深圳軌道交通二期蛇口線信號系統(tǒng)

陳恒宇

（深圳地鐵集團有限公司，深圳 518026）

深圳軌道交通二期蛇口線貫穿深圳市發(fā)展主軸，是承擔聯(lián)系羅湖、福田中心區(qū)、南山次中心、蛇口片區(qū)及沿線片區(qū)的軌道干線，形成特區(qū)內(nèi)第二條東西向客運主通道。蛇口線工程西起南山區(qū)赤灣站，東止羅湖區(qū)新秀站，線路全長約35.82 km，均為地下線，共設(shè)車站29座。其中首期工程長15.17 km，設(shè)車站12座，全為地下車站，計劃2010年12月開通。蛇口線線路向東延伸至新秀站，增設(shè)車站17座，全為地下站，線路延伸后全長約35.82 km，計劃2011年6月開通。

1 信號系統(tǒng)概述

蛇口線采用卡斯柯信號有限公司提供的基于URBALISTM城市軌道交通信號系統(tǒng)應(yīng)用解決方案。URBALISTM系統(tǒng)是基于無線通信的移動閉塞系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)全線有人/無人自動駕駛。該方案采用移動閉塞制式，系統(tǒng)的可靠性、安全性、可用性、可維護性、行車間隔、停車精度以及可擴展性等方面都能達到或超過蛇口線要求的性能或指標。

總體來說，整個線路由5個主要子系統(tǒng)來管理，包括列車自動防護/列車自動駕駛（ATP/ATO）子系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖（CBI）子系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信（DCS）子系統(tǒng)和維護監(jiān)測（MSS）子系統(tǒng)。

ATP/ATO、MSS和ATS子系統(tǒng)為集中式系統(tǒng)。CBI子系統(tǒng)為分布式設(shè)備，位于各設(shè)備集中站、控制信號機、轉(zhuǎn)轍機等軌旁設(shè)備。通過2.4 GHz開放頻段傳播的無線鏈路為信號軌旁子系統(tǒng)和信號車載子系統(tǒng)之間提供雙向信息傳輸。沿著全線軌旁分布的無線接入點和波導(dǎo)管保證無線網(wǎng)絡(luò)對整條線路的覆蓋。無線鏈路負責傳送連續(xù)的CBTC信息。

所有主要的子系統(tǒng)都將提供冗余配置，即某單一故障不會影響系統(tǒng)正常運行。無論骨干網(wǎng)還是無線網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸都是冗余的。單個通道的故障和干擾，不會影響系統(tǒng)間的信息傳輸。

2 信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蛇口線（首期和東延線），包括10座設(shè)備集中站和19座非設(shè)備集中站，車輛段和停車場各1座，以及2條試車線。基于URBALISTM的蛇口線信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 ATP/ATO子系統(tǒng)

ATP/ATO子系統(tǒng)包括軌旁ATP設(shè)備和車載ATP/ATO設(shè)備。ATP設(shè)備對在線列車進行安全控制，該區(qū)域被稱為ATC區(qū)域。安裝在設(shè)備室內(nèi)的軌旁ATP設(shè)備主要包括區(qū)域控制器（ZC）、線路控制器（LC）、數(shù)據(jù)存儲單元（DSU）和歐式編碼器（LEU）。安裝在軌旁的ATP設(shè)備主要是信標。安裝的車載ATP/ATO設(shè)備主要包括車載機柜（CC）、司機顯示單元（DMI）、編碼里程計和信標天線。

ATP/ATO子系統(tǒng)主要設(shè)備描述如下。

（1）ZC和LC

ZC和LC均采用三取二配置。ZC設(shè)備處理線路占用、自動防護和進路等信息。根據(jù)CC設(shè)備發(fā)送的列車精確位置信息，ZC設(shè)備主要為列車計算保護區(qū)域，即自動防護（AP），并通過無線傳輸向每列車發(fā)送其授權(quán)終點。

LC設(shè)備管理線路的臨時限速，負責存儲、更新ATS發(fā)送的臨時限速（TSR）請求。LC還控制ZC和CC的應(yīng)用軟件和配置數(shù)據(jù)版本的校核。同時在通信過程中，LC也向ZC和CC提供內(nèi)部時鐘同步。

（2）DSU

DSU由1個臺式計算機組成，用于向CC設(shè)備上傳新版本的應(yīng)用軟件和靜態(tài)線路描述，同時也對這些文件進行升級管理。

（3）信標

當列車信標天線越過地面信標時，信標天線將生成并捕獲磁場。列車通過時，發(fā)送信標標識，CC使用該信息初始化、重新修正列車位置、校準編碼里程計。

（4）CC

每列6節(jié)編組，列車頭尾各配置1套車載CC設(shè)備。兩臺CC計算機均運行在熱備狀態(tài)，每臺能獨立安全地駕駛列車。CC子系統(tǒng)負責管理下列功能。

* 列車運行防護；

* 管理列車在車站準確停車；

* 車站停車和發(fā)車時間管理；

* 安全停車管理。

2.2 CBI子系統(tǒng)

CBI子系統(tǒng)的設(shè)備主要分布在設(shè)備集中站，具體構(gòu)成如圖2所示。

深圳地鐵蛇口線信號系統(tǒng)正線設(shè)置10座設(shè)備集中站，設(shè)備集中站配置如下。

設(shè)置1套雙系熱冗余的二乘二取二聯(lián)鎖系統(tǒng)（簡稱ZLC）：負責完成管轄區(qū)域內(nèi)的聯(lián)鎖功能，以及與中心ZC和車載CC之間的接口和數(shù)據(jù)傳輸。

兩層通信傳輸結(jié)構(gòu)：一層為ZLC系統(tǒng)與ATS子系統(tǒng)、系統(tǒng)維護臺及現(xiàn)地控制工作站之間的信息交換提供網(wǎng)絡(luò)傳輸通道；另一層為ZLC與車載和ATP計算機之間的信息交換提供網(wǎng)絡(luò)傳輸通道。

1套熱冗余的現(xiàn)地控制工作站（HMI）：車站值班員的操作命令（例如進路辦理、單操道岔、開放引導(dǎo)進路等）經(jīng)HMI處理后送至ZLC；ZLC把聯(lián)鎖運算后的相關(guān)表示信息（信號機狀態(tài)、道岔位置、區(qū)段狀態(tài)等）送至HMI顯示。

系統(tǒng)維護臺（SDM）：負責完成設(shè)備集中站所轄車站的聯(lián)鎖診斷和故障記錄等，并把相應(yīng)的信息內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)送至維修中心。

2.3 ATS子系統(tǒng)

ATS子系統(tǒng)是分布式的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，主要分布于控制中心、正線設(shè)備集中站、正線非設(shè)備集中站和車輛段/停車場，采用熱備冗余方式，保證系統(tǒng)高度的可用性。

ATS子系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備。

控制中心：行車調(diào)度工作站、大屏接口計算機、ATS通信處理器（FEP）、中央ATS（CATS）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、CATS應(yīng)用服務(wù)器、系統(tǒng)管理/維護診斷工作站、運行圖編輯工作站和打印機等。

正線設(shè)備集中站：主/備車站ATS分機、ATS工作站（與聯(lián)鎖現(xiàn)地工作站合用）和發(fā)車計時器（DTI）等。

正線非設(shè)備集中站：DTI接口機、DTI和光電轉(zhuǎn)換器等。

車輛段/停車場：車站ATS分機、ATS終端、打印機和光電轉(zhuǎn)換器等。

2.4 DCS子系統(tǒng)

DCS有線網(wǎng)絡(luò)是冗余、多業(yè)務(wù)和高可靠性的系統(tǒng)，用于連接軌旁和中心的信號設(shè)備。DCS無線系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用（OFDM）擴頻技術(shù)，用于車-地無線通信。OFDM采用多載波傳輸技術(shù)，將無線頻譜劃分為多載波，并將低速數(shù)據(jù)調(diào)制到載波傳輸。為確保在所有環(huán)境下（隧道和露天）的高性能通信，DCS子系統(tǒng)采用波導(dǎo)管作為無線傳輸媒介。波導(dǎo)管具有鏈路可靠、維護簡單的特點，從而確保系統(tǒng)的可靠性，并節(jié)約維修成本。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由以下兩部分組成。

（1）軌旁骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)（BTN）：包括SIG網(wǎng)絡(luò)（傳輸ATP及聯(lián)鎖相關(guān)安全信息）和ATS網(wǎng)絡(luò)。

（2）車-地無線鏈路：實現(xiàn)車輛與地面系統(tǒng)的無線通信，由位于軌旁的無線接入點、耦合單元、波導(dǎo)管、車載天線和車載無線調(diào)制解調(diào)器組成。

2.5 MSS子系統(tǒng)

MSS子系統(tǒng)是整個信號系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和維護輔助工具，主要用于維護信息的采集，幫助維修調(diào)度人員對故障設(shè)備進行定位，管理維修作業(yè)。調(diào)度員可借助信號維護監(jiān)測子系統(tǒng)制定、計劃與安排維修工作，比傳統(tǒng)人工方式更加有效。信號維護監(jiān)測子系統(tǒng)架構(gòu)基于Web，其體系結(jié)構(gòu)中維護中心的應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等均為冗余配置。

3 主要工作原理

3.1 移動閉塞原理

URBALISTM移動閉塞系統(tǒng)基于以下設(shè)計理念。

主動列車檢測：移動閉塞原理主要是基于列車定位檢測，由每列車定時向控制中心發(fā)送列車位置報告，控制中心將列車位置報告實時傳遞給后續(xù)運行列車，后續(xù)運行列車自行計算本列車最高運行速度及走行距離，構(gòu)成動態(tài)追蹤運行間隔。列車自行定位并通過位置報告信息定時將其位置傳輸至軌旁設(shè)備，位置報告信息定時發(fā)送給ZC。

移動閉塞防護：ZC設(shè)備負責收集列車位置信息，為控制范圍內(nèi)的每列車配置1個安全包絡(luò)線（也稱自動防護AP），包括位置報告中指出的位置、速度和列車性能及預(yù)期量，從而使自動防護相互關(guān)聯(lián)，直到從列車接收到下一個位置信息。更新完所有AP后，ZC設(shè)備為每個CC計算相關(guān)的移動權(quán)限，并通過“授權(quán)終點”信息（EOA）的形式發(fā)送給列車。

3.2 列車控制原理

ZC是負責被稱為區(qū)域的專用區(qū)間內(nèi)列車間隔的子系統(tǒng)。在此區(qū)間內(nèi)，通過避免列車間可能發(fā)生的任何碰撞來保護裝配或未裝配的列車（或通信中斷）。ZC為軌道上的每列車分配一個AP的安全范圍。AP實際上是列車周圍的屏蔽。其他列車或軌道車輛不能進入另一個移動或靜態(tài)列車的AP。

ZC根據(jù)列車發(fā)送的位置報告在列車位置信息的基礎(chǔ)上建立AP，位置報告每隔400 ms發(fā)送一次。主要信息為列車最大/最小定位和最大/最小速度、列車編號及其相應(yīng)的時間戳和時效性。因此，在ZC級別，每列車的AP大小和位置每隔400 ms刷新一次。

CC根據(jù)ZC給出的安全限制駕駛列車。ZC為區(qū)域內(nèi)每列車建立一個AP。因此，可以知道任何時刻每個自動防護在線路上的位置。ZC根據(jù)AP的位置和聯(lián)鎖機發(fā)送的軌旁設(shè)備狀態(tài)向每列車提供移動授權(quán)，該移動授權(quán)根據(jù)相鄰AP的位置和軌旁設(shè)備狀態(tài)計算。因此，列車之間可以相互提供防護。

被稱為“授權(quán)終點”的信息，作為對位置報告的響應(yīng)，發(fā)送給每列車。此信息包括列車不能越過的限制、有關(guān)道岔位置或信號機狀態(tài)等方面的變量信息。

3.3 系統(tǒng)后備模式的工作原理

系統(tǒng)主要設(shè)備都采用冗余配置，因此出現(xiàn)系統(tǒng)性故障的可能性微乎其微。為保證在任何情況下系統(tǒng)可用，當信號系統(tǒng)的ATS、ATP/ATO功能失效或特殊需要時，應(yīng)能啟動后備運行模式組織列車運行。

點式ATP模式原理如圖3所示。

點式ATP就是系統(tǒng)的點燈站間閉塞運營模式，在此模式下，列車的授權(quán)點降級為前方信號機，聯(lián)鎖控制信號的開放，并將信號和道岔信息通過歐式編碼器上傳給車載ATC。

當軌旁ZC設(shè)備正常，軌旁區(qū)域控制器故障或車-地無線通信故障時，列車可降級為點式ATP模式，系統(tǒng)通過計軸設(shè)備檢測列車占用，并生成特殊安全包絡(luò)，列車在點燈狀態(tài)下以站間閉塞模式運行。對于相鄰區(qū)段內(nèi)正常通信的列車，車載運營模式無需改變，但處于“混跑”模式下。

當車載ATC系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障，導(dǎo)致列車定位功能喪失時，列車駕駛模式應(yīng)被切換到限制人工駕駛模式，由司機控制，以站間閉塞的模式低于限制速度（如25 km/h）運行，并根據(jù)軌旁信號機顯示行車。此時對于相鄰區(qū)段內(nèi)正常列車，車載運營模式無需改變，但處于“混跑”模式下。

當軌旁ZC設(shè)備失效時，該ZC受控的所有集中站轉(zhuǎn)為點式后備模式，區(qū)段內(nèi)所有列車以點式ATP方式站間閉塞運營。

在任何情況下，聯(lián)鎖控制級的后備模式都是可用的。當線路采用后備模式運行時，司機負責列車的運行安全，ATS子系統(tǒng)通過調(diào)整列車的停站時間并在DTI上顯示，司機根據(jù)顯示控制列車運行，以達到運營調(diào)整。

4 結(jié)語

蛇口線信號系統(tǒng)采用URBALISTM解決方案，在保證系統(tǒng)安全的前提下將移動閉塞信號設(shè)計理念最大程度的實施，滿足90 s的最小設(shè)計運營間隔指標，也符合“小編組，高密度”的當前最先進的城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)計理念。采用基于雙冗余骨干網(wǎng)傳輸?shù)牡?地、車-地安全信息帶寬相比傳統(tǒng)軌道電路或環(huán)線方式顯著增加，從而提高了信號系統(tǒng)的可用性。聯(lián)鎖子系統(tǒng)與ATP/ATO子系統(tǒng)劃分明確，聯(lián)鎖子系統(tǒng)確保基本聯(lián)鎖功能，不參與列車移動中授權(quán)管理，聯(lián)鎖與ZC之間通過變量表進行傳遞。這樣，系統(tǒng)功能的簡化對提高設(shè)備安全性及可用性都極為有利。此外，即使在CBTC系統(tǒng)故障的情況下，靈活的系統(tǒng)降級模式仍能提供完備的點式ATP降級模式及聯(lián)鎖降級模式，以減少故障對地鐵運營的影響。

[1] 卡斯柯信號有限公司 深圳地鐵2號線信號正線系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)規(guī)格書.