CBTC系統計軸設備故障處理和關鍵區段冗余配置方案

王向陽

(寧波市軌道交通集團有限公司，315101，寧波//高級工程師)

1 計軸系統在CBTC系統中的應用現狀

近年來，隨著移動閉塞列車控制技術的穩步發展，CBTC(基于通信的列車控制)系統已經成為各個城市軌道交通的絕對主流信號系統，其技術優勢也得到了充分的證明。但是鑒于信號系統對于保證安全、高效運營的重要性，目前國內城市軌道交通中應用的CBTC系統絕大多數都配置輔助列車檢測設備和具備完善的基于固定閉塞模式的降級運行模式，并在降級模式下也對系統性能及追蹤間隔有一定要求。

計軸系統是軌道交通信號系統區段防護方案中的重要檢測手段。在CBTC系統中，計軸設備仍然為SIL4級安全設備，作為聯鎖系統功能實現的重要依據，在實際運營中仍然起到重要作用。計軸設備不應影響CBTC系統的安全及效率，但考慮到車載設備故障后降級模式運行和混合運行、工程車運行等都需要聯鎖設備和計軸設備的支持，因此，雖然降級模式會很少用到，但所有項目都仍然考慮降級模式，系統中均存在計軸設備。如果計軸設備發生故障，而又有非通信障礙物存在，ATP(列車自動保護)設備不能確定區段占用狀態的實際情況，就會對后續的CBTC模式下運行的列車造成影響。

計軸設備故障或計軸數據傳輸發生錯誤，應有安全和切實可行的故障恢復措施，或通過安全操作予以恢復，系統能確定的計軸設備故障不應影響軌道交通的正常運營。不同信號系統由于其系統原理和架構的差異性，在CBTC模式下容忍其計軸設備故障的具體處理方式也不盡相同，尤其是道岔區段發生故障后，需要改變道岔位置，對這一情況的處理尤為復雜。

根據實際運營經驗和分析，對計軸設備故障影響分析、處理機制，以及對運營影響較大的折返區計軸設備故障提出解決方案有較強的實際意義。其中，故障影響和處理機制是CBTC系統設計原理中對計軸設備故障處理方式的統一；冗余配置方案是新提出的一種設計思路，仍然需要認真評估和驗證，以確保其設計安全性和滿足可靠性、可用性。

2 計軸設備故障影響分析

CBTC系統中，通過結合使用兩種不同的定位方法來支持通信列車、裝備故障列車及非裝備列車的混合運營模式：

(1)一級列車定位：車載設備通過讀取軌旁信標并利用車載速度傳感器跟蹤通信列車的具體位置。

(2)二級列車定位：使用軌旁計軸區段的占用狀態，按照固定區段方式來確定列車位置。

軌旁ATP子系統根據通信列車報告的準確位置來追蹤列車，并與計軸設備報告的固定區段占用/空閑狀態進行必要的一致性判斷。在車地通信故障時，系統將基于計軸區段占用進行列車定位，保持列車運行。

2.1 計軸區段受擾對行車的影響

計軸設備故障的結果是計軸區段受擾，是指計軸系統因計軸設備本身硬件故障原因或外部干擾因素，使計軸區段出現非預期的占用狀態。

按照移動閉塞列車運行控制原理，軌旁ATP子系統根據計軸設備故障發生時的條件對區段的真實占用/空閑狀態進行安全邏輯分析。如果判斷結果為實際上無列車占用，則認為故障區段是“已清掃的非通信障礙物(Swept NCO)”，允許CBTC模式下的通信列車通過受擾區段。如果先前未占用的區段報告占用，此時相鄰區段都沒有列車，或者此時在相鄰區段只有通信列車占用，受擾區段不會對CBTC模式下的通信列車運行造成影響。

受擾區段將影響CBTC模式下列車運行的場景為：先前未占用的區段報告占用，此時有非通信列車占用相鄰區段。即使非通信列車占用受擾區段的相鄰區段，由于兩個區段都報告占用，系統不能檢測非通信列車的準確位置，因此受擾區段將被認為是“未清掃的非通信障礙物(Unswept NCO)”，成為移動授權的限制。此時，一旦受擾區段的相鄰區段變為空閑，在通信列車清掃受擾區段后，將出現兩種可能：

(1)區段出清：區段對CBTC模式下列車運行沒有影響。

(2)區段繼續報告受擾：說明ACE主機出現不可恢復的故障。只要非通信列車不進入此區段或者相鄰區段，系統將認為是“Swept NCO”，不會影響CBTC模式下的通信列車運行。

正線ATC(列車自動控制)系統會采集與之相鄰的非ATC區域的邊界相鄰計軸區段/軌道電路，比如車輛段/停車場內方第一個區段，以及與其它線路接口的相鄰區段。在CBTC模式下，系統會根據外部相鄰區段/軌道電路的空閑狀態對ATC區域內的計軸區段故障狀態進行處理，只要非通信列車不占用相鄰區段，則不會影響正線。

2.2 折返區域計軸設備故障影響

在折返區域，道岔區段受擾將導致聯鎖系統激活相應道岔的過岔鎖閉功能以防止道岔動作，限制道岔轉動到相反位置的進路將不能被辦理，以避免發生安全問題。在降級模式下，由于道岔被過岔鎖閉鎖定在計軸受擾前的位置上，進而影響在此折返區域進行折返的列車。

在CBTC模式下，軌旁ATP子系統同樣也可以根據邏輯判斷折返區域的故障道岔區段是否為“Swept NCO”，允許列車正常通過受擾區段。但由于聯鎖系統的限制，如果需要將道岔扳動到相反的位置，需ATS(列車自動監控)操作員按照一定的安全流程進行操作，并結合計軸預復位的流程操作，快速恢復計軸設備故障和正常運營。

3 計軸設備故障處理操作

如何既能保證安全，又方便、快捷地復位計軸受擾區段，對于保證運營效率和線路安全意義重大。計軸受擾后的常規恢復手段是：對受擾區段先進行預復位；然后，通過列車清掃，或使用專用計軸清掃設備(車輪模擬器)，通過完成進入和離開計軸區段的相同輪軸數量的過程，來使受擾區段恢復正常空閑。

預復位操作的具體實現方式可分為4種：計軸主機機柜鑰匙本地預復位，車控室按鈕盤預復位，ATS遠程預復位+車控室按鈕確認，ATS遠程預復位+聯鎖系統使能確認。其中，推薦采用第4種方式，在保證系統安全的前提下，不需要中央調度員下放操作權限和車站值班人員的配合操作，操作靈活、方便快捷，可提高運營中的故障處理效率。

在運營過程中，應根據不同的計軸設備故障發生的情況和區域進行適當的操作處理。

3.1 受擾區段為“Swept NCO”

計軸區段受擾發生時，如果本區段和相鄰區段無列車占用，或者系統判斷區段內實際上無障礙物占用，則將其僅標記為受擾，為“Swept NCO”。為了恢復受擾區段，操作員需要遵行安全操作流程啟動計軸區段預復位以及清掃：

(1)授權的軌旁操作員確認計軸區段內的列車已經出清。

(2)對計軸區段進行預復位操作。如果支持遠程復位，可以由行調操作ATS命令對計軸區段進行預復位。

(3)計軸主機接受復位信號后執行區段預復位。

(4)依據安全操作程序，安排列車駛過計軸區段兩端的計軸點。

(5)成功清掃后，計軸區段將報告“空閑”，恢復正常。

3.2 受擾區段為“Unswept NCO”

計軸區段受擾發生時，如果本區段和相鄰區段有列車占用，或者信號系統無法判斷區段內是否有非通信障礙物存在，則將其標記為“Unswept NCO”。為了恢復受擾區段，操作員需要遵行安全操作流程啟動計軸區段預復位以及清掃：

(1)等待相鄰區段里的非通信列車離開，確認報告受擾區段的相鄰區段無非通信列車占用；授權的軌旁操作員確認計軸區段內的列車已經出清。

(2)對計軸區段進行預復位操作。如果支持遠程復位，可以由行調操作ATS命令對計軸區段進行預復位。

(3)計軸主機接受復位信號后執行區段預復位。

(4)依據安全操作程序，安排列車駛過計軸區段兩端的計軸點。

(5)成功清掃后，計軸區段將報告“空閑”，恢復正常。

假設清掃后計軸區段仍報告受擾，則可能是預復位沒有成功，或者計軸出現不可恢復的故障。這種情況下，如果使用的是非通信列車清掃，受擾的計軸區段將繼續報告“Unswept NCO”，將影響列車的運行，需要使用通信列車再次清掃。如果使用的是通信列車進行清掃，計軸區段將報告“Swept NCO”，不影響通信列車的運行。這種情況下，要防止非通信列車進入受擾區段及其相鄰區段，否則將又再次產生“Unsept NCO”，再次影響通信列車運行。

3.3 折返區域受擾區段處理

對于折返區域的道岔區段，如果需要改變道岔位置以支持折返進路的辦理，除了常規的計軸區段預復位操作外，還需要適當進行相應的道岔安全操作。

如果在故障恢復之前需要將道岔扳動到相反的位置，需ATS操作員先執行“取消過岔鎖閉”命令，當此命令被軌旁ATP子系統和聯鎖系統接受后，過岔鎖閉將在一個預定的時間內(如30 s)失效，道岔在這段時間內將被允許單操。計時結束后，過岔鎖閉功能將恢復激活。如果計軸設備故障未被及時恢復，或未及時進行計軸區段預復位操作，當為下趟列車排進路需要再次扳動道岔時，行調需要再次執行“取消過岔鎖閉”命令。

除非是不可恢復的故障，通常情況下在對道岔區段進行預復位操作后，只需要執行一次“取消過岔鎖閉”命令，第一列列車通過該區段后即可恢復故障。但是，如果運營中發生了不可恢復的計軸設備持續故障，并且非通信列車進入了受擾區段及其相鄰區段，就將再次產生“Unsept NCO”，并影響通信列車運行。實際運營中，這樣的情況發生后就會大大降低運營能力。所以，如何能夠盡可能地降低折返區域的計軸設備故障概率是保證信號系統可用性的有效手段。

4 折返區域計軸冗余控制方案研究

目前，為減小單套計軸設備故障影響范圍，通常在每個聯鎖區均配置有兩臺ACE主機，按上下行分開，中間的兩個邊界計軸點共享數據連接(見圖1)。這種配置中，若其中有一臺主機宕機(如A宕機)，相關道岔區段(G1、G2)變為占用狀態，相應的道岔將被激活的過岔鎖閉功能鎖定在道岔區段受擾前的位置，在特定情況下生成“Unswept NCO”后，就會對系統運營造成不利影響，甚至需要通過現場手搖道岔來維持運營。在CBTC技術逐漸成熟運用的情況下，這種情況發生的概率雖然不高，但一旦發生就很可能造成較嚴重的運營晚點。

圖1 典型折返站計軸配置示意圖

針對上述情況，對于折返區域單套計軸主機發生故障的場景，為保證不影響列車折返作業，提出了一種對計軸系統的改進方案。

4.1 關鍵區段冗余配置和計軸點復用

為提高計軸設備的可用性，將兩臺ACE主機對折返區域關鍵道岔區段(G1、G2、G3、G4)進行相互冗余控制，當其中一臺計軸主機出現故障時，因為另一臺主機正常工作，仍能正確輸出特定關鍵區段的狀態，保證道岔的可操作性，并支持折返作業正常進行。ATC系統可以正常檢測到區段的占用/出清狀態，不會影響系統的正常運行。對于故障的計軸主機，接收到ATS的預復位命令后，當檢測到列車通過相應的區段后，區段狀態完成清掃變為空閑，恢復正常。

此方案不會增加室內計軸主機數量和室外計軸點數量(每個計軸點數據可由兩臺主機共享)，但室內計軸機柜中需要分別增加需共享計軸點數量的串行板卡和兩個并行接口板。并行接口板輸出的占用/空閑狀態、受擾狀態和待清掃狀態可利用雙線圈繼電器冗余驅動(見圖2)。根據安全及可靠性評估情況，在關鍵區段，可由兩臺計軸主機內的并口板分別驅動單獨的軌道繼電器，并經硬件電路組合后輸入到聯鎖子系統設備，但其實現方式相對復雜。

在室外需要將關鍵區段相關聯的計軸點信息進行共享采集，對于下行計軸主機A需要增加冗余采集4個計軸點AC07、AC08、AC09和AC10的磁頭信息；對于上行計軸主機B需要增加冗余采集4個計軸點AC0、AC02、AC03和AC04的磁頭信息。

圖2 區段冗余控制示意圖(以G4為例)

4.2 冗余區段的復位

在冗余配置情況下，兩臺計軸主機應同時實現對特定區段的預復位功能。在ATS界面上操作遠程預復位后，ATS對計軸主機A和B中的冗余軌道區段對應的故障占用并口板發送預復位命令，完成對故障區段的預復位操作。只有相應區段故障的計軸主機會執行預復位命令，而工作正常、區段無故障的計軸主機在收到預復位信息時會拒絕此命令，不影響其正常工作。同時，必須在復位操作前確保沒有任何一個冗余區段是正常的占用狀態，否則，不應對其進行預復位操作。

對同一區段的預復位命令，ATS需實現該命令能被分別發送給兩個計軸主機，以保證預復位命令能被兩套主機執行。

5 結語

在CBTC系統中，原則上計軸設備故障不影響通信列車的正常運行，但計軸區段設備故障的快速、及時恢復對完善整體運營管理和提高故障處理水平至關重要，處理過程不僅要考慮系統安全，同時也要兼顧運營效率。在CBTC系統仍不能擺脫降級模式和軌旁占用監測設備的現狀下，探討和研究計軸設備故障和應用設計對所有地鐵運營項目和單位都有實際意義。本文提出的折返區域關鍵計軸區段冗余配置方案，只需在原有設計基礎上增加少量的板卡，便可提高折返區域計軸設備的可用性，對運營管理實踐有一定參考和借鑒意義。

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