城市軌道交通信號系統中應答器的布置方法*

趙德生 薄宜勇

(南京鐵道職業技術學院通信信號學院，210031,南京∥第一作者，講師)

在城市軌道交通信號系統中，CBTC(基于通信的列車控制)系統作為目前主流的信號控制系統已被多家地鐵公司所采用。為了提高可靠性并保證行車安全，CBTC系統通常具有3種運行模式：CBTC模式、點式ATP(列車自動防護)模式和聯鎖模式[1]。多數情況下，均以CBTC和點式ATP為主要控車模式。在這兩種模式中均用到了應答器，因此應答器的布置是否合理，直接關系到城市軌道交通的運營效率及行車安全。本文主要以歐式應答器為例，對應答器在線路上的合理布置進行了詳細研究。本研究可為信號系統的工程圖紙設計提供理論基礎。

1 城市軌道交通控車模式

1.1 CBTC控車模式

CBTC控車模式示意圖如圖1所示：CC(車載控制器)通過軌旁無源應答器和測速電機計算列車的當前位置，CC將列車位置信息通過無線傳輸發送給ZC(區域控制器)，ZC計算移動授權并發送給每個車載，同時ZC也將列車的位置信息送給ATS(列車自動監控)，最后由CC計算出列車制動曲線，從而實現列車間的移動追蹤。

圖1 CBTC控車模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of CBTC mode

1.2 點式ATP控車模式

當車-地通信設備、軌旁ZC設備故障以及其他原因導致的連續式ATP功能喪失時，轉為點式ATP控車模式[2]。此時，系統通過信號機旁的有源應答器將報文信息發送給車載控制器，車載控制器生成速度-距離控車曲線(正方向上，從本架信號機到次一架信號機)。點式控車曲線示意圖如圖2所示。如果信號機S1開放，速度-距離曲線1將通過有源應答器B1傳輸給列車，有源應答器B2和B3被安裝在信號機S2之前的安全制動距離外。由于以信號機S2為始端的進路有2條，所以需要2個有源應

圖2 點式控車曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of punctual train control curve

答器，且由聯鎖設備根據S2的顯示進行控制。

當列車按照速度曲線1行駛并接近信號機S2的位置時，列車讀到了有源應答器B2或B3。當信號機S2開放綠燈(直向進路)，列車讀取B2所傳送的報文信息，并按照速度曲線2以最大線路速度運行到下一站停車。當信號機S2開放黃燈(側向進路)，通過有源應答器B3的報文，列車將釋放速度曲線1并按速度曲線3行駛，速度曲線3將使列車減速通過道岔運行至信號機S4。當信號機S2關閉(顯示紅燈)時，列車將被迫在信號機S2處停車。此種情況下，當信號機S2顯示綠燈或黃燈時，列車會讀取到有源應答器B4或B5所傳送的信息。當列車讀取到B4所傳送的信息后，列車按速度曲線3(通過道岔反位)行駛到信號機S4處; 當列車讀取到B5所傳送的信息后,列車按速度曲線2行駛到下一個出站信號機處。

2 有源應答器的布置

應答器按照報文是否可變，可分為無源應答器和有源應答器。無源應答器又稱固定應答器，有源應答器按用途分為主應答器和填充應答器兩種。固定應答器報文不可變，主應答器與填充應答器報文可變，主應答器布置在其對應的信號機外方，填充應答器布置在主應答器外方[3]。

2.1 主應答器布置

在具備正向通過能力的信號機前方布置有源應答器，以保證列車通過此應答器時，可以獲得有效的點式移動授權。

2.1.1 主應答器至計軸點的距離計算

信號機外方的有源應答器與內方計軸點的距離因項目的不同而存在差異。但在工程設計時，通常都要考慮以下幾個因素：列車篩選距離、系統延時走行距離、應答器安裝誤差及旁瓣誤差、應答器天線至車鉤距離等。

2.1.1.1 列車篩選距離

為確保行車安全，從非CBTC列車轉換到CBTC列車的過程中，需要一個篩選過程，對于已經定位的列車，在接近或者離開計軸點時，如果與相鄰計軸分隔點的距離小于最小列車長度且相鄰區段空閑，則該列車可以確定為在其兩端沒有隱藏其他車輛[4-5]。列車篩選示意圖如圖3所示，其中，l1和l2分別為車頭和車尾的列車篩選距離。列車篩選距離是有源應答器至計軸點距離的重要參數之一。

圖3 列車篩選示意圖Fig.3 Schematic diagram of train selection

2.1.1.2 系統延時期間的走行距離

計算主應答器至信號機內方計軸點距離時，還需要考慮系統延時所產生的距離。系統延時主要包括計軸從出清到占用的系統檢測延時時間ta(包括設備變化及聯鎖檢測時間)、聯鎖信息到應答器的寫入時間tw以及CC處理延時時間tc(包括應答器讀取時間以及內部處理時間)等。

1) 計軸從出清到占用的系統檢測延時。主要包括計軸設備由出清到占用的反應時間t1、聯鎖I/O(輸入/輸出)口輸入采集的最大延遲時間t2、主備同步時間t3、聯鎖處理時間t4、平臺對聯鎖I/O口輸入的寬恕時間t5[6]，總計軸延時時間為：

ta=t1+t2+t3+t4+t5

(1)

2) 聯鎖信息寫入時間。歐式應答器通過LEU(軌旁電子單元)方式寫入，包括LEU采集軌旁信號設備信息且處理完成時間、LEU寫入應答器時間，該延時時間即為tw。

假設延時期間，列車以RM(限制模式)行進時的速度定義為vrm，同時，考慮安全速度余量為5 km/h時的車速vr=vrm- 5 km/h，則在延時期間內，列車的走行距離為：

lrm=vr(ta+tw+tc)

(2)

2.1.1.3 最大距離的確定(應答器至計軸)

應答器安裝位置如圖4所示。假設車鉤到應答器天線中心的距離為lh，應答器的讀取旁瓣誤差與安裝誤差之和為Δb；列車篩選距離為lf，則主應答器至信號機內方計軸點的最大距離lmax為：

lmax≤lf+lh-Δb-vr(ta+tw+tc)

(3)

圖4 應答器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of balise installation

2.1.2 主應答器至道岔尖端的距離計算

點式ATP發車時，列車以系統限定的釋放速度前行讀取與信號機關聯的有源應答器，如CC在軌道數據庫定義的位置未讀到允許信息時，CC將立即施加EB(緊急制動)。CC判定未讀到應答器信息時，則需考慮列車定位誤差、應答器安裝誤差、讀取窗口范圍、應答器讀取和處理時間等因素。點式釋放期間，若司機闖紅燈，列車實施緊急制動后停車，為防止列車停車后不會壓入道岔岔尖而引起側翻掉道或列車停車后進入岔后超限等其他危險區域，必須合理設置主應答器距離信號機內方第一道岔岔尖的距離，如圖5所示。設置該距離時需要考慮多種參數，列車最大牽引加速度、應答器讀取旁瓣誤差、應答器安裝誤差、列車車鉤到第一輪對距離、列車車鉤到天線中心距離、CC處理周期等等。

圖5 應答器與道岔距離示意圖

假設列車的最大牽引加速度為amax；點式釋放時的防護限速為vfr，該速度的設定需要滿足ATO(列車自動駕駛)以及司機人工最低可控運行速度的要求，考慮可用性情況下的ATP安全防護速度最小值為10 km/h，根據ATP推薦速度與安全監督速度間的余量(取典型值為5 km/h)，可計算出列車的推薦速度v1為：

v1=vfr-5 km/h

(4)

主應答器到進路內第一道岔區域范圍內的最大坡度所引起的分量加速度為：

ag=9.8vm

(5)

式中:

vm——列車最大下坡速度，km/h；

ag——加速度，m/s2。

CC以推薦速度通過有源應答器，若列車未讀取到有效的報文信息，則觸發緊急制動至停車。在整個過程中，需整體考慮以下因素：

1) 列車車鉤到天線中心距離la。

2) 應答器讀取旁瓣誤差以及安裝誤差之和Δ1。

3) 信標讀取延時期間走行距離lb，其表達式為：

lb=v1(tzy+tcy)

(6)

式中：

tzy——從應答器讀取設備獲取到報文信息至交由ATP業務軟件的最大延遲；

tcy——CC獲取到有源應答器信息后的處理延時。

4) CC以推薦速度通過有源應答器后，若未讀取到有效的報文信息，列車會觸發緊急制動，從制動至停車的走行距離為lc。參照制動模型可知，制動過程包括加速、惰行和制動3個階段。

加速階段，走行距離lj即列車由速度v1加速到速度v2時所走行的距離，列車走行時間為te1(加速階段時間)。

惰行階段，走行距離ld即列車由速度v2加速到速度v3時所走行的距離，列車走行時間為te2(惰行階段時間)。其中，v2的計算公式為：

v2=v1+te1(amax+ag)

(7)

制動階段，走行距離lz即列車由速度v3降至0時所走行的距離，列車走行時間為te3(減速階段時間)。其中，v3和lc的計算公式分別為：

v3=v2+agte2

(8)

(9)

式中：

an——減速度。

5) 列車車鉤到第一輪對的距離ld。

6) 道岔岔尖到超限邊界點或轉換梁等危險點處的距離le。

綜上所述，點式釋放期間，若司機闖紅燈，列車實施緊急制動后停車：

1) 對于信號機內方第一區段是岔前的信號機，為防止列車未停車前車輪壓入岔尖引起側翻掉道等危險，要求主應答器到信號機內方第一道岔岔尖的距離應不小于la+Δ1+lb+lc-ld。

2) 對于信號機內方第一區段是岔后的信號機，為防止列車停車后進入岔后超限區域對其他列車造成危害或進入轉換梁等危險區域，主應答器到信號機內方第一道岔岔尖的距離還應考慮岔尖到超限邊界點或轉換梁等危險點的距離，即主應答器到信號機內方第一道岔岔尖的距離應不小于la+Δ1+lb+lc+le。

2.2 填充應答器的布置

填充應答器布置的目的是保證列車能以較高速度通過填充應答器所在的區段。填充應答器到主應答器之間的距離，應滿足列車在通過填充應答器獲得移動授權延伸時，不出現因非線路限速原因的減速。

圖6 填充應答器與信號機距離示意圖Fig.6 Schematic diagram of the distance between infill balise and signal machine

1) 填充應答器至信號機距離。填充應答器與信號機距離示意圖如圖6所示。其中：ly-x為填充應答器與信號機之間的距離，lx-x為信號機之間的距離。若填充應答器只預告單條進路，則填充應答器至信號機距離應小于2個信號機之間的距離；若填充應答器到下游始端信號機的距離超出了以此信號機作為終端信號機的進路長度，則下游進路可使用上游進路的主應答器作為填充應答器, 這種情況下，設計人員需進一步驗證點式運行能力是否滿足項目的要求。

2) 填充應答器至計軸距離。為防止列車讀取到填充應答器信息后，出現列車點式移動授權未回撤而發生列車闖入前方解鎖進路的危害，具備點式功能的進路上游最遠處的填充應答器應在該進路的接近區段范圍內，填充應答器到關聯信號機計軸的最小距離lmin需根據能力分析的計算結果給出。填充應答器與計軸點距離示意圖如圖7所示。

圖7 填充應答器與計軸距離示意圖

由圖7可知，填充應答器的布置位置應至少考慮應答器的讀取延遲、CC處理延時、接近區段安全制動距離以及ATP安全余量等問題。此外，填充應答器與計軸的距離應小于接近區段長度，且應大于應答器讀取延遲走行距離、CC處理延時走行距離、接近區段安全制動距離、信號機至關聯計軸距離以及ATP安全余量距離之和。

3 無源應答器的布置

城市軌道交通中的無源應答器主要用于列車定位、輪徑校準、站臺精確停車等，為避免兩相鄰應答器相互干擾，相鄰應答器間的距離通常大于5 m。

3.1 轉換軌上的無源應答器布置

首先，考慮到列車出段時，其在轉換軌區域完成升級需要實現輪徑校準、列車定位及列車篩選功能，列車在讀到定位初始化應答器前，應保證列車已完全位于轉換軌區段內。其次，考慮到應答器干擾，定位應答器間距應不小于5 m，轉換軌應布置至少2個定位應答器以完成列車的定位功能[7]。最后，考慮到讓列車在轉換軌即可進入CBTC控制等級，距離轉換軌出段方向末端計軸點最近的定位應答器到該計軸點的距離lbc，應大于應答器讀取延遲距離、CC處理延遲距離、CC與ZC建鏈時間走行距離以及第一輪對到查詢機天線的距離之和(僅適用于查詢機天線安裝在相對第一輪對遠離車頭位置的情況)。轉換軌的典型布置如圖8所示。其中：FB1與FB2為定位應答器，完成初始列車的定位，列車讀取定位應答器FB2后完成定位，與ZC建鏈或通過主應答器VB獲取前方進路信息后可完成車頭篩選，實現以CBTC模式或點式模式進入正線的條件；WB1與WB2為輪徑校準應答器，能夠實現輪徑校準功能(WB2可兼做初始化定位應答器)。

圖8 轉換軌上的應答器布置示意圖

為保證輪徑校準結果的正確性，需保證列車在經過兩個輪徑校準應答器時，能夠保持勻速不打滑惰行前進。因此，輪徑校準信標應至少設置在坡度不大于18‰且曲線半徑不小于300 m的線路處[8]，輪徑校準應答器間不宜布置信號機。當轉換軌坡度大于18‰或曲線半徑小于300 m時，若出入場、段信號機差置，則可將輪徑校準信標布置在場、段內與轉換軌相鄰的坡度較小的無岔區段上；若距離不滿足，可延至轉換軌上(輪徑校準首個信標布置在場內無岔區段上，第2個信標布置在轉換軌上)。當轉換軌坡度大于18‰或曲線半徑小于300 m時，若出入場、段信號機并置，則轉換軌上不宜布置輪徑校準信標，輪徑校準信標建議布置在場、段轉換軌與第一站臺間坡度較小的無岔區段上。

3.2 用于精確停車的應答器布置

在有精確停車需要的區域，為保證ATO停車精度要求，需在距離列車停穩后應答器天線中心位置范圍內布置至少1個應答器以校準列車位置，該位置范圍大小為ATO停車精度與列車位置測量誤差的比值。通常情況下，ATO停車精度取為0.3，根據T/CAMET 04018.1—2019《城市軌道交通CBTC信號系統規范第1部分：ATP子系統》，列車位置測量誤差取為±2%，則該位置范圍為7.5 m。

3.3 用于區間定位的應答器布置

為滿足列車的定位要求，需要在區間上布置無源應答器。2個無源應答器間的最大距離應滿足：在即使丟失1個定位應答器的情況下，測距誤差也不會大于最大允許的測距誤差。在區間故障重啟、接近前方信號機時，為使故障列車能完成定位功能，除將此主應答器VB兼做定位應答器使用外，還需要在主應答器VB上游布置1個無源應答器FB，為了防干擾，此無源應答器距離主應答器應不小于5 m。

4 歐式應答器與美式運態信標的區別

針對有些項目應用美式動態信標，其設置方法大同小異，但存在些許差別。

1) 歐式應答器，其有源應答器同時也可作為無源應答器供重定位使用，因此在平面圖布置時應考慮該種情況。美式動態信標無法作為重定位信標使用，因此在布置區間重定位信標時，不需要考慮其重定位屬性。

2) 每個美式動態信標(有源應答器)只能關聯1條進路，因此當涉及到多條進路的情況時，使用美式動態信標的項目需依據實際進路情況設置同樣數量的動態信標。

5 結語

為保證行車安全，在布置應答器時需充分考慮系統延時、讀取誤差、安裝誤差、定位誤差、安全余量、線路參數、車輛參數、電磁干擾等多方面因素。本文詳細研究了城市軌道交通中各類用途應答器的布置方法，可為信號工程設計人員和運維人員提供有效的技術參考。