足制動距離要求。基于上述布點基本原則和信號機燈光表示含義，司機可明確各信號顯示之間的邏輯關系，并且閉塞區(qū)段的長度和信號顯示關系可以保障人工目視行車的安全。

當區(qū)間通過信號機顯示綠燈時，可以按照后備及降級模式下規(guī)定的最高運營速度(根據(jù)正線道岔型號確定，市域快軌一般采用12號道岔，可確定限速為55 km/h，若考慮信號機的可視距離，可進一步提高該限速)行駛至前方次一架信號機;當區(qū)間通過信號機顯示黃燈時，列車應在前方次一架信號機前停車，此時司機可以放心開車，無需擔心闖“紅燈”事故的發(fā)生，可大大提高降級及后備模式下的運營效率。

3 信號機顯示關系

筆者所提出的市域快軌信號機顯示方案由于增加了“三顯示”的邏輯概念，信號機的顯示關系較城市軌道交通信號機顯示方案復雜[11]，主要的顯示關系如下所述。

3.1 出發(fā)信號機

3.1.1 顯示綠燈

當出發(fā)信號機顯示綠燈時，表示直向發(fā)車，出站進路內(nèi)所有道岔都必須開通直向，前方至少有兩個閉塞分區(qū)空閑。

1) 若兩站區(qū)間較長，出發(fā)信號機前方次一架為區(qū)間通過信號機時，其顯示關系如圖3所示。

圖3 前方次一架為區(qū)間通過信號機Fig.3 The next one is a block signal

2) 若兩站區(qū)間較短，區(qū)間無法設置通過信號機，即本站出發(fā)信號機前方次一架信號機為下一站進站信號機時，無論是直向進站還是側向進站，出發(fā)信號機均開放綠燈，其顯示關系如圖4所示。

圖4 前方次一架為進站信號機Fig.4 The next one is an arrival signal

3.1.2 顯示黃燈

當出發(fā)信號機顯示黃燈時，表示直向發(fā)車，出站進路內(nèi)所有道岔都必須開通直向，前方只有一個閉塞分區(qū)空閑。

1) 若出發(fā)信號機與前方次一架區(qū)間通過信號機的距離大于安全制動距離時，該區(qū)間通過信號機顯示紅燈，出發(fā)信號機開放黃燈，其顯示關系如圖5所示。

圖5 前方次一架為區(qū)間通過信號機且開放紅燈信號Fig.5 The next block signal shows red

2) 若出發(fā)信號機前方次一架區(qū)間通過信號機開放引導信號時，出發(fā)信號機開放黃燈，其顯示關系如圖6所示。

圖6 前方次一架為區(qū)間通過信號機且開放引導信號Fig.6 The next block signal shows pilot information

3) 若出發(fā)信號機前方次一架區(qū)間通過信號機允許燈光故障滅燈時，出發(fā)信號機開放黃燈，其顯示關系如圖7所示。

圖7 前方次一架為區(qū)間通過信號機且允許燈光故障滅燈Fig.7 The next block signal extinguish because green or yellow light breaks down

4) 若出發(fā)信號機前方次一架為進站信號機且顯示紅燈或者引導信號時，出發(fā)信號機開放黃燈，其顯示關系如圖8所示。

圖8 前方次一架為進站信號機且顯示紅燈/引導信號Fig.8 The next arrival signal shows red/pilot information

3.1.3 顯示綠燈+道岔表示器

當出發(fā)信號機顯示“綠燈+道岔表示器”，則表示出站進路內(nèi)有道岔開通彎股，前方進路至少兩個閉塞分區(qū)空閑。

1) 若出發(fā)信號機前方次一架信號機為區(qū)間通過信號機且顯示黃燈或綠燈時，出發(fā)信號機顯示“綠燈+道岔表示器”，其顯示關系如圖9所示。

圖9 前方次一架為區(qū)間通過信號機且開放允許信號Fig.9 The next block signal shows green or yellow

2) 若出發(fā)信號機前方次一架信號機為進站信號機時，無論進站信號機顯示綠燈、黃燈或雙黃，本架出發(fā)信號機均顯示為“綠燈+道岔表示器”，其顯示關系如圖10所示。

圖10 前方次一架為進站信號機且開放允許信號Fig.10 The next arrival signal shows green or yellow or double yellow

3) 若出發(fā)信號機前方次一架信號機為進段/場信號機時，無論是正向進段/場還是反向進段/場，本架出發(fā)信號機均顯示為“綠燈+道岔表示器”，其顯示關系如圖11所示。

圖11 前方次一架為進段/場信號機且開放允許信號Fig.11 The next depot arrival signal shows double yellow

3.1.4 顯示黃燈+道岔表示器

當出發(fā)信號機顯示“黃燈+道岔表示器”，則表示出站進路內(nèi)有道岔開通彎股，前方進路只有一個閉塞分區(qū)空閑。

1) 若出發(fā)信號機前方次一架信號機為區(qū)間通過信號機時，該通過信號機顯示紅燈或引導或允許信號滅燈時，出發(fā)信號機顯示“黃燈+道岔表示器”，其顯示關系如圖12所示。

圖12 前方次一架為區(qū)間通過信號機且顯示紅燈或引導/允許信號滅燈Fig.12 The next block signal shows red or pilot/green or yellow light breaks down

2) 若出發(fā)信號機前方次一架信號機為進站信號機時，無論是正向進站還是反向進站，進站信號機顯示紅燈或引導信號時，出發(fā)信號機顯示“黃燈+道岔表示器”，其顯示關系如圖13所示。

圖13 前方次一架為進站信號機且顯示紅燈/引導信號Fig.13 The next arrival signal shows red/pilot information

3.1.5 顯示紅燈

1) 若出發(fā)信號機前方次一架為區(qū)間通過信號機或進站信號機(包括正方向進站和反方向進站)，紅燈發(fā)生故障滅燈時，出發(fā)信號機也同時顯示紅燈，其顯示關系如圖14所示。

圖14 前方次一架信號機紅燈故障滅燈Fig.14 The next signal extinguishes because red light breaks down

2) 若出發(fā)信號機與前方次一架區(qū)間通過信號機的距離小于安全制動距離，且此區(qū)間通過信號機顯示紅燈時，出發(fā)信號機也顯示紅燈，其顯示關系如圖15所示。

圖15 “一離去”區(qū)段小于安全制動距離Fig.15 The length of first departure section is less than safe braking distance

3.2 進站信號機

3.2.1 顯示綠燈

當進站信號機顯示綠燈，則表示進站進路、出站應為“直進直出”的通過進路，即進站進路和出站進路上的所有道岔均開通直向位置，其顯示關系如圖16所示。

圖16 進站信號機開放綠燈Fig.16 The arrival signal show green

3.2.2 顯示黃燈

直向進站停車，進站進路內(nèi)的道岔均開通直向，出發(fā)信號機顯示紅燈或引導或紅燈滅燈，進站信號機顯示黃燈，其顯示關系如圖17所示。

圖17 出發(fā)信號機紅燈/引導/紅燈滅燈Fig.17 The departure signal shows red or pilot/red light breaks down

3.2.3 顯示雙黃燈光

1) 側向進站停車，進站進路內(nèi)有道岔開通側向，且對應的出發(fā)信號機顯示紅燈，進站信號機顯示雙黃燈光。

2) 當列車經(jīng)由道岔側向進站時，無論終端信號機為何種顯示，進站信號機均顯示雙黃。具體顯示關系如圖18所示。

圖18 側向進站，出發(fā)信號機任意顯示Fig.18 When the train arrivals by the siding， the arrival signal shows double yellow no matter the departure signal gives any information

3.3 區(qū)間通過信號機

3.3.1 前方次一架為通過信號機

若前方次一架通過信號機顯示綠燈或黃燈時，本架通過信號機顯示綠燈；若前方次一架通過信號機顯示紅燈或引導或允許燈光滅燈時，本架通過信號機顯示黃燈；若前方次一架信號機顯示紅燈滅燈時，本架通過信號機顯示紅燈。具體顯示關系如圖19所示。

圖19 前方次一架為通過信號機Fig.19 The next one is a block signal

3.3.2 前方次一架為進站信號機

若前方次一架進站信號機顯示綠燈或黃燈或雙黃燈時，本架通過信號機顯示綠燈；

若前方次一架信號機顯示紅燈或引導信號時，本架通過信號機顯示黃燈；

若前方次一架信號機顯示紅燈滅燈時，本架通過信號機顯示紅燈。

具體顯示關系如圖20所示。

圖20 前方次一架為進站信號機Fig.20 The next one is an arrival signal

4 結語

綜上所述，雖然市域快軌可以采用和城軌一致的CBTC或點式ATC系統(tǒng)，但因其速度目標值和旅行速度較高、平均站間距較大等特點，不宜直接套用城市軌道交通信號機顯示方案。本文針對市域快軌的工程特點及運營需求，提出了信號機“三顯示”方案，更適用于較長站間距的軌道交通模式，可有效提高市域快軌后備模式下的行車效率，降低后備模式下司機人工駕車時的緊張疲勞程度，減少人工駕駛時的事故概率，該方案具有較強的安全性和可實施性。

[1] 江永,劉遷.中國快速城鎮(zhèn)化趨勢下的市域快軌發(fā)展探討[J].都市快軌交通,2013,26(1):58-62.

JIANG Yong, LIU Qian.On the development of regional rail transit during the rapid urbanization process in China[J].Urban rapid rail transit, 2013, 26(1): 58-62.

[2] 鄭生全.市郊軌道交通信號系統(tǒng)方案研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2011(4):89-92.

ZHENG Shengquan.Scheme research of suburban transit signal system[J].Modern urban transit, 2011(4): 89-92.

[3] 孫見.市域鐵路公交化運營管理輔助系統(tǒng)建設[J].都市快軌交通,2014,27(2):58-61.

SUN Jian.Establish of operation management auxiliary system for urban railways applied in public transportation[J].Urban rapid rail transit, 2014, 27(2): 58-61.

[4] 李晶.市域快速軌道交通信號制式的選擇[J].城市軌道交通研究,2014(12):71-75.

LI Jing.Selection of signal system in urban rapid rail transit[J].Urban mass transit, 2014(12): 71-75.

[5] 于超,鄭生全,石文靜.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通方案研究[J].鐵道通信信號, 2010,46(1):44-47.

YU Chao, ZHENG Shengquan, SHI Wenjing.The research of interoperability of CBTC for urban rail transit[J].Railway signalling & communication, 2010, 46(1): 44-47.

[6] 黃克勇.一種市域信號系統(tǒng)的控制方案[J].信息化研究,2015,41(1):62-65.

HUANG Keyong.A control method of city domain signal system[J].Informatization research, 2015, 41(1): 62-65.

[7] 張博,錢偉.自動閉塞區(qū)段通過信號機布置方法探討[J].鐵道通信信號,2009，45(11):5-8.

ZHANG Bo, QIAN Wei.Arrangement method of through signals within automatic block section[J].Railway signalling & communication, 2009, 45(11): 5-8.

[8] 鐵路信號設計規(guī)范:TB 10007—2006(J529—2006)[S].北京:中國鐵道出版社,2006.

Code for design of railway signaling: TB 10007—2006(J529—2006)[S].Beijing: China Railway Publishing House, 2006.

[9] 地鐵設計規(guī)范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2014.

Code for design of metro： GB 50157—2013[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2014.

[10] 沈海劍.市域鐵路車站設計研究[J].鐵道標準設計,2012(4):24-28.

SHEN Haijian.Research on station design of municipal railway[J].Railway standard design, 2012(4): 24-28.

[11] 傅士善.鐵路信號顯示[M].北京：中國鐵道出版社, 2001.

FU Shishan.Display of railway signaling[M].Bejing: China Railway Publishing House, 2001.

(編輯：王艷菊)

Signal Display Scheme in Suburban Rapid Rail Transit

DENG Zhixiang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd., Wuhan 430063)

As a new kind of railway transportation, suburban rapid rail transit system is distinct from metro in many aspects,such as longer station interval and higher travelling speed. The traditional signal with “two display” and “three display” schemes currently applied in mass rail transit system under degradation and backup mode does not fit for suburban rapid rail transit system, because the logical relationship of signal display is not clear and the distance of signal in switches section is not enough for breaking. Therefore, a new “three display” scheme specially designed for suburban rapid rail transit project is presented, of which the logic lighting relation about the departure signal, the arrival signal and the interval signal in various working conditions is illustrated. Under the premise of ensuring the safety of driving, this new “three display” scheme can effectively improve the efficiency under degradation and backup mode, which is more suitable for the bus type operation requirements in suburban rapid rail transit. Keywords: suburban rapid rail transit; operation requirement; signals; logical relationship; display scheme

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.014

2016-09-13

2017-03-06

鄧志翔，男，博士，高級工程師，從事軌道交通信號設計，dzxsunny@vip.qq.com

U231.7

A

1672-6073(2017)03-0072-06