列車占用檢測設(shè)備在信號系統(tǒng)中的應(yīng)用及取消的可行性研究

朱仰瑞

摘要：列車占用檢測設(shè)備是信號控制系統(tǒng)中的重要組成部分。在目前已經(jīng)運(yùn)營的線路中，采用計(jì)軸設(shè)備和軌道電路設(shè)備檢測列車位置。本文分析了信號系統(tǒng)中列車占用檢測設(shè)備的使用范圍，并對其優(yōu)劣勢進(jìn)行了比較，此外，對取消列車占用檢測設(shè)備的可行性及處理方案進(jìn)行了闡述，旨在優(yōu)化軌道交通信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對未來軌道交通新的運(yùn)營方式進(jìn)行了可行性分析。

關(guān)鍵詞：信號系統(tǒng)；CBTC；計(jì)軸；軌道電路；取消計(jì)軸

在信號系統(tǒng)中，列車占用檢測設(shè)備是其中重要的組成部分之一。無論是國鐵、市域/城際鐵路還是地鐵（城市軌道交通），從早期的6502電氣集中控制聯(lián)鎖、數(shù)字軌道電路到目前已經(jīng)成為主流的移動閉塞信號系統(tǒng)，以及地鐵、輕軌和跨座式單軌，都配備了列車占用檢測設(shè)備。這表明，作為基礎(chǔ)設(shè)備，列車占用檢測設(shè)備對于信號系統(tǒng)來說是必不可少的。然而，隨著CBTC信號系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，是否仍然需要在信號系統(tǒng)中配備列車檢測設(shè)備呢？如果取消了列車檢測設(shè)備，信號系統(tǒng)的方案又將如何設(shè)計(jì)呢？

一、列車占用檢測設(shè)備的分類及應(yīng)用

目前正在運(yùn)營或在建的地鐵線路中主要采用的列占用檢測設(shè)備主要是軌道電路和計(jì)軸。早期建設(shè)的地鐵線路以軌道電路為主，當(dāng)CBTC技術(shù)引進(jìn)國內(nèi)后，地鐵線路正線段的列車檢測設(shè)備則開始向計(jì)軸轉(zhuǎn)化。近十年來，已完全采用計(jì)軸設(shè)備。車輛段和停車場仍然沿用軌道電路的配置，直至近幾年用戶對ATC車輛段的需求提出，車輛段和停車場的計(jì)軸檢測設(shè)備逐步向計(jì)軸設(shè)備轉(zhuǎn)化，例如在關(guān)鍵區(qū)域采用計(jì)軸設(shè)備，其他區(qū)域采用軌道電路設(shè)備，或者全線（正線、車輛段/停車場）均采用計(jì)軸設(shè)備布置。

形成這一配置方案的原因有以下幾個：

（一）兩種類型設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對比對線路部署的影響。

相對于軌道電路，計(jì)軸設(shè)備具備如下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

①更適用于道床狀態(tài)差、道床泄漏電阻過低的軌道區(qū)段；

②可以檢測鋼軌生銹及輕車情況下的軌道區(qū)段占用/空閑；

③可以避免軌道電路由傳輸距離的限制而設(shè)置的多個軌道電路。

對于軌道電路而言，則在以下幾個方面更占優(yōu)勢：

①如果站內(nèi)設(shè)置多個軌道區(qū)段，軌道電路的投資較小，成本更低；

②電源部分如不可靠，電源瞬間中斷后將造成車軸信息的丟失而導(dǎo)致大面積軌道區(qū)段無法立即獲取列車占用狀態(tài)，軌道電路則可以在電源丟失恢復(fù)供電后，立即獲取相關(guān)軌道區(qū)段的占用狀態(tài)信息。

對比了各自的優(yōu)缺點(diǎn)后，可以看出，軌道電路從組成、現(xiàn)場布置以及對環(huán)境的特殊要求都比計(jì)軸設(shè)備要更高，使得計(jì)軸設(shè)備的應(yīng)用范圍較軌道電路的更廣。

從可維護(hù)性角度來說，雖然軌道電路也開發(fā)出了無絕緣節(jié)的相關(guān)產(chǎn)品，對傳輸距離也有了提升，但是軌道電路設(shè)備較復(fù)雜依舊造就了其可維護(hù)性較差。一旦發(fā)生故障，由于故障點(diǎn)較多，判斷故障原因和恢復(fù)故障的時間較計(jì)軸系統(tǒng)時間更長，對于正線維護(hù)時間短、運(yùn)營要求高等特點(diǎn)，決定計(jì)軸系統(tǒng)更適用于正線的運(yùn)營條件。

相比較而言，由于車輛段/停車場的站場較正線更復(fù)雜，道岔數(shù)量和正線所有道岔數(shù)量之和相當(dāng)，軌道區(qū)段的數(shù)量也較大。站場設(shè)備故障對正線運(yùn)營的影響有限，為了減少整個工程項(xiàng)目的前期投入，相對而言，軌道電路的價格優(yōu)勢明顯，對于業(yè)主而言，軌道電路的方案更優(yōu)。站場由于人工作業(yè)量較大，工況相較于正線運(yùn)營更為復(fù)雜，車輛類型的種類也較多，尤其是各類特種車輛的運(yùn)行方式不同，是否具備動力不同，導(dǎo)致了段/場和正線的運(yùn)營場景差異較大。

由于列車停車時，車頭和車尾位置差異多變，段/場司機(jī)無法精準(zhǔn)掌握列車車輪停靠的位置，導(dǎo)致計(jì)軸受擾的概率較正線大大提高。站場采用的道岔大都為7#道岔，在站場區(qū)域內(nèi)，由于計(jì)軸設(shè)備的安裝要求相較軌道電路絕緣節(jié)距離叉尖的位置要長，采用計(jì)軸設(shè)備的話，計(jì)軸點(diǎn)侵限的概率增加，這個情況和正線正好相反。基于這兩點(diǎn)，采用計(jì)軸設(shè)備則變得不再合適，反而對場段運(yùn)營產(chǎn)生影響。這也是對于車輛段/停車場，基于地域范圍小，作業(yè)人員范圍可控的前提下，軌道電路的使用更為廣泛。

但是從安全角度來說，車輛段/停車場中存在非裝備列車（如平板車和小車），對于安裝了軌道電路的設(shè)備的線路，當(dāng)列車在跨壓兩個軌道區(qū)段時，有概率會產(chǎn)生“死區(qū)段”。當(dāng)列車、車輛、小車停留在“死區(qū)段”時，由于軌道電路的特性，無法檢測到列車，此時存在錯誤轉(zhuǎn)換道岔或開放信號、牽引回流干擾相鄰區(qū)段閃紅光帶的問題[1]，對運(yùn)營來說，也會造成一定的影響以及安全隱患，使得段/場設(shè)計(jì)會使用哪種類型的計(jì)軸檢測設(shè)備存在一定的疑慮。

（二）安全認(rèn)證

由于軌道電路設(shè)備對環(huán)境的要求較高，環(huán)境的不確定因素導(dǎo)致了軌道電路無法通過安全認(rèn)證。軌道區(qū)段占用是系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，占用檢測功能的安全等級定義為SIL4級別，也是最高級別。對于硬件方面，軌道電路的先天不足影響了選用的范圍。近年來，安全認(rèn)證的要求越來越受到重視，在安全第一的理念中，計(jì)軸設(shè)備具備SIL4等級的安全認(rèn)證，比軌道電路更具備優(yōu)勢。如采用軌道電路，考慮到軌道電路的特殊故障特性，如分路不良，輕車跳動等，相比較計(jì)軸設(shè)備來說，信號系統(tǒng)需要進(jìn)行額外的功能設(shè)計(jì)和防護(hù)來確保系統(tǒng)的運(yùn)營安全。這些額外的防護(hù)并不能完全解決軌道電路特性導(dǎo)致的“飛車”。對運(yùn)營來說，使用軌道電路需要承擔(dān)一定的風(fēng)險，如“飛車”情況下需要人為確認(rèn)，這對運(yùn)營也會產(chǎn)生影響。

隨著地鐵信號系統(tǒng)的逐步發(fā)展，地鐵運(yùn)營公司的安全意識加強(qiáng)，對運(yùn)營的安全也越來越重視。對于系統(tǒng)供應(yīng)商來說，安全的需求也逐步提高，尤其是近年來對自動化車輛段的需求的提出，對供應(yīng)商也是一大挑戰(zhàn)。相比較無法達(dá)到安全等級SIL4級的軌道電路，計(jì)軸設(shè)備成為供應(yīng)商的首選。

二、軌道區(qū)段的劃分及進(jìn)路的設(shè)置

對于CBTC系統(tǒng)來說，軌道占用檢測設(shè)備并不是必需的，在大部分情況下，軌道占用檢測設(shè)備都應(yīng)用于系統(tǒng)降級模式下的點(diǎn)式運(yùn)營。

即使在CBTC模式下，系統(tǒng)的運(yùn)營并不依賴列車占用檢測設(shè)備，但基于系統(tǒng)架構(gòu)及信號功能分配的不同，大部分信號系統(tǒng)供應(yīng)商的系統(tǒng)線路布置依然需要配備計(jì)軸設(shè)備以在區(qū)間上劃分軌道區(qū)段。這是因?yàn)椋蟛糠中盘栂到y(tǒng)供應(yīng)商的系統(tǒng)架構(gòu)中，聯(lián)鎖設(shè)備仍然是重中之重，所有的CBTC系統(tǒng)都是基于聯(lián)鎖設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的進(jìn)路管理。列車的移動閉塞的實(shí)現(xiàn)前提是基于聯(lián)鎖進(jìn)路首先授權(quán)，在此基礎(chǔ)上疊加區(qū)域控制器計(jì)算的移動授權(quán)。區(qū)域控制器將該移動授權(quán)發(fā)送給列車，列車進(jìn)行相應(yīng)的控制。也就是說，沒有聯(lián)鎖進(jìn)路，區(qū)域控制機(jī)無法進(jìn)行相關(guān)的聯(lián)鎖判斷，也無法實(shí)現(xiàn)移動閉塞的移動授權(quán)計(jì)算。而聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)聯(lián)鎖條件判斷的基礎(chǔ)是系統(tǒng)中配置相關(guān)的進(jìn)路并定義正確的聯(lián)鎖表，聯(lián)鎖表中清晰地定義了聯(lián)鎖關(guān)系，以此來保證系統(tǒng)的安全防護(hù)。因此，為了確保區(qū)域控制器的正常工作，聯(lián)鎖系統(tǒng)是必需的。聯(lián)鎖系統(tǒng)正常工作的前提是系統(tǒng)中必須配備進(jìn)路，而進(jìn)路的配置前提是所有的進(jìn)路起點(diǎn)必須為始端信號機(jī)，終點(diǎn)為終端信號機(jī)。

從圖1中可以看出，進(jìn)路的主體是軌道區(qū)段，在目前的大部分信號供應(yīng)商的系統(tǒng)中，軌道區(qū)段的存在仍然是必需的。

三、取消軌道占用檢測設(shè)備的可行性研究

對于信號系統(tǒng)來說，取消軌道占用檢測設(shè)備的前提是：

（一）系統(tǒng)設(shè)備對軌道區(qū)段的依賴性較低

目前大部分信號系統(tǒng)供應(yīng)商的CBTC模式都是基于聯(lián)鎖設(shè)備對進(jìn)路的授權(quán)為前提，在此基礎(chǔ)上疊加相關(guān)的CBTC功能，才能夠?qū)崿F(xiàn)移動閉塞。

目前能夠做到不依賴于軌道區(qū)段的進(jìn)路建立方式僅有SelTrac信號系統(tǒng)以及車車通信的TACS系統(tǒng)。因?yàn)樗鼈兪羌兇獾腃BTC系統(tǒng)，進(jìn)路的建立方式是基于列車和目標(biāo)點(diǎn)，而不是基于聯(lián)鎖進(jìn)路，所以其系統(tǒng)中基本沒有“固定的”進(jìn)路。這也使得系統(tǒng)對軌道區(qū)段的依賴性較低。尤其是早期使用SelTrac環(huán)線系統(tǒng)的項(xiàng)目，如武漢軌道交通1號線和3號線，則完全不依賴于軌道區(qū)段。對于目前在已經(jīng)開通的武漢線路和深圳線路中，計(jì)軸設(shè)備都未納入信號系統(tǒng)管理中。

（二）運(yùn)營的方式對軌道區(qū)段依賴性低

在現(xiàn)有的地鐵線路中，運(yùn)營公司對軌道區(qū)段的依賴性較大。無論在何種情況下，運(yùn)營人員主要依賴通過軌道的占用來判斷列車的位置，主要原因包括：

第一，目前的學(xué)校教學(xué)教材都是基于傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)逐步迭代的，因此運(yùn)營人員在學(xué)校里學(xué)習(xí)的知識體系是以軌道區(qū)段為基礎(chǔ)的。

第二， 許多經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)營人員都是多年前開始工作的，當(dāng)時大部分的系統(tǒng)也是基于軌道區(qū)段的。目前，雖然有一些系統(tǒng)已經(jīng)有所改變，但大部分系統(tǒng)仍然依賴于軌道區(qū)段。

這些原因決定了運(yùn)營人員對軌道區(qū)段的依賴性較大。軌道區(qū)段就類似于運(yùn)營人員的“眼睛”，如果取消了軌道區(qū)段，運(yùn)營人員將如同“盲人”一樣，無法確定列車的確切位置。

為了解決這個問題，首先需要降低運(yùn)營人員對軌道占用檢測設(shè)備的依賴性。可以通過加強(qiáng)車地通信系統(tǒng)的可靠性和可用性，使運(yùn)營人員更多地依賴于列車的位置匯報(bào)，而不是軌道占用情況來追蹤載客列車。其次，需要解決如何定位那些未裝備車載設(shè)備的列車（主要是工程車）或故障車的問題。目前，大部分線路的工程車都沒有配備車載設(shè)備，而故障列車大多數(shù)也沒有裝備通信系統(tǒng)。在這種情況下，運(yùn)營調(diào)度只能通過軌道占用來追蹤這些列車的位置。此外，對于這兩類車，原來的軌旁防護(hù)是基于列車占用區(qū)段的情況來進(jìn)行的。在取消了列車占用檢測設(shè)備的地鐵線路中，由于系統(tǒng)無法“感知”非通信列車的位置，因此也無法進(jìn)行相關(guān)的防護(hù)。對于非通信列車的防護(hù)方式需要通過運(yùn)營人員基于列車原來的位置進(jìn)行人工進(jìn)路預(yù)留的方式來運(yùn)營列車。列車操作人員必須嚴(yán)格遵守調(diào)度人員的指揮，嚴(yán)禁行駛至未人工預(yù)留的區(qū)域，才能確保安全。

（三）取消軌道占用檢測設(shè)備的意義

目前在運(yùn)營的線路中，不論是計(jì)軸設(shè)備還是軌道電路，故障的概率仍然存在，這包括因夜間施工不注意導(dǎo)致的計(jì)軸設(shè)備受擾，以及軌道電路對環(huán)境特性要求較高導(dǎo)致的紅光帶現(xiàn)象。在已經(jīng)運(yùn)營的地鐵線路中，設(shè)備故障的概率相對較高，尤其是對于客流量大的線路，一旦發(fā)生故障，將會對運(yùn)營造成極大影響。取消軌道占用檢測設(shè)備的意義在于，一旦取消了軌道區(qū)段，這類故障不復(fù)存在，對運(yùn)營的影響大大降低。特別是在地鐵線路的15年運(yùn)營生命周期中，這類故障都將不再存在，從而大大降低對維護(hù)的需求量。

四、結(jié)束語

綜上所述，在軌道交通系統(tǒng)中，列車占用檢測設(shè)備的存在仍然十分必要。只有當(dāng)大部分設(shè)備供應(yīng)商都能夠解決聯(lián)鎖進(jìn)路的問題，并且運(yùn)營部門能夠接受此類運(yùn)營方式，列車占用檢測系統(tǒng)才能夠進(jìn)一步取消。而取消后對于運(yùn)營人員也將會是一大挑戰(zhàn)，對運(yùn)營方式和理念也需要進(jìn)一步改變，才能適應(yīng)新的運(yùn)營方式。運(yùn)營理念上以進(jìn)路為主體向以車為主體的運(yùn)營理念轉(zhuǎn)變，也是需要一定時間的消化和適應(yīng)。這樣，在新的運(yùn)營過程中，一旦碰到列車丟失通信的故障，才不會“兩眼一抹黑”。

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