朔黃重載鐵路移動閉塞信號顯示研究

張國強

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

客運高速化、公交化，貨運重載化、高密度是鐵路發展的方向。以大秦、朔黃、中南運煤通道為代表的重載貨運線得到高速發展。重載的特點是車列質量大、車列長，運行密度高，但運行速度在100 km/h 以下。由于車列質量大受牽引、制動力的影響速度的提升有限，為提高線路運輸能力高密度是有效手段之一。

移動閉塞（CBTC）起源于城市軌道交通，具有高密度、中低速的特點，發展迅猛且已較為成熟，中國列控系統（CTCS-3）具有高速度、高密度且已有幾萬公里的應用經驗，兩大主力系統各有特點不能完全適用與重載運輸。如果采用C3 模式，重載貨運運行速度不高；如果選擇CBTC 模式，城市軌道交通車站規模多數較小，正線無調車作業但重載線車站規模大調車作業很多。不加思考的全盤復制會留下安全隱患。

1 重載鐵路移動閉塞的安全薄弱環節

CBTC 代表的移動閉塞相當于中國列控系統（CTCS-4），更先進，因此重載移動閉塞按CBTC模式進行在技術上是先進的，CTCS-4 在國內還未投入商業運營，朔黃重載移動閉塞采用成熟的CBTC 技術。CBTC 系統工作正常時ATP 控車，當CBTC 故障后ATP 立即給出報警并退出控車,列車進入非受控狀態靠惰性運行，司機聽到報警立即確認地面信號、了解前方進路情況、做出判斷、發出操作，LKJ 設備接收司機操作，列車進入人工控車模式，列車重新進入受控狀態，這個時間段被稱為惰性運行期。惰性運行期的縮短就是行車安全的提升。惰性期是司機進入控車狀態的適應期，縮短適應期應提供司機易于識別的地面信號，完整的前方進路信息且提供的信息前后連續，方便司機做出判斷等。地面信號成為最佳承載者，但C3 客專地面信號常態是滅燈的，城市軌道交通CBTC 系統的地面信號機常態以滅燈為多，少部分常態開燈，以下將對移動閉塞時車載設備控車和移動閉塞故障后的人工控車兩種模式下的信號顯示與安全相關因素及安全可靠性進行研究。

2 地面信號機的設置與顯示

《重載鐵路鐵路設計規范》規定重載區段區間采用四顯示自動閉塞，站內采用計算機聯鎖，地面信號機常態點燈。信號機的每種顯示有具體含義是司機行車的憑證，配備有LKJ輔助駕駛系統，閉塞方式為固定閉塞（以下簡稱LKJ 模式）。

既有重載鐵路移動閉塞改造時不改變地面信號機的設置，地面信號不參加控車，新設CBTC 設備，車載ATP 控車、構建移動閉塞系統（以下簡稱CBTC 模式）。城市軌道交通CBTC 地面信號機的常態顯示有開燈、滅燈兩種；C3 客專常態滅燈，采用常態滅燈規避了由于點燈環節的故障造成地面信號機點紅燈、滅燈（視為紅燈）與車載設備的移動授權不一致執行誰的命令問題，但存在設備故障轉為LKJ 模式后地面信號點燈燈絲未得到連續監督、前方進路信息未預告等影響行車安全的因素。

2.1 站內、區間信號機點燈電路

現有地面信號機設置及顯示不變，CBTC 模式常態點燈，增加燈絲斷絲（含紅燈）時信號機點綠閃燈，預告信號機燈絲斷絲，列車按ATP 命令繼續行車。

2.1.1 站內點燈電路

站內點燈電路如圖1 所示。

CBTC 模式時CBI 驅動綠閃繼電器（LSJ），驅動邏輯為：平時LSJ ↓。

圖1 進站信號機點燈電路圖Fig.1 Light-on circuit diagram of home signal

區間時：①采集到點H 燈條件滿足但DJ ↓。②采集到點L 或U 燈條件滿足但DJ ↓，滿足其一驅動LSJ ↑。

站內時：①采集到LXJ ↓, DJ ↓。②已選出列車進路，采集到DJ ↓,又取消LXJ 驅動吸起命令。滿足其一驅動LSJ ↑。

2.1.2 區間點燈及閃光電路

圖2 區間信號機點燈電路Fig.2 Light-on circuit of section signal

圖3 閃光電路圖Fig.3 Flash light circuit

區間信號機當紅燈燈絲斷絲時點L 閃，允許燈光斷絲時按四顯示自動閉塞規定處理（或按此電路原理進行修改也點L 閃）。區間點燈電路如圖2 所示，閃光電路如圖3 所示。光，綠閃表示信號機燈絲斷絲（允許燈光或紅燈燈絲），此時ATP 控車地面信號顯示僅起預告作用，規避了地面信號顯示與移動授權不一致問題。在C3模式，200km/h 的速度下人已無法確認信號，但重載鐵路閉塞運行速度在100 km/h 以下時司機可以清楚的確認地面信號，從信號顯示司機可以獲取很多與安全相關信息，有利于提高行車安全，這也是CBTC 模式常態開燈可行之一。

2.2 常態開燈的合理性

正在運營的大秦、朔黃、中南運煤通道均為常態開燈顯示LKJ 模式，已有大量建設、管理經驗可利用。重載移動閉塞首次在既有重載線路上使用，按更新改造的方式進行，既有設備的利舊是必須考慮的問題，把既有設備做為后備模式是投資最省的方案之一。

CBTC 系統的改造地面需裝設許多設備，同時機車上也須配備專門車載設備，現場機車會存在裝車載設備或未裝車載設備的兩種車，一定時期內有裝備車與無裝備車混和在線運行，非裝備車LKJ 模式，地面信號顯示只能是開燈；有裝備車在線運行時突然故障轉LKJ 模式時，及時準確的確認地面信號非常重要，CBTC 狀態常態點燈可以預告前方閉塞分區數，進路是正側線、道岔定反位，這些信息可以幫助司機及時安全操控列車。

信號機現行顯示在各自的模式下均符合現行標準，CBTC 模式下增加綠閃燈

3 移動閉塞（CBTC）模式信號顯示與安全因素分析

如圖4 所示，以重載最常見的信號平面圖為例進行討論。

圖4 信號平面圖Fig.4 Plane layout of signals

3.1 移動閉塞（CBTC模式）信號顯示與安全相關因素分析

如表1 所示可以看出，平時點燈的方式有預告前方進路情況，連續監督燈絲斷絲兩大優點，這個優點對人工操控機車非常有利，但CBTC 狀態是ATP 控車，此優點未能發揮作用。平時開燈方案燈絲繼電器得到連續監督，這對非裝備車，CBTC 故障后的LKJ 控車模式很有利，ATP 控車是安全可靠的，安全值也是惟一的定義為RCBTC。

表1 移動閉塞（CBTC模式）信號顯示與安全相關因素分析表Tab.1 Analytical statement of signal aspect and safety-related factors of moving block (CBTC mode)

3.2 移動閉塞轉為固定閉塞信號顯示與安全相關因素分析

CBTC 系統或車載故障均迫使移動閉塞轉入后備LKJ 模式，非裝備車的在線使用都依賴于地面信號，信號顯示是影響LKJ 模式行車安全的主要因素如表2 所示。

3.3 CBTC模式常態開燈滅燈對行車安全的影響分析

CBTC 系統工作正常時列車是由ATP 控制，安全可靠性由設備決定，當CBTC 系統的任一部分故障，ATP 停止工作，發出CBTC 故障報警，列車進入非受控狀態，此時司機尚需確認地面信號顯示、大腦做出判斷、做出控車決定，操作LKJ 設備進入人工控車狀態，列車重新進入受控狀態，此階段列車靠慣性運行，稱為惰性期。惰性期列車運行處于非受控狀態行車安全受到極大威脅，縮短惰性運行時間即可提高行車安全。

3.3.1 縮短惰性期的措施

惰性期的長短與地面信號顯示的提供速度、燈光顯示是否有變化（快速提供信號環節）、燈光變化是否應人眼的識別（快速燈光識別環節）、安全信息的事前預知有利于司機盡快做出判斷并付諸實施（快速判斷力）3 環節直接相關，3 環節順序發生為串聯邏輯關系，其拓撲圖如圖5 所示。

用可靠性指標來描述系統的安全可靠性，λ 表示失效率 ，R 表示可靠性， 可靠性與失效率關系：R =1/λ。

串聯系統的可靠性R=R1×R2×R3。

圖5 列車惰性期運行拓撲圖Fig.5 Topological diagram of train operation in coasting period

常態開燈： λk1表示常態開燈的λ1環節的失效率；λk2表示常態開燈的λ2環節的失效率；λk3表示常態開燈的λ3環節的失效率。

常態滅燈：λm1表示常態滅燈的λ1環節的失效率；λm2表示常態滅燈的λ2環節的失效率；λm3表示常態滅燈的λ3環節的失效率。

3.3.2 惰性期影響安全因素分析

1）快速提供信號環節

λ1: 如果點燈電路，燈泡燈絲完整可以保證燈光立即點亮，實現快速提供信號功能。

常態開燈：有燈絲監督時，燈絲提前得到監督，燈泡斷絲不能點亮燈的可能性小，點燈失效率小 λk1小，Rk1大；常態滅燈：無燈絲監督，需點亮紅燈時不能點紅燈，司機找不到停車位置，可能冒進信號或追尾，λm1大Rm1小。

2）快速識別信號環節

λ2：根據醫學理論人眼確認常亮燈燈光顏色變化≤10 s，肉眼首次確認從滅燈到點亮的燈光≤15 s，λ2與確認信號時間成反比，即常亮燈更有利于肉眼識別。

常態開燈：長亮燈光系統λk2小Rk2大；常態滅燈：長滅燈突然點亮燈系統λm2大Rm2小。

3）快速判斷環節

λ3： 前方進路情況有無預告對人的判斷影響巨大，早知道進路前方的閉塞分區數、經過的道岔直彎股思想壓力小，連續的看到信號，有利于做出正確判斷。

常態開燈：有前方進路情況預告λk3小可靠性Rk3大；常態滅燈：無預告不知道進路前方的閉塞分區數、經過的道岔直彎股，突然看到信號，司機思想緊張不利于做出正確判斷，λm3值大可靠性Rm3小。

從 以 上 分 析 可 以 得 出λk1≤λm1，λk2≤λm2，λk3≤λm3, 即Rk1≥Rm1，Rk2≥Rm2，Rk3≥Rm3，Rk=Rk1× Rk2× Rk3，Rm=Rm1× Rm2×Rm3，Rk≥Rm。

理論計算表明，常態開燈模式的安全可靠性高于滅燈模式。

4 重載移動系統安全可靠性分析

4.1 重載移動閉塞系統可靠性分析

重載移動系統由CBTC 模式和LKJ 模式兩部分構成，其系統安全可靠性拓撲如圖6 所示，兩部分為并聯，根據可靠性理論整個系統可靠性R1是CBTC 模式ATP 控車其為固定數值RCBTC，R2為LKJ 模式人工控車的安全可靠性。R 公式類似于其中y=R，a=RCBTC，x=R2。可以改寫為其函數的曲線（如圖7 所示）從函數圖形可以得到以下結論：當LKJ 模式可靠性為0 時，整個系統可靠性為0；LKJ 模式可靠性為∞時，整個系統可靠性為(a= RCBTC)CBTC 的可靠性；LKJ 模式的安全可靠性提高就是整個系統安全可靠性的提高。

圖6 系統可靠性拓撲圖Fig.6 System reliability topological graph

圖7 系統可靠性函數圖形Fig.7 System reliability function graph

4.2 重載移動閉塞系統LKJ模式可靠性分析

前述縮短惰性前就是提高系統的安全可靠性，列車惰性期運行拓撲如圖5 所示，從感性的理解縮短惰性期就是幫助司機盡快進入控車狀態。從列車惰性期運行拓撲圖中知道常態開燈的CBTC 系統提供的地面信號顯示有助于司機實現前述目的。3個環節常態開燈都優于常態滅燈，3 要素是乘積關系，開、滅燈對乘積值是相關，開燈對3 個要素都是正相關，開燈增大了3 環節的安全可靠性，開燈模式能縮短惰性運行期，常態開燈的CBTC 模式安全可靠性大于常態滅燈的CBTC 模式。

從圖6 知道LKJ 模式的可靠性值為R2，影響R2的因素（如圖5 所示）Rk1≥Rm1，Rk2≥Rm2，Rk3≥Rm3，則Rk=Rk1× Rk2× Rk3，Rm=Rm1×Rm2×Rm3，即R2開燈大于滅燈。

理性的計算Rk≥Rm，常態開燈的CBTC 模式安全可靠性大于常態滅燈的CBTC 模式。

5 結束語

增加L 閃解決了常態開燈時，由于點燈環節故障造成的紅燈與移動授權沖突問題，以上分析證明重載移動閉塞常態開燈模式安全可靠性大于常態滅燈的模式，應在重載移動閉塞系統中推薦常態開燈信號顯示方式。