CBTC信號系統(tǒng)在城軌快慢車模式的應(yīng)用

馮珺

（上海電氣泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司，上海 201206）

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，城市中心與副中心的聯(lián)系越來越緊密，軌道交通列車的 “大站?！迸c“站站?！苯M合運行方案（即快慢車運營方案）應(yīng)運而生。以廣州地鐵14號線為例，從化市是廣州市下轄的一個縣級市，與廣州市中心之間有較大的直通客流，且直通距離較遠(yuǎn)，因此需要開通直通快車，將其之間的旅行時間控制在60 min以內(nèi)。同時，從化市到市中心附近又有一定數(shù)量的客流需求，因此需要開行站站停的普通慢車。為適應(yīng)以上客流特點，14號線采用快、慢車混合運營的方式是合理的、必要的。

1 快慢車線路對信號系統(tǒng)的特殊需求

廣州市軌道交通14號線信號系統(tǒng)采用上海電氣泰雷茲無線CBTC系統(tǒng)（以下簡稱CBTC）。該CBTC系統(tǒng)使用地面和車載硬件實現(xiàn)列車自動防護(hù)（ATP）、列車自動運行（ATO）和列車自動監(jiān)控（ATS）的功能，并實現(xiàn)預(yù)期的列車運營間隔。相對于通常的站站停的運營模式，快、慢車混合運行的方案對信號系統(tǒng)有如下的特殊需求。

需要高級的ATS功能來支持快、慢車運營的復(fù)雜運營場景。ATS采用不同的標(biāo)識來明顯區(qū)分快慢車，為快車、慢車分別安排不同的運營計劃；在一定的干擾范圍，如一定的晚點范圍內(nèi)，自動或根據(jù)值班員制定的調(diào)整策略自動進(jìn)行快慢車的運營調(diào)整，確保列車按照運營計劃運營；在嚴(yán)重干擾情況下，提供靈活的人工調(diào)整策略；為外部系統(tǒng)如乘客信息系統(tǒng)提供精確的列車計劃及實際運行信息，確保整個地鐵系統(tǒng)的有序運轉(zhuǎn)。

專門針對快、慢車運行的報表及統(tǒng)計功能需如實反映真實的運營狀態(tài)。

需要ATP提供高效的系統(tǒng)追蹤能力，以確保列車在越行車站的安全與效率。

需要ATO支持快慢車的不同運行曲線，為旅客提供舒適的服務(wù)，并實現(xiàn)節(jié)能。

2 快慢車運營方案

廣州地鐵14號線采用快、慢車（普通車）運行模式?？燔嚭吐囀褂貌煌膮^(qū)間速度曲線，最高速度120 km/h。快車僅在大站?？?，快車和慢車在快車停靠站使用相同的站臺，但使用不同的停站時間。最大系統(tǒng)能力24對/小時，快慢車比例采用1：3或1：2?？燔嚥捎枚c發(fā)車，發(fā)車間隔固定；慢車?yán)每燔囬g隔開行，發(fā)車間隔根據(jù)客流情況及線路能力調(diào)整。配置越行站（雙島四線或單島四線），越行線兼作故障停車線。實施越行避讓管理，保證快車優(yōu)先。

在運營發(fā)生異常情況時，列車會發(fā)生晚點，信號系統(tǒng)將提供自動調(diào)整功能。通過調(diào)整區(qū)間運行時分和停站時間，讓列車自動回歸到正點運行情況；如果晚點的時間在系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)，由ATS的自動調(diào)整功能來恢復(fù)正常運行圖。如果列車嚴(yán)重晚點，通過ATS自動調(diào)整難以恢復(fù)正常運行圖，信號系統(tǒng)提供班次偏移、重新匹配、重新分配和修改運行圖的手段，使列車恢復(fù)正點運行；或者使用系統(tǒng)提供的等間隔調(diào)整模式，普通多交路混合列車運行，使得在故障情況下，依然能夠滿足客運組織的要求。

如果某一越行站的避讓線（/越行線）因故阻塞，系統(tǒng)提供交路轉(zhuǎn)換功能，信號系統(tǒng)指揮列車有效利用越行線（/避讓線）進(jìn)出越行站。在故障情況下，能夠維持原計劃交路，滿足運營組織要求。

每一列列車都有一個識別碼，該識別碼由ATS自動分配，其中包含一位列車類型碼，用來識別該列車是快車還是慢車（普通車）。上海電氣泰雷茲的CBTC系統(tǒng)中， “K”表示快車，“P”表示慢車。ATS系統(tǒng)還可以根據(jù)運營需要，進(jìn)行運行線的變換，進(jìn)而保持快慢車1：3比例或1：2比例。

2.1 CBTC系統(tǒng)對于快慢車運行線的定義

1）快車運行線

快車運行線路只在大站（?？空九_）才?？浚诜谴笳緯r直接通過，同時在越行站臺設(shè)置側(cè)向過道道岔。如圖1所示，當(dāng)越行線發(fā)生故障，或者其他列車在越行站臺臨時停車時，快車可以自動使用越行站的避讓線快速通過越行站臺。

2）慢車運行線

慢車運行路線在每站均要?？浚瑫r在越行站臺設(shè)置側(cè)向過道道岔。如圖2所示，當(dāng)越行線發(fā)生故障，或者其他列車在越行站臺臨時停車時，慢車可以使用越行線自動過越行站。

3）臨時小交路運行線

ATS系統(tǒng)預(yù)定義了用于任意兩個折返站之間的運行線，該運行線用于臨時小交路運行線。如果在運營中發(fā)生共線區(qū)段阻塞，調(diào)度員將通過ATS系統(tǒng)將運行模式轉(zhuǎn)換為站站停運行模式，并按照阻塞位置，選擇相應(yīng)的臨時小交路運行。

4）運行線轉(zhuǎn)換

信號系統(tǒng)使用運行線轉(zhuǎn)換功能可以將一列車或所有列車從已分配的運行線自動進(jìn)路到臨時運行線上，在不取消原有運行線的情況下，自動排列新的進(jìn)路，繞過問題軌道區(qū)域。

2.2 交匯避讓場景

如圖3所示，調(diào)度員可為每個交匯避讓區(qū)域選擇按照計劃順序/按照列車先后順序出交匯避讓區(qū)域。

交匯避讓管理用于使快慢車按照設(shè)定的順序通過越行站，并最小化列車停在站臺之外的幾率。默認(rèn)情況下，交匯避讓區(qū)域使用“計劃優(yōu)先”策略。

交會避讓場景1：快車輕微晚點。如圖3所示，鐘落潭為固定越行站。在快車晚點的情況下，如果慢車進(jìn)入接近區(qū)域2后，快車已進(jìn)入其接近區(qū)域1，系統(tǒng)將指揮慢車在鐘落潭4延時避讓，快車依然優(yōu)先通過。否則，T2停站結(jié)束后不避讓快車，優(yōu)先發(fā)車?？燔囋谙乱粋€越行站實行越行。通過性能分析結(jié)果，如果快車晚點超過2 min, 將影響正常的開行比例，即慢車在站臺的最大等待時間為2 min。

交會避讓場景2：快車嚴(yán)重晚點。如果按計劃快車應(yīng)該在鐘落潭的上一個越行站太和越行慢車，但因為快車嚴(yán)重晚點越行失敗，發(fā)生在本越行站快慢車間隔很近的情況。在慢進(jìn)入接近區(qū)域2時，快車已進(jìn)入其接近區(qū)域1，系統(tǒng)將指揮慢車在鐘落潭4延時避讓，讓快車T3優(yōu)先通過。

交會避讓場景3：普通車晚點。如果按計劃快車并不會在鐘落潭越行慢車，但因為慢車晚點，在慢車進(jìn)入接近區(qū)域2后，系統(tǒng)檢測到快車進(jìn)入其接近區(qū)域1，但慢車計劃優(yōu)先于快車，系統(tǒng)將指揮快車等待，讓慢車先行。

3 故障場景分析

3.1 列車晚點

ATS可以自動調(diào)整停站時間或者ATS自動調(diào)整速度曲線。如果晚點的時間不長，可以不需要調(diào)度員的介入，僅僅通過ATS系統(tǒng)的自動調(diào)整就可以恢復(fù)時刻表運營。

3.2 嚴(yán)重晚點

在這種情況下，每一站臺的停車時間將被分配到ATS系統(tǒng)設(shè)置的最小停站時間，站臺之間的列車運行速度將被分配到ATS系統(tǒng)設(shè)置的最快運行速度，需要調(diào)度員人工取消列車原來的班次，然后依據(jù)時刻表重新為列車分配最接近準(zhǔn)點的班次，以滿足快慢車的運營比例。

3.3 越行站越行線阻塞

越行站的越行線阻塞后，調(diào)度員可對快車進(jìn)行運行線偏離，偏離后，ATS將指揮快車自動從避讓線通過此站，繼續(xù)保持列車快慢車模式運行。

3.4 其他共線區(qū)域線路故障

由于極端故障導(dǎo)致的共線區(qū)域線路阻塞，例如道岔故障、供電故障、軌道斷電等，列車無法繼續(xù)保持快慢車模式運營，調(diào)度員需要采取取消已有的列車班次、分配臨時運行線、至故障排除、恢復(fù)正常運行交路、再恢復(fù)至?xí)r刻表順序的控制策略?？梢杂邢旅鎺追N策略。

方案一：在折返站為列車依次分配快、慢車班次。

方案二：為列車就近分配班次，并在下一站停靠，完成清客。

方案三：上下行折返站分別連續(xù)發(fā)出四輛快車，優(yōu)先恢復(fù)快車運營。

方案四：系統(tǒng)扣車，由調(diào)度員為停站列車就近分配快慢車班次。

3.5 ATS故障

正常情況下，ATS為中央控制模式，本地ATS故障，并不會影響運營。如果中央ATS服務(wù)器發(fā)生故障， ATS就由中央控制模式轉(zhuǎn)換為本地站控模式。本地站控模式下，ATS和車載系統(tǒng)不通信，快車無法接收中間站的跳停命令。此時，調(diào)度員可通知司機將快車轉(zhuǎn)成ATPM模式，人工駕駛列車跳站，繼續(xù)保持快慢車模式運行。

3.6 軌旁移動授權(quán)設(shè)備故障

當(dāng)軌旁移動授權(quán)設(shè)備故障后，調(diào)度員可將故障區(qū)轉(zhuǎn)為后備模式，采用點式后備模式駕駛。離開故障區(qū)域后，列車恢復(fù)正常模式駕駛。

4 快慢車運營仿真

上海電氣泰雷茲CBTC系統(tǒng)的設(shè)備模擬軟件（ES）可以仿真廣州14號線的運行情況以及用于驗證故障場景下的快慢車調(diào)整及恢復(fù)能力。仿真的數(shù)據(jù)使用真實的廣州地鐵14號線ATS數(shù)據(jù)庫、VOBC車載數(shù)據(jù)庫、MAU軌旁信號設(shè)備數(shù)據(jù)。實驗室設(shè)備包括：ATS測試平臺、MAU軌旁設(shè)備測試平臺、VOBC車載設(shè)備測試平臺和環(huán)境仿真器，如圖4所示。

在模擬過程中，慢車避讓快車過程分3步：當(dāng)快車追蹤慢車間隔接近90 s時，慢車側(cè)向進(jìn)避讓站，停站上下客并避讓準(zhǔn)備追上的快車；快車?yán)谜€限速通過車站，慢車?yán)^續(xù)避讓快車；至快車離開車站60 s后，慢車停止避讓，側(cè)向出避讓站。

仿真模擬可動態(tài)生成全線列車運行圖，通過生成的列車運行圖可核算實際運行與計劃運行之間的差異，驗證行車組織的合理性。通過生成的運行圖分析，如圖5所示，14號線快慢車模擬運行圖與設(shè)計運行圖保持一致，列車到發(fā)車站的時刻均能按照計劃進(jìn)行。

通過仿真模擬，可直觀的反應(yīng)出前后幾列車的追蹤間隔，包括慢車與慢車之間、慢車與快車之間、快車與快車之間的追蹤間隔如圖6所示。根據(jù)運行計劃，兩列快車之間的發(fā)車間隔為10 min，通過仿真，可知仿真過程中兩列快車間的追蹤間隔保持10 min不變，說明快車的運行可以完全按照計劃進(jìn)行。在快車追蹤慢車間隔分析中，快車追蹤慢車的間隔由負(fù)變正，說明了快車逐步追上慢車的過程?？燔囎飞下嚥⒃诒茏屨驹叫泻?，與慢車的間隔逐步變大，快車在越行慢車后速度優(yōu)勢仍在體現(xiàn)。

另外,針對極端故障導(dǎo)致的共線區(qū)域線路阻塞的故障恢復(fù)也進(jìn)行仿真，按照快慢車1：2仿真比例，上線28列列車計算，4種方案對比如表1所示。

表1 4種方案對比Tab.1 Comparison among four schemes

從仿真結(jié)果看，小交路運營線路非常靈活，由小交路恢復(fù)大交路的過程中，正線與支線開行比例需要調(diào)度員人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，恢復(fù)時間隨交路不同差異很大；由大交路站站?；謴?fù)至快慢車模式的恢復(fù)時間普遍較長，綜合乘客乘車體驗及調(diào)度人員操作難度，方案一及方案二較為理想。

5 結(jié)束語

以廣州地鐵14號線為例，研究CBTC信號系統(tǒng)在城規(guī)交通快慢車模式下的應(yīng)用，分析快慢車系統(tǒng)對CBTC信號系統(tǒng)的特殊需求，討論廣州地鐵14號線的快慢車運營方案，對快慢車運行線的定義，特別是對交匯避讓管理進(jìn)行了不同場景的描述。對于運營時可能會發(fā)生的故障場景分別進(jìn)行了分析。最后通過CBTC仿真軟件進(jìn)行了系統(tǒng)運營性能和故障的調(diào)整方案的模擬驗證，說明CBTC信號系統(tǒng)在廣州十四號線的快慢車配置可滿足快、慢車運行要求，是可行的。