信號系統連續型點式方案的工程設計與應用

弓 劍

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

信號系統連續型點式方案的工程設計與應用

弓 劍

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

針對信號系統標準點式ATP(列車自動防護系統)降級方案下出現的駕駛模式轉換初始化、進路命令變更、列車誤啟動、保護區段解鎖等常見且無法妥善解決的問題進行分析，結合寧天城際實際工程對降級方案信息傳輸方式的比選，提出連續型點式方案，并針對此方案應用于工程實現各項功能出現的實際問題，分析系統設計因素及信息處理方式，使點式系統更進一步傾向于閉環系統。

軌道交通；連續型點式方案；有源信標；保護區段；聯鎖系統

軌道交通信號系統大多采用基于無線通信的列車自動控制CBTC系統(communication based train control system)+點式列車自動防護ATP系統(point type aotumatic train protection)的主備方案。當車載設備與軌旁設備間無法形成連續通信時，CBTC系統可采取降級模式使用[1]，而標準點式ATP系統作為降級方案在信息傳輸上受到其傳輸媒介的影響，在一些功能上無法形成有效、快捷的閉環系統。隨著運營及服務意識的逐漸增強，很多工程都對此提出了更強的功能需求。

筆者認為降級系統信息傳輸方式是實現功能的關鍵點，結合實際工程提出了信息傳輸改進方案。連續型點式ATP方案的應用不僅可以有效解決在傳統后備方案下無法解決的問題，還為今后的軌道交通信號系統主方案的選擇提供了新的研究方向。

1 寧天城際信號降級模式

寧天城際軌道交通一期工程(以下簡稱“寧天城際”)信號系統采用完整的列車控制ATC系統，由主用模式和降級模式構成[2]。主用模式是指CBTC，降級模式是基于計軸和信標的點式通信固定閉塞系統。點式方案是保證信號系統在主系統CBTC模式出現故障而無法正常追蹤或在特殊需要時，所啟用的一種保證線路能夠以最低效率運營的降級方案。

1.1 點式ATP系統信息傳輸

圖1 標準點式方案信息傳輸

1.2 降級系統站間閉塞運行方式

在降級系統中，列車僅在預告信標或者重開信標處接收信息，根據最后接收到的變量更新列車授權，并根據授權點計算列車運行速度曲線(見圖2)，當列車獲得某一變量后，使得列車可以在變量有效時間內行駛到下一個信標并升級變量信息。

圖2 寧天城際點式系統配置方案

CBTC系統是車—地通信連續不間斷的閉環系統，但點式ATP系統信息的傳輸是通過信標點實現的，與CBTC相比，系統設計在一些功能上有所限制。寧天城際信號系統在設計時充分分析了在此模式下系統的不足，并通過優化點式方案下信息傳輸的途徑，使得這些不完善的問題得到了有效的解決。

2 點式降級系統疑難問題

在標準點式ATP降級方案下，車載接收進路開放信息只能做到點傳輸，工程中經過對系統的深入研究，結合寧天城際信號系統降級下的設計理念特異性，分析點式系統主要在幾個問題上無法妥善解決，包括駕駛模式轉換初始化、進路命令變更、列車誤啟動、保護區段解鎖時間。

2.1 點式駕駛模式轉換初始化

軌旁區域控制器出現故障時，列車需轉為點式駕駛模式，但由于車載設備與軌旁失去通信，列車需在停車后轉至點式駕駛模式[6]，此時軌旁計算機無法確定列車的實際位置，因此點式列車不能實現信息初始化，司機必須首先以限速人工駕駛模式低速向前行駛，待信標天線讀取到設于信號機前的重開信標并獲得前方信號機、道岔及區段的允許授權信息時，列車才能升級為點式模式。這樣如果需要模式轉換的列車運行于長大區段內，無法快速升級點式模式將會影響運營效率。

2.2 進路命令變更

在點式系統下，列車在區間運行需要通過地面有源信標讀取前方進路授權的走行距離。若列車通過信標點后，前方進路狀態發生變化(例如綠燈變為紅燈)，列車則不能及時獲得命令。對標準點式系統來說，其設備配置會帶來2個問題：第一，如列車越過預告信標后信號機變化，列車仍將高速行駛至重開信標后施加緊急制動；第二，如果是越過重開信標，列車將無法實施緊急制動。

2.3 列車誤啟動

列車進站在信號機前停車，停車點距離重開信標至少5 m，因此停車后，信標天線尚未讀到重開信標。若此時信號機仍為紅燈，司機誤操作啟動列車，列車在經過地面重開信標讀到禁止信號后，會產生緊急制動，導致列車闖入紅燈防護區，更為嚴重的情況是如果前方是道岔區，并且道岔正在轉動，尚未鎖閉，列車有可能沖入尚未鎖閉的道岔區域，造成擠岔事故。

2.4 保護區段延時解鎖時間

圖3 變量有效時間的距離因素

經分析，全線布置應選擇時間最長的布置間隔。聯鎖設備需要等待變量有效時間和緊急制動時間后，默認列車停穩，解鎖進路防護區段(Overlap)，見圖4。

圖4 變量有效時間作用下的防護區段解鎖時間

變量有效時間會導致列車征用進路的可能時間變長，也會導致聯鎖進路解鎖時間過長[7]。從本工程設計來看，當列車收到變量并進入區段后，防護區域開始287 s解鎖倒計時，結束后防護進路可解鎖。

3 寧天城際連續型點式系統方案

基于以上對寧天城際信號系統降級模式的分析，問題的實質是信息傳輸不連續，因此，在原有標準點式ATP系統配置下，考慮變量信息通過新的傳輸媒介進行完善。通過分析有兩種方案可以有效解決。

3.1 方案1：軌旁增加感應環線設備

在有源信標后鋪設一段感應環線電纜，將信號機的有源信標預告范圍擴大，車載可通過環線持續接收地面信號的狀態，將原來的“點”變成 “線”。但此方法適用于車站，列車停穩后，應答器天線始終在環線上。然而對區間信標，由于列車不停車需要鋪設更長的感應環線電纜，再加上需要在道床上安裝大量的感應環線電纜，除增加工程投資外，還易受土建安裝條件的限制，并且感應環線經常會受到軌道維護的影響，使得設備維護費用增加，將會影響列車的運行甚至影響正常運營[8]。

3.2 方案2：利用既有CBTC系統無線設備

寧天城際信號系統無線網絡采用冗余結構，用于承載CBTC系統下車載和軌旁間信號數據流的通信。每個軌旁無線設備由紅、藍兩個無線接入點組成雙網，同時全線天線分別工作在兩個不同頻段上，保證任意一個軌旁或車載無線設備出現故障時均不影響系統的正常工作[4]。

無線網絡的雙頻冗余結構能夠保證系統穩定工作，在分析過程中，通過增加聯鎖進路識別信息與車載ATP無線通信可以解決后備下的點式信息帶來的問題，車載與無線天線的接口已在CBTC下成熟，需要新開發的是聯鎖與無線的接口，這樣就可以利用無線網絡傳輸進路命令從而達到信息連續的目的。

3.3 方案比選及優化

與方案2相比，方案1在建設和維護成本上都有所增加，方案2利用既有CBTC的無線網絡設備，寧天城際在系統設計時通過增加車載和聯鎖主機之間的無線通信接口實現了連續型點式ATP功能，有針對性地優化了信息傳輸的方式，有效解決了標準點式系統存在的不完善問題，見圖5。

圖5 連續型點式系統信息傳輸路徑

需要說明的是連續型點式系統沒有改變信息的傳輸路徑①，而是在信標通信的基礎上新增了一條無線信息傳輸鏈路②，由CC(車載控制器)向ZLC(區域邏輯控制器)發送變量請求，ZLC將進路內信號機和道岔狀態變量信息通過無線天線傳送給車載CC，使得信息傳輸連續有效。

4 連續型點式系統的工程應用

連續型點式方案完善了降級模式下的多個功能，并且有針對性地解決了標準點式系統以上分析到的問題。雖然無線傳輸是連續的，但因聯鎖傳輸的信息量無法與區域控制器相比，該方案在實際工程應用中并不能做到全線有效，只在變量傳輸有效區域和列車初始化區域等范圍有效作用。

4.1 點式駕駛模式初始化

當列車需要轉換為點式駕駛模式時，連續型點式方案提供了快速初始化條件，列車從軌旁無線接收到前方區段變量信息且列車處于點式初始化區域內(見圖6)，列車即可轉換為點式駕駛模式，無需再以人工駕駛模式行至重開信標處升級。

此功能需主要考慮列車初始化區域。因聯鎖無法判斷車次號，區間轉換模式的時候需行駛至距信號機距離小于系統設定的最短車長才可篩選升級。

圖6 連續型點式方案列車初始化

4.2 及時獲取進路信息的變化

降級模式下列車在區間運行，當越過預告信標后，信號機狀態才發生變化(如紅燈變綠燈)，列車可以在變量傳輸有效區域接收到新變量，根據變化的信息提前計算速度曲線，無需行至信標點(見圖7)。

圖7 連續型點式方案進路信息變化接收方式

此功能需主要考慮變量有效傳輸區域，列車需進入變量有效傳輸區域才可以執行收到的變量信息。

4.3 避免在沒有授權情況下發生闖紅燈事故

連續型點式系統可以防止點式列車無授權啟動，出站信號機處于禁止狀態時，列車可以從無線天線持續接收禁止列車離站信息，當信號機轉為允許信號后，車載自動接收并計算速度曲線，可避免司機誤啟動列車而產生闖紅燈的緊急停車事故。此功能需保證列車始終在變量有效傳輸區域。

4.4 保護區段提前解鎖

標準點式系統下由于車載無法將停穩信息發送給軌旁，進路防護區段解鎖時間綜合了多種因素；而在連續型點式系統下，列車征用一條進路并為其鎖閉一條防護進路，可保證列車一旦發生緊急停車最終能夠在防護進路內停下，當列車在運營停車點停穩，且不再需要此Overlap命令時，車載將列車停穩信息通過無線天線提供給聯鎖子系統，命令Overlap提前解鎖(見圖8)，不必計算區間運行和站停時間。此功能需保證列車始終在變量有效傳輸區域。

圖8 連續型點式方案列車保護區段解鎖

5 結語

寧天城際信號系統在整個設計過程不僅延續了CBTC系統的完整功能，同時也深入分析了以往工程標準點式降級方案存在的問題，通過優化信息傳輸途徑及媒介，增加系統設計中的限定因素，在不增加硬件設備的情況下有效地解決了點式降級模式下信息傳輸不連續所帶來的幾個問題。

國內各城市的軌道交通項目基 本 都 采 用CBTC作為主方案，但近年來軌道交通市域線、城際線逐漸增多，往往站間距長、客流較少，而移動閉塞CBTC系統的造價偏高，應用于市域城際線未必能體現其運營能力強的優點。點式系統造價低、結構簡單、控 制 精 準，通過進一步研究緊急停車信息、臨時限速信息、出站升級功能的采集執行方式可以將點式方案作為一個完整的主系統進行應用。

[2] 南京地下鐵道有限責任公司.寧天城際一期工程信號系統采購項目用戶需求書[G] .南京，2012.

[4] 南京地下鐵道有限責任公司.寧天城際一期工程信號系統設計規格書[G] .南京，2013.

[5] 南京地下鐵道有限責任公司.寧天城際一期工程信號系統后備模式描述設計文件[G] .南京，2013.

[8] GB 50157—2013 地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

(編輯：郝京紅)

Gong Jian

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100045)

The article analyzed some common problems that could not be solved properly in signal system standard point type-ATP downgrade program like driving mode conversion initialization, route command change, train error start and overlap unlock. Taking the practical engineering project of Nanjing metro line S8 as an instance, we selected the information transmission mode for downgrade program and put forward the continuous-point program. For the practical problems when continuous-point program is applied in project to realize various functions, we analyzed the design factors and the information processing mode to make the continuous-point program tend to closed-loop system further.

metro; continuous-point program; active beacon; overlap; interlocking system

弓劍，男，碩士，高級工程師，合肥分院副總工程師，從事城市軌道交通信號系統設計工作， gongjianbs@sina.com

U284

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