移動閉塞信號后備系統方案研究

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

移動閉塞信號后備系統方案研究

樊國林

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

以移動閉塞信號系統（CBTC）工作原理入手，分析了移動閉塞設備可能出現的故障，以及采取的運營對策：CBTC應配備具有點式ATP（列車自動防護）功能的后備系統，以便安全、高效地清退故障列車，恢復線路正常運營秩序。介紹了采用美式信標的后備系統（方案一）和采用歐式信標的后備系統（方案二），并對兩個方案進行了分析和比較。

城市軌道交通；移動閉塞信號系統；后備系統

Author's address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

1 移動閉塞信號系統工作原理

移動閉塞信號系統（CBTC）由軌旁區域控制器，車載控制器，列車定位系統（速度傳感、車載信標天線、軌旁信標），車-地通信系統（車載無線天線、軌旁無線接入點、有線數據傳輸網）等設備組成［1］。車載控制器依據列車通過軌旁信標的先后次序及速度確定列車的運行方向及位置，并通過車-地通信系統將其報告給軌旁區域控制器；軌旁區域控制器依據列車的運行方向及位置為在線所有列車建立自動防護區段，通過計算相鄰列車自動防護區段確定每列列車的移動授權，并通過車-地通信系統將移動授權分別發送到每列列車的車載控制器；車載控制器依據軌旁控制器給出的移動授權控制列車運行。車載控制器每隔一段時間（如600 ms）向軌旁區域控制器報告一次列車的運行方向及位置。軌旁區域控制器每隔一段時間（如600 ms）更新線路上所有列車的自動防護區段及移動授權。

當CBTC列車進入非CBTC區段或超過規定時間間隔（如5 s）收不到移動授權時，列車實施緊急制動并退出CBTC駕駛模式，改由人工駕駛。人工駕駛列車時，車載控制器提供速度不超過20～25 km/h的自動防護，行車安全由司機保證。

2 CBTC信號降級系統

為提高CBTC系統的可靠性，系統的主要設備均采取冗余配置。但是，由于CBTC設備工作在振動的環境下，導致設備故障時有發生。CBTC系統設備可能發生的故障及采取的運營對策如下：

（1）車載設備發生故障：車載設備通常由車載控制器（CC）、測速裝置、信標天線、車載無線傳輸系統等組成。①當車載無線傳輸系統或信標天線發生故障時，車載控制器無法實現列車定位，但車載控制器具有速度不超過20～25 km/h自動防護功能，此時司機需人工駕駛列車至相鄰車站，清客后故障列車退出日常運營。②當測速裝置發生故障時，車載控制器無法實現列車定位及速度控制，司機需切除ATP（列車自動防護），人工駕駛故障列車至下一站，清客并退出日常運營。③當車載控制器發生故障時，如果人工復位后車載控制器仍具有最高速度20～25 km/h自動防護功能，則人工駕駛列車至相鄰車站，清客后故障列車退出日常運營；如果人工復位后車載控制器不具備ATP功能，司機需切除ATP，將列車駕駛至相鄰車站，清客后退出日常運營。

（2）軌旁定位信標發生故障：CBTC采用無源信標（美式或歐式）進行列車定位，當列車錯過2個連續的定位信標時，列車將因定位信息丟失而緊急制動，此時列車具備最高速度20～25 km/h自動防護功能，司機人工駕駛列車連續通過后續2個定位信標，方可重新定位列車并自動切換至移動閉塞。

（3）地面無線接入點發生故障：車-地通信中斷超過5 s后列車將緊急制動，此時列車具備最高速度20～25 km/h防護功能，司機需人工駕駛列車通過故障區域，列車恢復無線覆蓋后將自動切換到CBTC駕駛模式。

（4）信號有線傳輸網絡發生故障：故障范圍內的所有列車均無法向軌旁區域控制器報告其運行方向及位置，也因接收不到來自軌旁區域控制器的移動授權而緊急停車，在線列車具備最高速度20～25 km/h防護功能，故障范圍內的所有列車只能人工駕駛。

（5）軌旁區域控制器發生故障：其控制范圍內的所有列車因收不到移動授權而緊急停車，所有列車只能按不大于20～25 km/h的防護速度人工駕駛。

上述故障發生時，為保證后續CBTC列車的行車安全，正線需配備輔助列車檢測裝置（計軸檢測設備）；為保證故障列車進站清客、退出運營時的安全，車站應配置出站信號機；為保障故障列車及相鄰CBTC列車的行車安全，CBTC系統應配備以信號機、計軸、道岔轉轍機為控制對象的計算機聯鎖降級系統［2］。CBTC配備降級系統也是保證工程車、救援車、跨線列車上線運行安全的需要。

移動閉塞降級系統信號平面布置如圖1所示。

圖1 移動閉塞降級系統信號平面布置圖

3 后備系統方案

為滿足故障運行工況，通常地鐵線路每隔5～6座車站（或8～10 km）設置停車線。故障列車以不大于20～25 km/h的防護速度運行至停車線所需時間較長（約30 min），嚴重干擾了正常的運營秩序，為此，有必要對CBTC配備的降級系統進行優化，以提高故障列車退出運營時的行車速度，縮短故障處置時間［3］。

3.1 方案一

以CBTC配備的降級系統為基礎，車站入口處增設進站信號機，當站間距較長時，區間可適當增加通過信號機；每架信號機附近增設美式有源信標，以防止列車冒進信號；為保證前行CBTC列車的安全，采用雙紅燈防護；車載點式ATP設備提供固定限速防護。固定限速由線路允許的最高行車速度（直線段、曲線段）、道岔側向通過允許速度、列車通過站臺時的限制速度等組成［4］。

方案一可實現后備模式下3～4 min的列車追蹤間隔，其典型的信號平面布置及點式ATP防護曲線如圖2所示。

圖2 方案一信號平面布置及防護曲線

001列車區間內發生故障、以20～25 km/h防護速度運行至甲站出站信號機X2前停車并清客；當前行002 CBTC列車越過乙站出站信號機X4后，甲站X2開放，司機可在點式ATP下駕駛001故障列車開往乙站；當002列車越過區間通過信號機或進入前方車站，乙站進站信號機X3開放，001故障列車在點式ATP下通過X3信號機進入乙站，若X3信號機顯示紅燈，001故障列車必須在X3信號機前停車。如果001列車司機誤闖顯示紅燈的X3信號機，則列車將因沒有收到與X3信號機關聯的信標的速度碼而緊急制動。當乙站X4出站信號機前方具備2個軌道區段空閑條件，X4出站信號機開放，001故障列車可在點式ATP防護下跳越乙站。如果001故障列車在運行過程中的實際速度觸碰了點式ATP曲線，則列車緊急制動。

當乙站屏蔽門發生故障或車站人員按壓了緊急關閉按鈕時，乙站X3進站信號機關閉，與X3進站信號機關聯的信標停發速度碼，阻止001故障列車進入乙站站臺區域。

以一站一區間為單元，方案一需增加2個出站信號機有源信標、2架進站信號機及2個進站信號機有源信標；當列車追蹤間隔按3.5 min設計時，平均每個區間還需增加1架通過信號機、1組計軸檢測設備、1個通過信號機有源信標。此外，方案一的點式ATP防護曲線由線路限速、站臺限速、道岔側向限速構成，當故障列車在點式ATP下運行時，列車的運行速度完全由司機憑經驗控制；而地鐵線路坡度大、曲線半徑小，為防止列車實際速度因觸碰點式ATP防護曲線而緊急制動，進站及通過信號機應設置預告信號機，彎道附近應設置提醒司機變速的標志牌，經常停車的地點應設置一度停車牌；為提高行車效率，進站、通過信號機前方適當位置還應設置有源預告信標。

在特殊情況下（如因工期影響不能開通CBTC），方案一可用于載客運營。但由于其設有進站、通過信號機，載客列車存在隧道內停車的可能性；另外，列車的運行速度完全由司機憑經驗掌控，旅客乘車的舒適性會受到一定的影響。

3.2 方案二

以CBTC配備的降級系統為基礎，出站信號機前方設置100 m長的延續保護區段，當站間距超過2 000 m時，可在區間增設一架間隔信號機；出站信號機附近增設歐式有源信標，以防止列車冒進信號，進站口增設預告信標，實現列車在點式后備模式下跳停車站的功能；車載設備依據線路允許的最高運行速度、道岔側向最大允許速度、列車通過站臺時的限制速度及前方出站信號機顯示等條件，提供目標-距離點式ATP防護曲線及點式ATO控制曲線。

方案二可實現后備模式下4～5 min的運營間隔，其典型的信號平面布置及點式ATP/ATO防護曲線如圖3所示。

圖3 方案二信號平面布置及防護曲線

001列車區間內發生故障，以20～25 km/h防護速度運行至甲站X2出站信號機前停車并清客；當前行002 CBTC列車越過乙站X4出站信號機前方100 m保護區段后，甲站X2出站信號機開放，司機在點式ATP下駕駛001故障列車開往乙站，并在乙站X4出站信號機前停車；當002列車離開丙站出站信號機前方保護區段后（乙、丙為相鄰車站），乙站X4出站信號機開放，001列車出站。001故障列車經過乙站進站口時，將接收到新的速度命令、更新點式ATP防護曲線，并在點式ATP下跳越乙站；運行過程中司機依據操作盤面上提示的目標速度和實際速度控制列車運行，當列車的實際速度觸碰點式ATP防護速度時觸發緊急制動。當列車誤闖乙站顯示紅燈的X4出站信號機時，則列車將因沒有收到與X4信號機關聯的信標的速度碼而緊急制動，并在X4出站信號機前方保護區段內停車。

當乙站屏蔽門發生故障或車站人員按壓了緊急關閉按鈕時，甲站X2出站信號機無法開放，與X2出站信號機關聯的信標停發速度碼，阻止001故障列車自甲站進入區間。

在該后備模式下，司機通過比較駕駛臺盤面上顯示的目標速度和實際速度駕駛列車，列車加速、減速更平穩；列車經過變速點時車載點式ATP/ATO設備不間斷提供相應的速度信息，軌旁變速點附近無需增加速度提示牌，區間無需增加預告信號機；列車接近顯示紅燈的出站信號機、道岔防護信號機時的速度比較低，很好地保護了故障列車及前行CBTC列車的運行安全。

方案二還提供點式ATO駕駛功能，提供了與CBTC類似的ATP/ATO曲線，完全適用于載客運營。

以一站一區間為單元，方案二需增加2個出站信號機信標、2個預告信標及2個計軸設備。

3.3 后備系統方案比較

將方案一中采用的美式信標更換成歐式信標即產生方案三。方案三同時具備了方案一和方案二的優點，但考慮到CBTC配備后備系統的目的是為了縮短CBTC設備故障時的處置時間，不刻意追求后備系統的行車間隔，且方案三的性價比較差，所以本文不予考慮。

當CBTC配備方案一或方案二的后備系統后，軌旁信號設備發生的故障對正常運營秩序將幾乎沒有影響；車載設備發生故障時可提高故障列車退出運營的速度，降低故障列車對運營的影響。

后備系統方案比較如表1所示。

4 結論

（1）CBCT應配備具有點式ATP功能的后備系統，以縮短故障列車退出運營的處置時間。

（2）具有點式ATP功能的后備系統可用于載客運營。

表1 后備系統性能對比

（3）以歐式信標為特征、具有點式ATP/ATO功能的后備系統更符合運營需求。

［1］ 王琰.基于通信的列車控制系統后備系統的探討［J］.鐵道標準設計，2007（6）：136.

［2］ 居理.移動閉塞后備系統的應用分析［J］.城市軌道交通研究，2011（1）：21.

［3］ 張瓊燕.基于無線通信的列車控制系統下后備模式的選擇與應用［J］.城市軌道交通研究，2012（7）：42.

［4］ 孫郁林，張偉.CBTC系統后備模式的點式ATP方案［J］.鐵路通信信號工程技術，2013（4）：71.

On the Backup System of Communication Based Train Control System

Fan Guolin

In this paper，the probable equipment failures and operation methods based on the principle of CBTC are firstly analyzed.In order to restore the normal operation and remove the broken-down train from the scene when some CBTC equipment fault happens，a station block or fixed block backup system with automatic train protection（ATP）functions is required.For this purpose，two backup systems are compared respectively with American balise and European balise，some useful conclusionsare obtained.

urban rail transit；communication based train control system；backup system

U 284.44

2013-08-30）