城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)后備模式方案

邢紅霞

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通運(yùn)輸系，710014，西安∥副教授）

基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)已成為目前城軌信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展方向，該系統(tǒng)為目前最先進(jìn)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。CBTC的突出優(yōu)點(diǎn)是車－地雙向通信，而且傳輸信息量大，傳輸速度快，很容易實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自動(dòng)閉塞。該系統(tǒng)能大量減少區(qū)間敷設(shè)電纜，減少日常維護(hù)工作，縮短列車運(yùn)行間隔，大幅度提高區(qū)間運(yùn)營(yíng)通過(guò)能力，靈活組織雙向運(yùn)行和單向連續(xù)發(fā)車，容易適應(yīng)不同車速、不同運(yùn)量、不同牽引類型的列車運(yùn)行控制等。

CBTC信號(hào)系統(tǒng)雖然有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，要求運(yùn)行狀態(tài)能夠?qū)虬踩@就需要一定的后備模式支持。在我國(guó)城市軌道交通所使用的CBTC系統(tǒng)中，增加后備模式基本上已經(jīng)成為標(biāo)配，并且在故障情況下后備模式都是自啟動(dòng)的。

1 CBTC的故障分類及后備模式方案

1.1 控制中心ATS系統(tǒng)故障

在CBTC系統(tǒng)中，一般會(huì)在線路上某個(gè)集中站設(shè)置一個(gè)列車運(yùn)行自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）后備服務(wù)器。當(dāng)控制中心ATS系統(tǒng)故障時(shí)（比如到控制中心的通訊中斷），將使用后備站的ATS后備主服務(wù)器及通信服務(wù)器。在這種情況下，列車進(jìn)路和車站發(fā)車將繼續(xù)根據(jù)故障時(shí)使用的時(shí)刻表執(zhí)行（見(jiàn)圖1）。

圖1 控制中心ATS系統(tǒng)故障下的后備方案

1.2 中央ATS或中央至車站的信息傳輸通道完全故障

如果后備站的ATS設(shè)備也故障，聯(lián)鎖將按自動(dòng)信號(hào)的方式排列進(jìn)路。當(dāng)列車接近信號(hào)機(jī)，對(duì)非折返站聯(lián)鎖將開(kāi)放直通進(jìn)路，在折返站開(kāi)放特殊的折返進(jìn)路。折返進(jìn)路可以在故障前通過(guò)ATS系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定，或者在ATS故障期間通過(guò)本地控制工作站（LCW）進(jìn)行設(shè)定。車站調(diào)度員也可以通過(guò)與正線聯(lián)鎖連接的LCW人工操作進(jìn)路和信號(hào)。

當(dāng)中央ATS或中央至車站的信息傳輸通道完全故障，系統(tǒng)自動(dòng)降級(jí)為ATS故障情況下的車站級(jí)或聯(lián)鎖級(jí)控制（見(jiàn)圖2）。對(duì)于集中式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在中央設(shè)有聯(lián)鎖設(shè)備，當(dāng)中央ATS失效時(shí)，系統(tǒng)能夠維持列車運(yùn)行和控制的自動(dòng)化，通過(guò)中央聯(lián)鎖設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本進(jìn)路和延續(xù)進(jìn)路的自動(dòng)排列，實(shí)現(xiàn)所有進(jìn)路（含延續(xù)進(jìn)路）的取消和人工解鎖，并實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)督列車位置狀態(tài)、進(jìn)路狀態(tài)以及信號(hào)設(shè)備故障等基礎(chǔ)信息的功能。

圖2 信息傳輸通道完全故障下的后備方案

1.2.1 車站級(jí)控制

當(dāng)中央ATS故障或中央通信故障時(shí)，控制中心（OCC）的調(diào)度員工作站不可用，可以采取車站級(jí)控制模式。在車站級(jí)控制模式下，各聯(lián)鎖區(qū)ATS工作站用戶擁有本聯(lián)鎖區(qū)的控制權(quán)（并非全線），用戶只能為本聯(lián)鎖區(qū)各車站的列車或設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求。被授權(quán)的車站值班人員通過(guò)設(shè)備集中站的ATS設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)本聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)列車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、列車進(jìn)路的自動(dòng)排列、進(jìn)路解鎖等功能，但是不具備列車自動(dòng)調(diào)整功能，列車到站停車、發(fā)車時(shí)間按系統(tǒng)預(yù)設(shè)時(shí)間來(lái)進(jìn)行。計(jì)軸系統(tǒng)向車站值班人員反映列車對(duì)軌道的占用與出清狀況。由于降級(jí)后車－地通信失效，車站緊急停車按鈕不起作用，站臺(tái)工作人員需要加強(qiáng)對(duì)站臺(tái)客流的及時(shí)疏導(dǎo)與管理，防止因擁擠或其他原因?qū)е鲁丝偷滠壍佬熊噮^(qū)域造成人身傷亡事故。

司機(jī)在此降級(jí)模式下視情況轉(zhuǎn)換為iATP（點(diǎn)式ATP駕駛模式）、RM（限制人工駕駛模式）、NRM（非限制人工駕駛模式）中的任一駕駛模式。

在iATP駕駛模式下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式ATP功能，包括列車超速防護(hù)功能、間隔防護(hù)功能、地面信號(hào)機(jī)防冒進(jìn)功能和車站站臺(tái)區(qū)域停車窗保護(hù)功能等。司機(jī)按照車載設(shè)備的推薦速度行車，由于信號(hào)系統(tǒng)不具備列車自動(dòng)駕駛和自動(dòng)調(diào)整功能，所以要求司機(jī)嚴(yán)格按照《運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表》規(guī)定的開(kāi)車點(diǎn)及發(fā)車表示器（DTI）顯示掌握好停站和運(yùn)行時(shí)間。只有前方進(jìn)路排列好，給出信號(hào)機(jī)綠燈或黃燈顯示，司機(jī)才可駕駛列車離開(kāi)車站。若列車出現(xiàn)故障無(wú)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式ATP的駕駛功能時(shí)，需要報(bào)行調(diào)同意后轉(zhuǎn)換成RM模式（或行調(diào)授權(quán)URM模式）運(yùn)行。

1.2.2 聯(lián)鎖級(jí)控制模式

在控制中心和車站ATS都不可用情況下，啟用聯(lián)鎖級(jí)控制模式。在聯(lián)鎖級(jí)控制模式下，被授權(quán)的車站值班員利用計(jì)軸系統(tǒng)了解列車對(duì)軌道的出清或占用情況，通過(guò)操作LCW控制聯(lián)鎖設(shè)備進(jìn)行進(jìn)路的排列與解鎖等工作，并且所有的列車進(jìn)路前方均設(shè)置保護(hù)區(qū)段。排列進(jìn)路時(shí)相應(yīng)的保護(hù)區(qū)段必須是空閑和鎖閉狀態(tài)，在列車出清、滿足解鎖條件后才能對(duì)進(jìn)路和保護(hù)區(qū)段進(jìn)行解鎖。在跨聯(lián)鎖區(qū)排列進(jìn)路時(shí)相鄰站間的操作人員應(yīng)通過(guò)通信設(shè)備及時(shí)溝通配合作業(yè)，保證跨聯(lián)鎖區(qū)作業(yè)安全順利。此時(shí)中央行調(diào)人員應(yīng)做好降級(jí)模式下的協(xié)調(diào)與組織工作，車站值班員與司機(jī)保持及時(shí)通暢的聯(lián)系，做好控制區(qū)域內(nèi)的列車接發(fā)車工作，加強(qiáng)與站務(wù)人員的配合，實(shí)現(xiàn)在聯(lián)鎖級(jí)控制模式下的安全運(yùn)營(yíng)。

在聯(lián)鎖級(jí)控制模式下，提供固定閉塞列車間隔和聯(lián)鎖防護(hù)，不能提供其他的ATC功能，行車安全由司機(jī)全權(quán)負(fù)責(zé)。司機(jī)應(yīng)嚴(yán)格按照軌旁信號(hào)機(jī)的顯示與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的速度和駕駛模式控制列車運(yùn)行，列車到站的停站時(shí)間按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)時(shí)間進(jìn)行，只有前方進(jìn)路排列好、信號(hào)機(jī)給出允許信號(hào)，司機(jī)才可駕駛列車離開(kāi)車站。由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)車地通信，所以要求司機(jī)在駕駛過(guò)程中及時(shí)向調(diào)度部門報(bào)告列車運(yùn)行的狀態(tài)信息與位置信息，按照信號(hào)固定閉塞原理行車。

計(jì)軸和軌道電路的作用幾乎是一樣的，軌道電路是聯(lián)鎖的一部分，計(jì)軸也是聯(lián)鎖的一部分，當(dāng)計(jì)軸故障后聯(lián)鎖無(wú)法知道區(qū)段的占用信息，所以計(jì)軸故障聯(lián)鎖也“隨之故障”。軌道電路故障后則采用電話行車或是地面標(biāo)志信號(hào)（手搖旗等）行車，計(jì)軸故障后也采用上述行車方法。

1.3 軌旁設(shè)備故障

1.3.1 軌旁ATP／ATO計(jì)算機(jī)設(shè)備完全故障

如果軌旁ATP／ATO計(jì)算機(jī)設(shè)備完全故障，則其控制范圍（故障區(qū)）內(nèi)的列車不能按ATO和ATP模式運(yùn)行。此時(shí)，視系統(tǒng)構(gòu)成情況不同，中央聯(lián)鎖設(shè)備或故障區(qū)內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)備應(yīng)在中央行調(diào)或車站值班員的控制下，經(jīng)過(guò)必要的手續(xù)改為以后備列車檢測(cè)裝置（如軌道電路或計(jì)軸設(shè)備）作為列車位置檢測(cè)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路的自動(dòng)和人工設(shè)置，以地面信號(hào)機(jī)的顯示作為行車憑證，按照固定閉塞方式對(duì)列車進(jìn)行防護(hù)（見(jiàn)圖3）。

后備模式下聯(lián)鎖進(jìn)路的排列方式有按站間閉塞原則設(shè)置的進(jìn)路和基本聯(lián)鎖進(jìn)路兩種。站間閉塞原則設(shè)置進(jìn)路的始端是車站出站信號(hào)機(jī)，進(jìn)路的終端是下一車站的出站信號(hào)機(jī)，在滿足聯(lián)鎖條件后，其進(jìn)路中的信號(hào)機(jī)應(yīng)能自動(dòng)由遠(yuǎn)至近順序開(kāi)放（除進(jìn)路終端的信號(hào)機(jī)外）；基本聯(lián)鎖進(jìn)路的始端是信號(hào)機(jī)，進(jìn)路的終端是下一架信號(hào)機(jī)。聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)置的所有進(jìn)路（包括延續(xù)進(jìn)路）應(yīng)具有安全防護(hù)功能，包括進(jìn)路鎖閉、解鎖、道岔側(cè)向防護(hù)等。

后備模式下，聯(lián)鎖設(shè)備應(yīng)能將某一信號(hào)機(jī)或全部信號(hào)機(jī)設(shè)置為自動(dòng)模式和人工模式兩種狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)機(jī)被設(shè)置為自動(dòng)模式時(shí)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)基于站間閉塞原則的進(jìn)路自動(dòng)排列和折返站的折返進(jìn)路自動(dòng)排列。當(dāng)信號(hào)機(jī)被設(shè)置為人工模式時(shí)，應(yīng)能按基本聯(lián)鎖進(jìn)路方式人工排列進(jìn)路。

圖3 軌旁ATP／ATO計(jì)算機(jī)設(shè)備完全故障的后備方案

1.3.2 軌旁聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)設(shè)備故障

聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)通常采用安全型冗余結(jié)構(gòu)，可靠性高，一臺(tái)計(jì)算機(jī)單元故障時(shí)不影響系統(tǒng)正常工作。如果有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)單元同時(shí)故障，則在其控制范圍內(nèi)將喪失進(jìn)路控制和聯(lián)鎖功能以及ATP／ATO功能。這時(shí)應(yīng)停止故障區(qū)的列車運(yùn)營(yíng)或采取人工組織方式運(yùn)營(yíng)，直到故障修復(fù)。

1.4 車－地通信設(shè)備故障

對(duì)CBTC移動(dòng)閉塞系統(tǒng)而言，如果基于通信的基礎(chǔ)設(shè)備，如感應(yīng)環(huán)線、裂縫波導(dǎo)、軌旁無(wú)線電臺(tái)或天線等車－地連續(xù)通信設(shè)備發(fā)生故障，對(duì)于配備點(diǎn)式設(shè)備的系統(tǒng)可降為點(diǎn)式ATP列車控制級(jí)，通過(guò)點(diǎn)式通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)車－地通信和列車的控制。也可直接降為聯(lián)鎖級(jí)控制，由司機(jī)人工駕駛，人工開(kāi)關(guān)車門、屏蔽門或安全門。

1.5 車載系統(tǒng)出現(xiàn)故障

1.5.1 車載ATO子系統(tǒng)出現(xiàn)故障

車載ATO子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，列車應(yīng)采用ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式（iATP）運(yùn)行；車載通信單元故障時(shí)，列車應(yīng)按照相應(yīng)的行車規(guī)則，采用限制人工駕駛模式運(yùn)行。

此模式下由司機(jī)根據(jù)地面信號(hào)機(jī)的顯示駕駛列車以不超過(guò)預(yù)先確定的安全速度（如25km／h）運(yùn)行，并隨時(shí)準(zhǔn)備停車。此安全速度由車載ATP防護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)列車超速，ATP將實(shí)施制動(dòng)。

1.5.2 車載ATP子系統(tǒng)故障

當(dāng)列車車載設(shè)備故障或車載信號(hào)設(shè)備無(wú)法發(fā)送列車位置和接收軌旁信息時(shí)，應(yīng)按照嚴(yán)格的行車規(guī)則，采用NRM運(yùn)行。由駕駛員使用特殊的鑰匙開(kāi)關(guān)進(jìn)入該模式，在此模式下ATC系統(tǒng)將不起任何作用。列車運(yùn)行及安全完全由調(diào)度員、車站值班員和司機(jī)人工保證。采用該駕駛模式，必須嚴(yán)格按照行車規(guī)則執(zhí)行。

無(wú)論何種車載設(shè)備故障，均應(yīng)在設(shè)備界面上給司機(jī)顯示相應(yīng)故障信息。

2 CBTC降級(jí)狀態(tài)下后備設(shè)備配置

2.1 列車軌道占用后備檢測(cè)設(shè)備

移動(dòng)閉塞的列車定位通過(guò)交叉環(huán)線、信標(biāo)、測(cè)速傳感器等方式，由車載ATP設(shè)備主動(dòng)檢測(cè)，經(jīng)車－地通信發(fā)送給軌旁ATP設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車位置精確定位。為滿足系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)營(yíng)模式以及無(wú)ATP保護(hù)列車運(yùn)行的需要，正線區(qū)間線路、車站正線和道岔區(qū)段需設(shè)置備用列車檢測(cè)設(shè)備，如計(jì)軸設(shè)備或軌道電路，這樣才能確保CBTC后備模式的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全。

2.2 信號(hào)機(jī)

正線除道岔區(qū)段、降級(jí)運(yùn)行時(shí)的列車進(jìn)路始終端、聯(lián)絡(luò)線及其它須防護(hù)的特殊位置設(shè)防護(hù)信號(hào)機(jī)外，其余地點(diǎn)原則上不設(shè)地面信號(hào)機(jī)。

為減少維修提高可靠性和可用性，信號(hào)機(jī)擬采用LED鋁合金信號(hào)機(jī)。地面列車信號(hào)機(jī)的顯示方式如下：①紅燈——禁止通行，“特殊列車”在信號(hào)機(jī)前停車；②綠燈——允許通行，進(jìn)路中所有道岔開(kāi)通直向；③黃燈——允許通行，進(jìn)路中至少有一組道岔開(kāi)通側(cè)向；④黃燈＋紅燈——引導(dǎo)信號(hào)，允許“特殊列車”以不大于25km／h（暫定）速度越過(guò)信號(hào)機(jī)，并隨時(shí)準(zhǔn)備停車。

2.3 設(shè)備安裝要求

信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌旁車－地通信設(shè)備、列車檢測(cè)設(shè)備等的安裝應(yīng)滿足線路設(shè)備限界以及土建結(jié)構(gòu)、軌道、排水等專業(yè)的要求，所有軌旁設(shè)備其金屬外殼都應(yīng)安全接地。

3 后備控制模式下系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的運(yùn)營(yíng)能力

在CBTC的后備模式下，根據(jù)地面信號(hào)設(shè)備的布置，列車按照固定閉塞方式，司機(jī)以地面信號(hào)顯示行駛，列車的最高運(yùn)行速度可視以下情況控制。

（1）當(dāng)進(jìn)路上所有道岔處于直向開(kāi)通位置，設(shè)置的進(jìn)路空閑，顯示綠燈，司機(jī)可按站間區(qū)間最小線路限制速度運(yùn)行。

（2）當(dāng)進(jìn)路上至少有一組道岔處于側(cè)向開(kāi)通位置，設(shè)置的進(jìn)路空閑，顯示黃燈，司機(jī)可按道岔側(cè)向限速運(yùn)行。

后備控制模式下系統(tǒng)的設(shè)備配置應(yīng)實(shí)現(xiàn)線路設(shè)計(jì)規(guī)定的行車追蹤間隔、區(qū)間最高運(yùn)行速度不低于線路設(shè)計(jì)規(guī)定運(yùn)營(yíng)能力的要求，具體數(shù)值要視不同線路實(shí)際設(shè)計(jì)要求而定。

4 結(jié)語(yǔ)

各個(gè)CBTC系統(tǒng)廠商在系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性上都采用了較高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但在后備降級(jí)控制功能的強(qiáng)弱上存在一定的差異。當(dāng)CBTC系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時(shí)，都能轉(zhuǎn)換到提前預(yù)置的后備降級(jí)模式，而后備模式需要設(shè)置相應(yīng)的信號(hào)設(shè)備。由此可見(jiàn)CBTC系統(tǒng)并非能夠大幅減少軌旁設(shè)備，據(jù)此對(duì)CBTC系統(tǒng)的可靠性和可用性指標(biāo)的科學(xué)合理性產(chǎn)生質(zhì)疑。

后備降級(jí)控制功能一般是利用信標(biāo)、查詢應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)車－地信息傳輸，完成ATP功能。聯(lián)鎖模式下用計(jì)軸器顯示區(qū)段的占用與否。后備模式下，列車的運(yùn)營(yíng)能力和運(yùn)行速度都不可能與正常運(yùn)行狀態(tài)相提并論，但能夠確保信號(hào)系統(tǒng)在最少的人工參與條件下最大限度地實(shí)現(xiàn)列車安全與自動(dòng)控制，這才是后備模式的意義所在。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］林瑜筠.城市軌道交通信號(hào)設(shè)備［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

［3］林海香，董昱.無(wú)線CBTC系統(tǒng)車地通信方案研究［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（6）：124.

［4］劉曉娟，黨建武，劉蓓.基于通信的列車控制系統(tǒng)中無(wú)線傳輸系統(tǒng)的安全性研究［J］.城市軌道交通研究，2009（12）：37.