CBTC 系統(tǒng)中計(jì)軸設(shè)備布置方案研究

王平旭，尹致遠(yuǎn)

（湖南中車時(shí)代通信信號有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

在基于通信的列車控制系統(tǒng)（communication based train control system，CBTC）中，通常采用計(jì)軸將鐵道線路劃分為若干個(gè)軌道區(qū)段，并依靠計(jì)軸檢測列車軸數(shù)的功能，實(shí)現(xiàn)對軌道區(qū)段空閑與占用狀態(tài)的檢查。

合理的計(jì)軸布置可以縮短列車追蹤間隔時(shí)間，提高運(yùn)行效率；但由于CBTC 系統(tǒng)中列車的移動(dòng)授權(quán)一般以計(jì)軸為終點(diǎn)，當(dāng)計(jì)軸的位置設(shè)置得不合適時(shí)，可能會造成列車相撞的嚴(yán)重事故。一條城市軌道交通線路動(dòng)輒數(shù)十公里，需要設(shè)置的計(jì)軸設(shè)備數(shù)量多，而現(xiàn)有的布置方案不僅未能覆蓋全部應(yīng)用場景，而且沒有考慮現(xiàn)場安裝條件。為此，本文結(jié)合現(xiàn)場情況并兼顧安全和效率考慮[1]，提出了8 種場景下計(jì)軸設(shè)備的布置方案，并詳細(xì)分析了計(jì)軸設(shè)備的安裝位置，力求在室內(nèi)設(shè)計(jì)階段做到計(jì)軸設(shè)備位置布置準(zhǔn)確合理。實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該方案能滿足各場景下計(jì)軸設(shè)備的布置需求，保證了列車安全高效運(yùn)行。

1 軌道狀態(tài)檢查原理

軌道區(qū)段占用和空閑的檢查原理如圖1 所示。列車從AC1 端駛?cè)?，沿著監(jiān)視區(qū)段駛出AC2 端[2]，當(dāng)計(jì)出軸數(shù)等于計(jì)入軸數(shù)時(shí)，系統(tǒng)判定該監(jiān)視區(qū)段為空閑狀態(tài)；當(dāng)計(jì)出軸數(shù)不等于計(jì)入軸數(shù)時(shí)，系統(tǒng)判定該監(jiān)視區(qū)段為占用狀態(tài)[3]。

計(jì)軸子系統(tǒng)的安全完整性等級為SIL4 級，由于道岔振動(dòng)、回流線等因素的影響，可能會導(dǎo)致計(jì)軸磁頭受到干擾，從而降低系統(tǒng)可靠性；而合理布置計(jì)軸設(shè)備，是保證軌道狀態(tài)檢查功能正常實(shí)現(xiàn)的重要前提。

圖1 軌道狀態(tài)檢查原理Fig. 1 Principle of track state inspection

2 計(jì)軸布置方案

按照用途及安裝位置的不同，將計(jì)軸分為8 類：站臺區(qū)計(jì)軸、道岔區(qū)計(jì)軸、保護(hù)區(qū)段計(jì)軸、轉(zhuǎn)換軌計(jì)軸、折返軌計(jì)軸、聯(lián)鎖區(qū)分界點(diǎn)計(jì)軸、區(qū)間計(jì)軸和場段計(jì)軸。下面將以長沙軌道交通4 號線為例分別描述這8 類計(jì)軸的布置方案。

2.1 站臺區(qū)計(jì)軸

在站臺兩側(cè)各設(shè)置1 個(gè)計(jì)軸，將站臺區(qū)域軌道區(qū)段劃分為1 個(gè)單獨(dú)的計(jì)軸區(qū)段，用于識別站臺區(qū)域。根據(jù)站臺外方有無道岔，分兩種情況布置計(jì)軸。

2.1.1 站臺區(qū)無道岔

站臺區(qū)無道岔時(shí)，設(shè)置進(jìn)站計(jì)軸AC1 和出站計(jì)軸AC2 如圖2 所示。

圖2 站臺區(qū)無道岔時(shí)計(jì)軸Fig. 2 Axle-counting equipments in the platform area with no switch

出站計(jì)軸AC2 位置的確定方法見式（1）：

式中：D——有效站臺中心至計(jì)軸AC1 的距離；L——列車長度；d——車頭至計(jì)軸AC2 的距離。

計(jì)軸布置時(shí)不僅需考慮列車在站臺停車時(shí)的最大退行距離，同時(shí)還要保證在此范圍內(nèi)列車最大安全前端不得跨入下一個(gè)計(jì)軸區(qū)段，則計(jì)軸AC2 距離列車車頭的距離d 應(yīng)不小于“站臺精確停車應(yīng)答器安裝誤差+列車固態(tài)包絡(luò)+列車動(dòng)態(tài)包絡(luò)+最大退行距離”。

根據(jù)式（1），長沙軌道交通4 號線的D 值取68 m。

2.1.2 站臺區(qū)有道岔

站臺區(qū)有道岔時(shí)，設(shè)置進(jìn)站計(jì)軸AC1 和出站計(jì)軸AC2（圖3）。

圖3 站臺區(qū)有道岔時(shí)計(jì)軸Fig. 3 Axle-counting equipments in the platform area with switch

此時(shí)，出站計(jì)軸AC2 位置的確定計(jì)算式如下：

式中：M——有效站臺中心至道岔P1 的距離；A——計(jì)軸AC2 至道岔P1 的距離。

由于在站臺區(qū)域還要安裝信號機(jī)及應(yīng)答器等設(shè)備，需要預(yù)留足夠的安裝位置，故將計(jì)軸AC2 安裝在軌縫和岔尖之間，以延伸站臺長度。其布置示意如圖4 所示。

圖4 軌縫和岔尖之間的計(jì)軸Fig. 4 Axle-counting equipment between rail gap and switch tongue

此時(shí)計(jì)軸的安裝位置需滿足3 個(gè)約束條件：（1）魚尾板上不具備安裝條件；（2）回流線產(chǎn)生的磁場會對計(jì)軸產(chǎn)生干擾[4]，其焊接位置應(yīng)遠(yuǎn)離計(jì)軸；（3）有列車通過時(shí)，岔尖振動(dòng)會影響計(jì)軸的性能。綜合考慮，將計(jì)軸AC2 安裝在軌縫和岔尖的中部位置，離岔尖1 420 mm、離軌縫中心1 200 mm，即式（2）中A 取值為1 420 mm，則長沙軌道交通4 號線的D 值取68.189 m。

2.2 道岔區(qū)計(jì)軸

在警沖標(biāo)外方、道岔前方以及渡線設(shè)置計(jì)軸設(shè)備，將道岔區(qū)域劃分成單獨(dú)的物理區(qū)段，以便判別列車是否進(jìn)入道岔反位區(qū)域。

2.2.1 岔前計(jì)軸

岔前計(jì)軸位置如圖5 中的AC3 所示。

圖5 道岔區(qū)計(jì)軸Fig. 5 Axle-counting equipments in switch area

一般情況下岔前有足夠的安裝空間，為避免干擾，計(jì)軸的位置可以遠(yuǎn)離軌縫和岔尖，如圖6 所示。安裝位置應(yīng)至少距基本軌縫外方2 個(gè)軌枕，即AC3 到岔尖的距離d2=3.82 m。在不具備安裝條件情況下，計(jì)軸可安裝在距離岔尖1.42 m 位置，如圖4 所示。

圖6 岔前計(jì)軸Fig. 6 Axle-counting in front of switch

2.2.2 岔后計(jì)軸

岔后計(jì)軸位置如圖5 中的AC1 和AC2 所示。當(dāng)列車1 停在AC1 左側(cè)，列車2 從側(cè)向駛過，為避免兩車發(fā)生碰撞，此時(shí)需綜合考慮第一輪對到車鉤前沿的距離及車輛限界等條件來合理設(shè)置計(jì)軸的位置。長沙軌道交通4號線的岔后計(jì)軸安裝于警沖標(biāo)外方5 m的位置，即d1=5 m。

2.2.3 渡線計(jì)軸

在單渡線的中部設(shè)置計(jì)軸，如圖7 中的AC1。在交叉渡線靠近中心且具備安裝空間的位置設(shè)置計(jì)軸，且盡量靠近道岔中心設(shè)置（長沙軌道交通4 號線取道岔中心±5 m 位置），如圖7 中的AC2 和AC3。

圖7 渡線計(jì)軸Fig. 7 Axle-counting equipments in crossover area

2.3 保護(hù)區(qū)段計(jì)軸

在出站信號機(jī)或存車線信號機(jī)后面安裝計(jì)軸，形成獨(dú)立的保護(hù)區(qū)段[3]，如圖8 所示。該信號機(jī)外方有兩條保護(hù)區(qū)段，分別為保護(hù)區(qū)段1（AC2-AC3）和保護(hù)區(qū)段2（AC2-AC4）。

圖8 保護(hù)區(qū)段計(jì)軸Fig. 8 Axle-counting equipments in protection section

設(shè)置保護(hù)區(qū)段的原因主要有兩個(gè)：（1）當(dāng)列車沖標(biāo)而不能在信號機(jī)前停車時(shí)，讓列車停在保護(hù)區(qū)段內(nèi)，避免與前方列車發(fā)生碰撞；（2）保護(hù)區(qū)段解鎖之前，能夠延長列車的移動(dòng)授權(quán)時(shí)間，可以讓高速行駛的列車盡量靠近信號機(jī)停車[5]。保護(hù)區(qū)段長度需要結(jié)合車輛參數(shù)、線路參數(shù)和ATP 制動(dòng)模型等計(jì)算確定，長沙軌道交通4 號線的保護(hù)區(qū)段長度取50 m。

2.4 轉(zhuǎn)換軌計(jì)軸

在停車場/車輛段和正線的分界處設(shè)置轉(zhuǎn)換軌，用于列車出入段時(shí)在轉(zhuǎn)換軌內(nèi)進(jìn)行控制模式的轉(zhuǎn)換。如圖9 所示，在轉(zhuǎn)換軌道設(shè)置3 個(gè)計(jì)軸（AC1, AC2 和AC3），形成轉(zhuǎn)換軌及其兩端的保護(hù)區(qū)段。轉(zhuǎn)換軌長度的計(jì)算方法和站臺長度的一樣，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮列車長度、停車誤差、固態(tài)包絡(luò)、動(dòng)態(tài)包絡(luò)及計(jì)軸安裝誤差等因素。長沙軌道交通4 號線的轉(zhuǎn)換軌長度為140 m，保護(hù)區(qū)段長度為50 m。

圖9 轉(zhuǎn)換軌計(jì)軸Fig. 9 Axle-counting equipments of conversion track

2.5 折返軌計(jì)軸

如圖10 所示，設(shè)置計(jì)軸AC1 和計(jì)軸AC2，形成折返軌，用于列車在折返軌內(nèi)進(jìn)行折返操作。AC1 位置的確定方法和岔前計(jì)軸的一致，應(yīng)盡量靠近道岔P，以提高折返效率。折返軌外方不設(shè)置單獨(dú)的保護(hù)區(qū)段，采用保護(hù)區(qū)段內(nèi)置的方法。

折返軌長度由3 部分構(gòu)成：車頭到前方計(jì)軸的距離、列車長度以及車尾到后方計(jì)軸的距離。其中：（1）車頭前端到計(jì)軸AC2 的距離d 應(yīng)大于“折返軌應(yīng)答器安裝位置誤差+列車固態(tài)包絡(luò)+列車動(dòng)態(tài)包絡(luò)+保護(hù)區(qū)段長度”；（2）車尾到后方計(jì)軸AC1 的長度應(yīng)保證不短于司機(jī)的瞭望距離。將長沙軌道交通4 號線的參數(shù)代入計(jì)算，得到折返軌長度為190 m。

圖10 折返軌計(jì)軸Fig. 10 Axle-counting equipments of reversal track

2.6 聯(lián)鎖區(qū)分界點(diǎn)計(jì)軸

聯(lián)鎖分界點(diǎn)的計(jì)軸用于劃分聯(lián)鎖集中區(qū)，布置方案有單計(jì)軸和雙計(jì)軸兩種。雙計(jì)軸的位置布置如圖11（a）所示，為了避免兩個(gè)聯(lián)鎖區(qū)的計(jì)軸系統(tǒng)都不能識別的軌道區(qū)段的出現(xiàn)，采用交叉布置的方式，AC2 屬于聯(lián)鎖控制區(qū)1，AC1 屬于聯(lián)鎖控制區(qū)2。單計(jì)軸的位置布置如圖11（b）所示，AC3 被兩個(gè)聯(lián)鎖控制區(qū)共用。長沙軌道交通4 號線采用雙計(jì)軸布置方案。

圖11 聯(lián)鎖區(qū)分界點(diǎn)計(jì)軸Fig. 11 Axle-counting equipments in the interlocking boundary point

2.7 區(qū)間計(jì)軸

安裝區(qū)間計(jì)軸用于分割長進(jìn)路，提高列車運(yùn)行效率。如圖12 所示，在站臺1 和站臺2 各有一輛列車，在后備模式下，需要等列車2 出清站臺2 之后，列車1 才可以從站臺1 駛出。當(dāng)進(jìn)路S1—S2 太長時(shí)，兩車的追蹤間隔則很大，會導(dǎo)致運(yùn)營效率過低。這時(shí)可以采取安裝區(qū)間信號機(jī)的方式將該進(jìn)路分割成兩條或多條進(jìn)路。如圖13 所示，安裝區(qū)間分割信號機(jī)S2 及計(jì)軸AC1 后，站臺1 至站臺2 之間可以同時(shí)運(yùn)行3 輛后備模式下的列車，極大地提高了運(yùn)營效率。計(jì)軸AC1 的位置，可根據(jù)所要求的行車間隔，用牽引計(jì)算軟件仿真的方式來確定。

圖12 無區(qū)間計(jì)軸Fig. 12 No axle-counting equipments in section

圖13 區(qū)間計(jì)軸Fig. 13 Axle-counting equipments in section

2.8 場段計(jì)軸

在停車場、車輛段，若全部采用計(jì)軸，則會增加建設(shè)和維護(hù)的成本，因此可以采用軌道電路檢查區(qū)段占用情況。但是軌道電路容易被氧化和受到污染，從而出現(xiàn)分路不良的情況，會使系統(tǒng)無法完成列車占用檢查，可能造成進(jìn)路提前解鎖、擠岔、列車碰撞等事故，給列車運(yùn)行留下嚴(yán)重的安全隱患[6-7]。為了降低建設(shè)成本并保證系統(tǒng)性能，采用計(jì)軸和軌道電路相結(jié)合的方式，即在常用區(qū)段（車流量大的區(qū)段，如列檢庫）使用軌道電路，在不常用區(qū)段（車流量小的區(qū)段，如調(diào)機(jī)工程車庫）使用計(jì)軸，如圖14 所示。

圖14 場段計(jì)軸Fig. 14 Axle-counting equipments in parking and depot

以上8 類計(jì)軸設(shè)備的布置方案兼顧了復(fù)雜的現(xiàn)場條件，不一定同時(shí)應(yīng)用于同一線路，可依據(jù)實(shí)際情況選取采用。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

目前，上述方案已成功應(yīng)用于長沙軌道交通4 號線。該線一期工程線路全長33.5 km，正線設(shè)車站25 座，采用六編組列車。系統(tǒng)需求為：（1）計(jì)軸設(shè)備的可靠性要求為正確的計(jì)軸數(shù)平均不小于1×109軸；（2）CBTC 級別下，正線設(shè)計(jì)追蹤間隔時(shí)間不大于90 s，交路折返站折返追蹤間隔時(shí)間不大于112 s，列車出入車輛段/停車場設(shè)計(jì)追蹤間隔時(shí)間不大于112 s。全線共設(shè)置了302 套計(jì)軸設(shè)備，設(shè)置保護(hù)區(qū)段116 條，形成計(jì)軸區(qū)段317 個(gè)，劃分站臺區(qū)域51 個(gè)，設(shè)置轉(zhuǎn)換軌4 個(gè)。

2018 年至2019 年，我們對長沙軌道交通4 號線信號系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)十輪測試，結(jié)果顯示折返時(shí)間、行車間隔等參數(shù)都滿足設(shè)計(jì)要求。該線路自2019 年開通至今，計(jì)軸系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)因計(jì)軸受擾造成的故障，本文所提方案的合理性和正確性都得到了驗(yàn)證。但是部分方案有待優(yōu)化，比如：

（1）站臺區(qū)計(jì)軸。優(yōu)點(diǎn)是安裝位置考慮了應(yīng)答器安裝誤差、列車包絡(luò)、退行距離等因素，較為全面；缺點(diǎn)是會導(dǎo)致站臺區(qū)域長度過長，一旦站臺外方存在道岔、人防門及防淹門等設(shè)備時(shí)，現(xiàn)場則不具備安裝條件。

（2）道岔區(qū)計(jì)軸。當(dāng)將計(jì)軸安裝在軌縫和岔尖之間時(shí)，如果計(jì)軸、魚尾板和回流線同時(shí)采用打孔安裝的方式，軌縫附近的鋼軌會被密集打孔，可能會影響鋼軌結(jié)構(gòu)。

（3）保護(hù)區(qū)段計(jì)軸。其優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)區(qū)段長度設(shè)置合理，在保證行車安全的前提下提高了運(yùn)行效率；缺點(diǎn)是單獨(dú)設(shè)置保護(hù)區(qū)段會增設(shè)計(jì)軸數(shù)量，增加建設(shè)成本，應(yīng)盡量采用保護(hù)區(qū)段內(nèi)置的方案。

4 結(jié)語

本文以長沙軌道交通4 號線為例提出了一套計(jì)軸設(shè)備布置方案，并詳細(xì)介紹了計(jì)軸設(shè)備的布置原則。該方案能滿足8 種場景下計(jì)軸設(shè)備的布置需求，保證了列車安全高效運(yùn)行，對CBTC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

目前，“互聯(lián)互通”是國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展的趨勢，但不同廠商的信號系統(tǒng)會存在差異，對計(jì)軸的要求亦有不同，故本文所提出的技術(shù)方案并不能完全兼容。為此，下一步需研究各廠商的信號系統(tǒng)特點(diǎn)，提出適應(yīng)“互聯(lián)互通”要求的計(jì)軸設(shè)備布置方案。