CBTC信號系統在城軌快慢車模式的應用

馮珺

（上海電氣泰雷茲交通自動化系統有限公司，上海 201206）

隨著城市軌道交通的不斷發展，城市中心與副中心的聯系越來越緊密，軌道交通列車的 “大站停”與“站站停”組合運行方案（即快慢車運營方案）應運而生。以廣州地鐵14號線為例，從化市是廣州市下轄的一個縣級市，與廣州市中心之間有較大的直通客流，且直通距離較遠，因此需要開通直通快車，將其之間的旅行時間控制在60 min以內。同時，從化市到市中心附近又有一定數量的客流需求，因此需要開行站站停的普通慢車。為適應以上客流特點，14號線采用快、慢車混合運營的方式是合理的、必要的。

1 快慢車線路對信號系統的特殊需求

廣州市軌道交通14號線信號系統采用上海電氣泰雷茲無線CBTC系統（以下簡稱CBTC）。該CBTC系統使用地面和車載硬件實現列車自動防護（ATP）、列車自動運行（ATO）和列車自動監控（ATS）的功能，并實現預期的列車運營間隔。相對于通常的站站停的運營模式，快、慢車混合運行的方案對信號系統有如下的特殊需求。

需要高級的ATS功能來支持快、慢車運營的復雜運營場景。ATS采用不同的標識來明顯區分快慢車，為快車、慢車分別安排不同的運營計劃；在一定的干擾范圍，如一定的晚點范圍內，自動或根據值班員制定的調整策略自動進行快慢車的運營調整，確保列車按照運營計劃運營；在嚴重干擾情況下，提供靈活的人工調整策略；為外部系統如乘客信息系統提供精確的列車計劃及實際運行信息，確保整個地鐵系統的有序運轉。

專門針對快、慢車運行的報表及統計功能需如實反映真實的運營狀態。

需要ATP提供高效的系統追蹤能力，以確保列車在越行車站的安全與效率。

需要ATO支持快慢車的不同運行曲線，為旅客提供舒適的服務，并實現節能。

2 快慢車運營方案

廣州地鐵14號線采用快、慢車（普通車）運行模式。快車和慢車使用不同的區間速度曲線，最高速度120 km/h。快車僅在大站停靠，快車和慢車在快車停靠站使用相同的站臺，但使用不同的停站時間。最大系統能力24對/小時，快慢車比例采用1：3或1：2。快車采用定點發車，發車間隔固定；慢車利用快車間隔開行，發車間隔根據客流情況及線路能力調整。配置越行站（雙島四線或單島四線），越行線兼作故障停車線。實施越行避讓管理，保證快車優先。

在運營發生異常情況時，列車會發生晚點，信號系統將提供自動調整功能。通過調整區間運行時分和停站時間，讓列車自動回歸到正點運行情況；如果晚點的時間在系統可調節的范圍內，由ATS的自動調整功能來恢復正常運行圖。如果列車嚴重晚點，通過ATS自動調整難以恢復正常運行圖，信號系統提供班次偏移、重新匹配、重新分配和修改運行圖的手段，使列車恢復正點運行；或者使用系統提供的等間隔調整模式，普通多交路混合列車運行，使得在故障情況下，依然能夠滿足客運組織的要求。

如果某一越行站的避讓線（/越行線）因故阻塞，系統提供交路轉換功能，信號系統指揮列車有效利用越行線（/避讓線）進出越行站。在故障情況下，能夠維持原計劃交路，滿足運營組織要求。

每一列列車都有一個識別碼，該識別碼由ATS自動分配，其中包含一位列車類型碼，用來識別該列車是快車還是慢車（普通車）。上海電氣泰雷茲的CBTC系統中， “K”表示快車，“P”表示慢車。ATS系統還可以根據運營需要，進行運行線的變換，進而保持快慢車1：3比例或1：2比例。

2.1 CBTC系統對于快慢車運行線的定義

1）快車運行線

快車運行線路只在大站（停靠站臺）才停靠，在非大站時直接通過，同時在越行站臺設置側向過道道岔。如圖1所示，當越行線發生故障，或者其他列車在越行站臺臨時停車時，快車可以自動使用越行站的避讓線快速通過越行站臺。

2）慢車運行線

慢車運行路線在每站均要停靠，同時在越行站臺設置側向過道道岔。如圖2所示，當越行線發生故障，或者其他列車在越行站臺臨時停車時，慢車可以使用越行線自動過越行站。

3）臨時小交路運行線

ATS系統預定義了用于任意兩個折返站之間的運行線，該運行線用于臨時小交路運行線。如果在運營中發生共線區段阻塞，調度員將通過ATS系統將運行模式轉換為站站停運行模式，并按照阻塞位置，選擇相應的臨時小交路運行。

4）運行線轉換

信號系統使用運行線轉換功能可以將一列車或所有列車從已分配的運行線自動進路到臨時運行線上，在不取消原有運行線的情況下，自動排列新的進路，繞過問題軌道區域。

2.2 交匯避讓場景

如圖3所示，調度員可為每個交匯避讓區域選擇按照計劃順序/按照列車先后順序出交匯避讓區域。

交匯避讓管理用于使快慢車按照設定的順序通過越行站，并最小化列車停在站臺之外的幾率。默認情況下，交匯避讓區域使用“計劃優先”策略。

交會避讓場景1：快車輕微晚點。如圖3所示，鐘落潭為固定越行站。在快車晚點的情況下，如果慢車進入接近區域2后，快車已進入其接近區域1，系統將指揮慢車在鐘落潭4延時避讓，快車依然優先通過。否則，T2停站結束后不避讓快車，優先發車。快車在下一個越行站實行越行。通過性能分析結果，如果快車晚點超過2 min, 將影響正常的開行比例，即慢車在站臺的最大等待時間為2 min。

交會避讓場景2：快車嚴重晚點。如果按計劃快車應該在鐘落潭的上一個越行站太和越行慢車，但因為快車嚴重晚點越行失敗，發生在本越行站快慢車間隔很近的情況。在慢進入接近區域2時，快車已進入其接近區域1，系統將指揮慢車在鐘落潭4延時避讓，讓快車T3優先通過。

交會避讓場景3：普通車晚點。如果按計劃快車并不會在鐘落潭越行慢車，但因為慢車晚點，在慢車進入接近區域2后，系統檢測到快車進入其接近區域1，但慢車計劃優先于快車，系統將指揮快車等待，讓慢車先行。

3 故障場景分析

3.1 列車晚點

ATS可以自動調整停站時間或者ATS自動調整速度曲線。如果晚點的時間不長，可以不需要調度員的介入，僅僅通過ATS系統的自動調整就可以恢復時刻表運營。

3.2 嚴重晚點

在這種情況下，每一站臺的停車時間將被分配到ATS系統設置的最小停站時間，站臺之間的列車運行速度將被分配到ATS系統設置的最快運行速度，需要調度員人工取消列車原來的班次，然后依據時刻表重新為列車分配最接近準點的班次，以滿足快慢車的運營比例。

3.3 越行站越行線阻塞

越行站的越行線阻塞后，調度員可對快車進行運行線偏離，偏離后，ATS將指揮快車自動從避讓線通過此站，繼續保持列車快慢車模式運行。

3.4 其他共線區域線路故障

由于極端故障導致的共線區域線路阻塞，例如道岔故障、供電故障、軌道斷電等，列車無法繼續保持快慢車模式運營，調度員需要采取取消已有的列車班次、分配臨時運行線、至故障排除、恢復正常運行交路、再恢復至時刻表順序的控制策略。可以有下面幾種策略。

方案一：在折返站為列車依次分配快、慢車班次。

方案二：為列車就近分配班次，并在下一站停靠，完成清客。

方案三：上下行折返站分別連續發出四輛快車，優先恢復快車運營。

方案四：系統扣車，由調度員為停站列車就近分配快慢車班次。

3.5 ATS故障

正常情況下，ATS為中央控制模式，本地ATS故障，并不會影響運營。如果中央ATS服務器發生故障， ATS就由中央控制模式轉換為本地站控模式。本地站控模式下，ATS和車載系統不通信，快車無法接收中間站的跳停命令。此時，調度員可通知司機將快車轉成ATPM模式，人工駕駛列車跳站，繼續保持快慢車模式運行。

3.6 軌旁移動授權設備故障

當軌旁移動授權設備故障后，調度員可將故障區轉為后備模式，采用點式后備模式駕駛。離開故障區域后，列車恢復正常模式駕駛。

4 快慢車運營仿真

上海電氣泰雷茲CBTC系統的設備模擬軟件（ES）可以仿真廣州14號線的運行情況以及用于驗證故障場景下的快慢車調整及恢復能力。仿真的數據使用真實的廣州地鐵14號線ATS數據庫、VOBC車載數據庫、MAU軌旁信號設備數據。實驗室設備包括：ATS測試平臺、MAU軌旁設備測試平臺、VOBC車載設備測試平臺和環境仿真器，如圖4所示。

在模擬過程中，慢車避讓快車過程分3步：當快車追蹤慢車間隔接近90 s時，慢車側向進避讓站，停站上下客并避讓準備追上的快車；快車利用正線限速通過車站，慢車繼續避讓快車；至快車離開車站60 s后，慢車停止避讓，側向出避讓站。

仿真模擬可動態生成全線列車運行圖，通過生成的列車運行圖可核算實際運行與計劃運行之間的差異，驗證行車組織的合理性。通過生成的運行圖分析，如圖5所示，14號線快慢車模擬運行圖與設計運行圖保持一致，列車到發車站的時刻均能按照計劃進行。

通過仿真模擬，可直觀的反應出前后幾列車的追蹤間隔，包括慢車與慢車之間、慢車與快車之間、快車與快車之間的追蹤間隔如圖6所示。根據運行計劃，兩列快車之間的發車間隔為10 min，通過仿真，可知仿真過程中兩列快車間的追蹤間隔保持10 min不變，說明快車的運行可以完全按照計劃進行。在快車追蹤慢車間隔分析中，快車追蹤慢車的間隔由負變正，說明了快車逐步追上慢車的過程。快車追上慢車并在避讓站越行后，與慢車的間隔逐步變大，快車在越行慢車后速度優勢仍在體現。

另外,針對極端故障導致的共線區域線路阻塞的故障恢復也進行仿真，按照快慢車1：2仿真比例，上線28列列車計算，4種方案對比如表1所示。

表1 4種方案對比Tab.1 Comparison among four schemes

從仿真結果看，小交路運營線路非常靈活，由小交路恢復大交路的過程中，正線與支線開行比例需要調度員人工進行調節，恢復時間隨交路不同差異很大；由大交路站站停恢復至快慢車模式的恢復時間普遍較長，綜合乘客乘車體驗及調度人員操作難度，方案一及方案二較為理想。

5 結束語

以廣州地鐵14號線為例，研究CBTC信號系統在城規交通快慢車模式下的應用，分析快慢車系統對CBTC信號系統的特殊需求，討論廣州地鐵14號線的快慢車運營方案，對快慢車運行線的定義，特別是對交匯避讓管理進行了不同場景的描述。對于運營時可能會發生的故障場景分別進行了分析。最后通過CBTC仿真軟件進行了系統運營性能和故障的調整方案的模擬驗證，說明CBTC信號系統在廣州十四號線的快慢車配置可滿足快、慢車運行要求，是可行的。