城市軌道交通基于通信的列車控制系統后備模式方案

邢紅霞

（西安鐵路職業技術學院交通運輸系，710014，西安∥副教授）

基于通信的列車控制（CBTC）系統已成為目前城軌信號系統的發展方向，該系統為目前最先進的列車運行控制系統。CBTC的突出優點是車－地雙向通信，而且傳輸信息量大，傳輸速度快，很容易實現移動自動閉塞。該系統能大量減少區間敷設電纜，減少日常維護工作，縮短列車運行間隔，大幅度提高區間運營通過能力，靈活組織雙向運行和單向連續發車，容易適應不同車速、不同運量、不同牽引類型的列車運行控制等。

CBTC信號系統雖然有眾多優點，但是在實際運營中系統一旦發生故障，要求運行狀態能夠導向安全，這就需要一定的后備模式支持。在我國城市軌道交通所使用的CBTC系統中，增加后備模式基本上已經成為標配，并且在故障情況下后備模式都是自啟動的。

1 CBTC的故障分類及后備模式方案

1.1 控制中心ATS系統故障

在CBTC系統中，一般會在線路上某個集中站設置一個列車運行自動監控系統（ATS）后備服務器。當控制中心ATS系統故障時（比如到控制中心的通訊中斷），將使用后備站的ATS后備主服務器及通信服務器。在這種情況下，列車進路和車站發車將繼續根據故障時使用的時刻表執行（見圖1）。

圖1 控制中心ATS系統故障下的后備方案

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設備也故障，聯鎖將按自動信號的方式排列進路。當列車接近信號機，對非折返站聯鎖將開放直通進路，在折返站開放特殊的折返進路。折返進路可以在故障前通過ATS系統預先設定，或者在ATS故障期間通過本地控制工作站（LCW）進行設定。車站調度員也可以通過與正線聯鎖連接的LCW人工操作進路和信號。

當中央ATS或中央至車站的信息傳輸通道完全故障，系統自動降級為ATS故障情況下的車站級或聯鎖級控制（見圖2）。對于集中式結構的系統在中央設有聯鎖設備，當中央ATS失效時，系統能夠維持列車運行和控制的自動化，通過中央聯鎖設備實現基本進路和延續進路的自動排列，實現所有進路（含延續進路）的取消和人工解鎖，并實現控制和監督列車位置狀態、進路狀態以及信號設備故障等基礎信息的功能。

圖2 信息傳輸通道完全故障下的后備方案

1.2.1 車站級控制

當中央ATS故障或中央通信故障時，控制中心（OCC）的調度員工作站不可用，可以采取車站級控制模式。在車站級控制模式下，各聯鎖區ATS工作站用戶擁有本聯鎖區的控制權（并非全線），用戶只能為本聯鎖區各車站的列車或設備發送請求。被授權的車站值班人員通過設備集中站的ATS設備實現對本聯鎖區內列車運行狀態的監控、列車進路的自動排列、進路解鎖等功能，但是不具備列車自動調整功能，列車到站停車、發車時間按系統預設時間來進行。計軸系統向車站值班人員反映列車對軌道的占用與出清狀況。由于降級后車－地通信失效，車站緊急停車按鈕不起作用，站臺工作人員需要加強對站臺客流的及時疏導與管理，防止因擁擠或其他原因導致乘客跌落軌道行車區域造成人身傷亡事故。

司機在此降級模式下視情況轉換為iATP（點式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，系統實現點式ATP功能，包括列車超速防護功能、間隔防護功能、地面信號機防冒進功能和車站站臺區域停車窗保護功能等。司機按照車載設備的推薦速度行車，由于信號系統不具備列車自動駕駛和自動調整功能，所以要求司機嚴格按照《運營時刻表》規定的開車點及發車表示器（DTI）顯示掌握好停站和運行時間。只有前方進路排列好，給出信號機綠燈或黃燈顯示，司機才可駕駛列車離開車站。若列車出現故障無法實現點式ATP的駕駛功能時，需要報行調同意后轉換成RM模式（或行調授權URM模式）運行。

1.2.2 聯鎖級控制模式

在控制中心和車站ATS都不可用情況下，啟用聯鎖級控制模式。在聯鎖級控制模式下，被授權的車站值班員利用計軸系統了解列車對軌道的出清或占用情況，通過操作LCW控制聯鎖設備進行進路的排列與解鎖等工作，并且所有的列車進路前方均設置保護區段。排列進路時相應的保護區段必須是空閑和鎖閉狀態，在列車出清、滿足解鎖條件后才能對進路和保護區段進行解鎖。在跨聯鎖區排列進路時相鄰站間的操作人員應通過通信設備及時溝通配合作業，保證跨聯鎖區作業安全順利。此時中央行調人員應做好降級模式下的協調與組織工作，車站值班員與司機保持及時通暢的聯系，做好控制區域內的列車接發車工作，加強與站務人員的配合，實現在聯鎖級控制模式下的安全運營。

在聯鎖級控制模式下，提供固定閉塞列車間隔和聯鎖防護，不能提供其他的ATC功能，行車安全由司機全權負責。司機應嚴格按照軌旁信號機的顯示與系統預設的速度和駕駛模式控制列車運行，列車到站的停站時間按照系統預設時間進行，只有前方進路排列好、信號機給出允許信號，司機才可駕駛列車離開車站。由于無法實現車地通信，所以要求司機在駕駛過程中及時向調度部門報告列車運行的狀態信息與位置信息，按照信號固定閉塞原理行車。

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

1.3 軌旁設備故障

1.3.1 軌旁ATP／ATO計算機設備完全故障

如果軌旁ATP／ATO計算機設備完全故障，則其控制范圍（故障區）內的列車不能按ATO和ATP模式運行。此時，視系統構成情況不同，中央聯鎖設備或故障區內聯鎖設備應在中央行調或車站值班員的控制下，經過必要的手續改為以后備列車檢測裝置（如軌道電路或計軸設備）作為列車位置檢測依據，實現進路的自動和人工設置，以地面信號機的顯示作為行車憑證，按照固定閉塞方式對列車進行防護（見圖3）。

后備模式下聯鎖進路的排列方式有按站間閉塞原則設置的進路和基本聯鎖進路兩種。站間閉塞原則設置進路的始端是車站出站信號機，進路的終端是下一車站的出站信號機，在滿足聯鎖條件后，其進路中的信號機應能自動由遠至近順序開放（除進路終端的信號機外）；基本聯鎖進路的始端是信號機，進路的終端是下一架信號機。聯鎖系統設置的所有進路（包括延續進路）應具有安全防護功能，包括進路鎖閉、解鎖、道岔側向防護等。

后備模式下，聯鎖設備應能將某一信號機或全部信號機設置為自動模式和人工模式兩種狀態。當信號機被設置為自動模式時，應能實現基于站間閉塞原則的進路自動排列和折返站的折返進路自動排列。當信號機被設置為人工模式時，應能按基本聯鎖進路方式人工排列進路。

圖3 軌旁ATP／ATO計算機設備完全故障的后備方案

1.3.2 軌旁聯鎖計算機設備故障

聯鎖計算機通常采用安全型冗余結構，可靠性高，一臺計算機單元故障時不影響系統正常工作。如果有兩臺計算機單元同時故障，則在其控制范圍內將喪失進路控制和聯鎖功能以及ATP／ATO功能。這時應停止故障區的列車運營或采取人工組織方式運營，直到故障修復。

1.4 車－地通信設備故障

對CBTC移動閉塞系統而言，如果基于通信的基礎設備，如感應環線、裂縫波導、軌旁無線電臺或天線等車－地連續通信設備發生故障，對于配備點式設備的系統可降為點式ATP列車控制級，通過點式通信設備實現車－地通信和列車的控制。也可直接降為聯鎖級控制，由司機人工駕駛，人工開關車門、屏蔽門或安全門。

1.5 車載系統出現故障

1.5.1 車載ATO子系統出現故障

車載ATO子系統出現故障，列車應采用ATP監督下的人工駕駛模式（iATP）運行；車載通信單元故障時，列車應按照相應的行車規則，采用限制人工駕駛模式運行。

此模式下由司機根據地面信號機的顯示駕駛列車以不超過預先確定的安全速度（如25km／h）運行，并隨時準備停車。此安全速度由車載ATP防護，一旦發現列車超速，ATP將實施制動。

1.5.2 車載ATP子系統故障

當列車車載設備故障或車載信號設備無法發送列車位置和接收軌旁信息時，應按照嚴格的行車規則，采用NRM運行。由駕駛員使用特殊的鑰匙開關進入該模式，在此模式下ATC系統將不起任何作用。列車運行及安全完全由調度員、車站值班員和司機人工保證。采用該駕駛模式，必須嚴格按照行車規則執行。

無論何種車載設備故障，均應在設備界面上給司機顯示相應故障信息。

2 CBTC降級狀態下后備設備配置

2.1 列車軌道占用后備檢測設備

移動閉塞的列車定位通過交叉環線、信標、測速傳感器等方式，由車載ATP設備主動檢測，經車－地通信發送給軌旁ATP設備實現列車位置精確定位。為滿足系統降級運營模式以及無ATP保護列車運行的需要，正線區間線路、車站正線和道岔區段需設置備用列車檢測設備，如計軸設備或軌道電路，這樣才能確保CBTC后備模式的運行效率和運行安全。

2.2 信號機

正線除道岔區段、降級運行時的列車進路始終端、聯絡線及其它須防護的特殊位置設防護信號機外，其余地點原則上不設地面信號機。

為減少維修提高可靠性和可用性，信號機擬采用LED鋁合金信號機。地面列車信號機的顯示方式如下：①紅燈——禁止通行，“特殊列車”在信號機前停車；②綠燈——允許通行，進路中所有道岔開通直向；③黃燈——允許通行，進路中至少有一組道岔開通側向；④黃燈＋紅燈——引導信號，允許“特殊列車”以不大于25km／h（暫定）速度越過信號機，并隨時準備停車。

2.3 設備安裝要求

信號機、轉轍機、軌旁車－地通信設備、列車檢測設備等的安裝應滿足線路設備限界以及土建結構、軌道、排水等專業的要求，所有軌旁設備其金屬外殼都應安全接地。

3 后備控制模式下系統應達到的運營能力

在CBTC的后備模式下，根據地面信號設備的布置，列車按照固定閉塞方式，司機以地面信號顯示行駛，列車的最高運行速度可視以下情況控制。

（1）當進路上所有道岔處于直向開通位置，設置的進路空閑，顯示綠燈，司機可按站間區間最小線路限制速度運行。

（2）當進路上至少有一組道岔處于側向開通位置，設置的進路空閑，顯示黃燈，司機可按道岔側向限速運行。

后備控制模式下系統的設備配置應實現線路設計規定的行車追蹤間隔、區間最高運行速度不低于線路設計規定運營能力的要求，具體數值要視不同線路實際設計要求而定。

4 結語

各個CBTC系統廠商在系統的安全性、穩定性和可靠性上都采用了較高的設計標準，但在后備降級控制功能的強弱上存在一定的差異。當CBTC系統的某部分發生故障時，都能轉換到提前預置的后備降級模式，而后備模式需要設置相應的信號設備。由此可見CBTC系統并非能夠大幅減少軌旁設備，據此對CBTC系統的可靠性和可用性指標的科學合理性產生質疑。

后備降級控制功能一般是利用信標、查詢應答器實現車－地信息傳輸，完成ATP功能。聯鎖模式下用計軸器顯示區段的占用與否。后備模式下，列車的運營能力和運行速度都不可能與正常運行狀態相提并論，但能夠確保信號系統在最少的人工參與條件下最大限度地實現列車安全與自動控制，這才是后備模式的意義所在。

［1］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.

［2］林瑜筠.城市軌道交通信號設備［M］.北京：中國鐵道出版社，2006.

［3］林海香，董昱.無線CBTC系統車地通信方案研究［J］.蘭州交通大學學報，2010，29（6）：124.

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