列車占用檢測設備在信號系統(tǒng)中的應用及取消的可行性研究

朱仰瑞

摘要：列車占用檢測設備是信號控制系統(tǒng)中的重要組成部分。在目前已經(jīng)運營的線路中，采用計軸設備和軌道電路設備檢測列車位置。本文分析了信號系統(tǒng)中列車占用檢測設備的使用范圍，并對其優(yōu)劣勢進行了比較，此外，對取消列車占用檢測設備的可行性及處理方案進行了闡述，旨在優(yōu)化軌道交通信號系統(tǒng)的結構，并對未來軌道交通新的運營方式進行了可行性分析。

關鍵詞：信號系統(tǒng)；CBTC；計軸；軌道電路；取消計軸

在信號系統(tǒng)中，列車占用檢測設備是其中重要的組成部分之一。無論是國鐵、市域/城際鐵路還是地鐵（城市軌道交通），從早期的6502電氣集中控制聯(lián)鎖、數(shù)字軌道電路到目前已經(jīng)成為主流的移動閉塞信號系統(tǒng)，以及地鐵、輕軌和跨座式單軌，都配備了列車占用檢測設備。這表明，作為基礎設備，列車占用檢測設備對于信號系統(tǒng)來說是必不可少的。然而，隨著CBTC信號系統(tǒng)的廣泛應用，是否仍然需要在信號系統(tǒng)中配備列車檢測設備呢？如果取消了列車檢測設備，信號系統(tǒng)的方案又將如何設計呢？

一、列車占用檢測設備的分類及應用

目前正在運營或在建的地鐵線路中主要采用的列占用檢測設備主要是軌道電路和計軸。早期建設的地鐵線路以軌道電路為主，當CBTC技術引進國內(nèi)后，地鐵線路正線段的列車檢測設備則開始向計軸轉化。近十年來，已完全采用計軸設備。車輛段和停車場仍然沿用軌道電路的配置，直至近幾年用戶對ATC車輛段的需求提出，車輛段和停車場的計軸檢測設備逐步向計軸設備轉化，例如在關鍵區(qū)域采用計軸設備，其他區(qū)域采用軌道電路設備，或者全線（正線、車輛段/停車場）均采用計軸設備布置。

形成這一配置方案的原因有以下幾個：

（一）兩種類型設備優(yōu)缺點對比對線路部署的影響。

相對于軌道電路，計軸設備具備如下幾點優(yōu)勢：

①更適用于道床狀態(tài)差、道床泄漏電阻過低的軌道區(qū)段；

②可以檢測鋼軌生銹及輕車情況下的軌道區(qū)段占用/空閑；

③可以避免軌道電路由傳輸距離的限制而設置的多個軌道電路。

對于軌道電路而言，則在以下幾個方面更占優(yōu)勢：

①如果站內(nèi)設置多個軌道區(qū)段，軌道電路的投資較小，成本更低；

②電源部分如不可靠，電源瞬間中斷后將造成車軸信息的丟失而導致大面積軌道區(qū)段無法立即獲取列車占用狀態(tài)，軌道電路則可以在電源丟失恢復供電后，立即獲取相關軌道區(qū)段的占用狀態(tài)信息。

對比了各自的優(yōu)缺點后，可以看出，軌道電路從組成、現(xiàn)場布置以及對環(huán)境的特殊要求都比計軸設備要更高，使得計軸設備的應用范圍較軌道電路的更廣。

從可維護性角度來說，雖然軌道電路也開發(fā)出了無絕緣節(jié)的相關產(chǎn)品，對傳輸距離也有了提升，但是軌道電路設備較復雜依舊造就了其可維護性較差。一旦發(fā)生故障，由于故障點較多，判斷故障原因和恢復故障的時間較計軸系統(tǒng)時間更長，對于正線維護時間短、運營要求高等特點，決定計軸系統(tǒng)更適用于正線的運營條件。

相比較而言，由于車輛段/停車場的站場較正線更復雜，道岔數(shù)量和正線所有道岔數(shù)量之和相當，軌道區(qū)段的數(shù)量也較大。站場設備故障對正線運營的影響有限，為了減少整個工程項目的前期投入，相對而言，軌道電路的價格優(yōu)勢明顯，對于業(yè)主而言，軌道電路的方案更優(yōu)。站場由于人工作業(yè)量較大，工況相較于正線運營更為復雜，車輛類型的種類也較多，尤其是各類特種車輛的運行方式不同，是否具備動力不同，導致了段/場和正線的運營場景差異較大。

由于列車停車時，車頭和車尾位置差異多變，段/場司機無法精準掌握列車車輪?？康奈恢?，導致計軸受擾的概率較正線大大提高。站場采用的道岔大都為7#道岔，在站場區(qū)域內(nèi)，由于計軸設備的安裝要求相較軌道電路絕緣節(jié)距離叉尖的位置要長，采用計軸設備的話，計軸點侵限的概率增加，這個情況和正線正好相反。基于這兩點，采用計軸設備則變得不再合適，反而對場段運營產(chǎn)生影響。這也是對于車輛段/停車場，基于地域范圍小，作業(yè)人員范圍可控的前提下，軌道電路的使用更為廣泛。

但是從安全角度來說，車輛段/停車場中存在非裝備列車（如平板車和小車），對于安裝了軌道電路的設備的線路，當列車在跨壓兩個軌道區(qū)段時，有概率會產(chǎn)生“死區(qū)段”。當列車、車輛、小車停留在“死區(qū)段”時，由于軌道電路的特性，無法檢測到列車，此時存在錯誤轉換道岔或開放信號、牽引回流干擾相鄰區(qū)段閃紅光帶的問題[1]，對運營來說，也會造成一定的影響以及安全隱患，使得段/場設計會使用哪種類型的計軸檢測設備存在一定的疑慮。

（二）安全認證

由于軌道電路設備對環(huán)境的要求較高，環(huán)境的不確定因素導致了軌道電路無法通過安全認證。軌道區(qū)段占用是系統(tǒng)的基礎信息，占用檢測功能的安全等級定義為SIL4級別，也是最高級別。對于硬件方面，軌道電路的先天不足影響了選用的范圍。近年來，安全認證的要求越來越受到重視，在安全第一的理念中，計軸設備具備SIL4等級的安全認證，比軌道電路更具備優(yōu)勢。如采用軌道電路，考慮到軌道電路的特殊故障特性，如分路不良，輕車跳動等，相比較計軸設備來說，信號系統(tǒng)需要進行額外的功能設計和防護來確保系統(tǒng)的運營安全。這些額外的防護并不能完全解決軌道電路特性導致的“飛車”。對運營來說，使用軌道電路需要承擔一定的風險，如“飛車”情況下需要人為確認，這對運營也會產(chǎn)生影響。

隨著地鐵信號系統(tǒng)的逐步發(fā)展，地鐵運營公司的安全意識加強，對運營的安全也越來越重視。對于系統(tǒng)供應商來說，安全的需求也逐步提高，尤其是近年來對自動化車輛段的需求的提出，對供應商也是一大挑戰(zhàn)。相比較無法達到安全等級SIL4級的軌道電路，計軸設備成為供應商的首選。

二、軌道區(qū)段的劃分及進路的設置

對于CBTC系統(tǒng)來說，軌道占用檢測設備并不是必需的，在大部分情況下，軌道占用檢測設備都應用于系統(tǒng)降級模式下的點式運營。

即使在CBTC模式下，系統(tǒng)的運營并不依賴列車占用檢測設備，但基于系統(tǒng)架構及信號功能分配的不同，大部分信號系統(tǒng)供應商的系統(tǒng)線路布置依然需要配備計軸設備以在區(qū)間上劃分軌道區(qū)段。這是因為，大部分信號系統(tǒng)供應商的系統(tǒng)架構中，聯(lián)鎖設備仍然是重中之重，所有的CBTC系統(tǒng)都是基于聯(lián)鎖設備進行相關的進路管理。列車的移動閉塞的實現(xiàn)前提是基于聯(lián)鎖進路首先授權，在此基礎上疊加區(qū)域控制器計算的移動授權。區(qū)域控制器將該移動授權發(fā)送給列車，列車進行相應的控制。也就是說，沒有聯(lián)鎖進路，區(qū)域控制機無法進行相關的聯(lián)鎖判斷，也無法實現(xiàn)移動閉塞的移動授權計算。而聯(lián)鎖系統(tǒng)進行相關聯(lián)鎖條件判斷的基礎是系統(tǒng)中配置相關的進路并定義正確的聯(lián)鎖表，聯(lián)鎖表中清晰地定義了聯(lián)鎖關系，以此來保證系統(tǒng)的安全防護。因此，為了確保區(qū)域控制器的正常工作，聯(lián)鎖系統(tǒng)是必需的。聯(lián)鎖系統(tǒng)正常工作的前提是系統(tǒng)中必須配備進路，而進路的配置前提是所有的進路起點必須為始端信號機，終點為終端信號機。

從圖1中可以看出，進路的主體是軌道區(qū)段，在目前的大部分信號供應商的系統(tǒng)中，軌道區(qū)段的存在仍然是必需的。

三、取消軌道占用檢測設備的可行性研究

對于信號系統(tǒng)來說，取消軌道占用檢測設備的前提是：

（一）系統(tǒng)設備對軌道區(qū)段的依賴性較低

目前大部分信號系統(tǒng)供應商的CBTC模式都是基于聯(lián)鎖設備對進路的授權為前提，在此基礎上疊加相關的CBTC功能，才能夠?qū)崿F(xiàn)移動閉塞。

目前能夠做到不依賴于軌道區(qū)段的進路建立方式僅有SelTrac信號系統(tǒng)以及車車通信的TACS系統(tǒng)。因為它們是純粹的CBTC系統(tǒng)，進路的建立方式是基于列車和目標點，而不是基于聯(lián)鎖進路，所以其系統(tǒng)中基本沒有“固定的”進路。這也使得系統(tǒng)對軌道區(qū)段的依賴性較低。尤其是早期使用SelTrac環(huán)線系統(tǒng)的項目，如武漢軌道交通1號線和3號線，則完全不依賴于軌道區(qū)段。對于目前在已經(jīng)開通的武漢線路和深圳線路中，計軸設備都未納入信號系統(tǒng)管理中。

（二）運營的方式對軌道區(qū)段依賴性低

在現(xiàn)有的地鐵線路中，運營公司對軌道區(qū)段的依賴性較大。無論在何種情況下，運營人員主要依賴通過軌道的占用來判斷列車的位置，主要原因包括：

第一，目前的學校教學教材都是基于傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)逐步迭代的，因此運營人員在學校里學習的知識體系是以軌道區(qū)段為基礎的。

第二， 許多經(jīng)驗豐富的運營人員都是多年前開始工作的，當時大部分的系統(tǒng)也是基于軌道區(qū)段的。目前，雖然有一些系統(tǒng)已經(jīng)有所改變，但大部分系統(tǒng)仍然依賴于軌道區(qū)段。

這些原因決定了運營人員對軌道區(qū)段的依賴性較大。軌道區(qū)段就類似于運營人員的“眼睛”，如果取消了軌道區(qū)段，運營人員將如同“盲人”一樣，無法確定列車的確切位置。

為了解決這個問題，首先需要降低運營人員對軌道占用檢測設備的依賴性?？梢酝ㄟ^加強車地通信系統(tǒng)的可靠性和可用性，使運營人員更多地依賴于列車的位置匯報，而不是軌道占用情況來追蹤載客列車。其次，需要解決如何定位那些未裝備車載設備的列車（主要是工程車）或故障車的問題。目前，大部分線路的工程車都沒有配備車載設備，而故障列車大多數(shù)也沒有裝備通信系統(tǒng)。在這種情況下，運營調(diào)度只能通過軌道占用來追蹤這些列車的位置。此外，對于這兩類車，原來的軌旁防護是基于列車占用區(qū)段的情況來進行的。在取消了列車占用檢測設備的地鐵線路中，由于系統(tǒng)無法“感知”非通信列車的位置，因此也無法進行相關的防護。對于非通信列車的防護方式需要通過運營人員基于列車原來的位置進行人工進路預留的方式來運營列車。列車操作人員必須嚴格遵守調(diào)度人員的指揮，嚴禁行駛至未人工預留的區(qū)域，才能確保安全。

（三）取消軌道占用檢測設備的意義

目前在運營的線路中，不論是計軸設備還是軌道電路，故障的概率仍然存在，這包括因夜間施工不注意導致的計軸設備受擾，以及軌道電路對環(huán)境特性要求較高導致的紅光帶現(xiàn)象。在已經(jīng)運營的地鐵線路中，設備故障的概率相對較高，尤其是對于客流量大的線路，一旦發(fā)生故障，將會對運營造成極大影響。取消軌道占用檢測設備的意義在于，一旦取消了軌道區(qū)段，這類故障不復存在，對運營的影響大大降低。特別是在地鐵線路的15年運營生命周期中，這類故障都將不再存在，從而大大降低對維護的需求量。

四、結束語

綜上所述，在軌道交通系統(tǒng)中，列車占用檢測設備的存在仍然十分必要。只有當大部分設備供應商都能夠解決聯(lián)鎖進路的問題，并且運營部門能夠接受此類運營方式，列車占用檢測系統(tǒng)才能夠進一步取消。而取消后對于運營人員也將會是一大挑戰(zhàn)，對運營方式和理念也需要進一步改變，才能適應新的運營方式。運營理念上以進路為主體向以車為主體的運營理念轉變，也是需要一定時間的消化和適應。這樣，在新的運營過程中，一旦碰到列車丟失通信的故障，才不會“兩眼一抹黑”。

參考文獻

[1]陳波.軌道電路“死區(qū)段”成因分析及對策[J].鐵路通信信號工程技術，2023，20（5）：86-91.

[2]馬偉杰，邢艷陽.城市軌道交通信號系統(tǒng)次級列車檢測方法優(yōu)化方案[J].城市軌道交通研究，2022，25（09）：177-180.

[3]鄭京生.列車占用檢測延時對CBTC信號系統(tǒng)安全影響研究[J].鐵道通信信號，2018，54（10）：9-11.

[4]周留運.計軸設備與JTC軌道電路在列車占用檢測中的對比分析[J].天津科技，2010，37（01）：42-43.