基于通信的列車控制技術下城市軌道交通軌旁信號的分析

朱 莉

(上海軌道交通維護保障中心通號分公司,200233,上海∥工程師)

在城市軌道交通中,為保證列車運行安全,必須保證列車以一定的安全間隔運行。實現這種間隔的技術稱為閉塞,即用信號或憑證來保證列車按照空間間隔制運行的技術方法[1]。閉塞技術包括固定閉塞、準移動閉塞和移動閉塞。

移動閉塞是一種新型的閉塞制式,是實現CBTC(Communications-Based Train Control,基于通信的列車控制)的關鍵技術之一。CBTC是這種閉塞的應用系統[2]。

1 城市軌道交通系統中軌旁信號的作用

對于固定閉塞,軌道交通線路被劃分為若干閉塞分區。在一個或多個閉塞分區之間設置軌旁信號機對分區進行防護,根據閉塞分區的方向及列車運行時對分區的占用狀態,確定防護該分區的軌旁信號顯示。列車則根據信號顯示運行。

當采用移動閉塞時,不需要真正的物理閉塞分區,只有邏輯閉塞分區或者說是虛擬閉塞分區。軌旁CBTC系統根據聯鎖系統給出的道岔位置、閉塞分區方向等安全變量,給出列車的移動授權;列車再根據前方列車的位置和速度,計算自己的運行速度曲線,以保證列車安全的運行間隔。于是,有人提出,由于CBTC技術的應用,列車依靠移動授權來運行,軌旁信號并無實際意義,是否可以取消,從而節約工程造價和施工工作量,并減少后期的維護。

CBTC技術目前尚處于發展初期,經過近幾年的運營實踐,發現有許多不確定因素,比如通信故障、列車自動控制系統故障等。當發生這些故障時,由于城市軌道交通運營的特點,必須保證不間斷運營,且軌道線路中有時需要運行未裝備CBTC的列車(非通信列車)、救援列車等,這就需要有后備模式可以選用。在后備模式下,列車需要根據軌旁信號和物理閉塞分區提供的安全防護維持運行。后備模式的選用,增加了城市軌道交通控制系統的技術難度。

2 CBTC技術下的軌旁信號顯示

軌旁信號在CBTC模式和后備模式下所起的作用顯然是不同的。在CBTC模式下,軌旁信號只是一個輔助設備,但列車的運行又不能違背傳統的軌旁信號顯示,如果軌旁信號和車載信號顯示不一致時,反而給運行速度的判斷帶來困擾。因此,本文分別對后備模式、CBTC點燈模式和CBTC滅燈模式進行分析。

2.1 CBTC點燈模式

CBTC點燈模式,即在CBTC模式下,軌旁信號采用點燈的顯示方式。上海軌道交通6、8、9號線以及北京地鐵機場線都采用了CBTC點燈模式。

在CBTC模式下,軌旁信號機顯示允許信號和禁止信號的邏輯與后備模式是不同的。CBTC模式時,列車將按照移動授權(LMA)的命令來運行,所有LMA范圍內的信號機顯示允許信號,這樣可以縮短運行間隔,提高運營效率(如圖1所示)。

圖1 CBTC點燈模式

圖1中,在CBTC點燈模式下,由CBTC系統來保證列車的運行間隔。當列車 A在EF區段運行時,可以為列車B建立以D 點(S1信號機處)為始端通向EF區段的進路;進路建立、道岔鎖閉、敵對進路未建立時,S1信號機顯示綠燈,指示列車B能駛過S1繼續前行。列車A與列車B的間隔距離通過CBTC系統計算來保證安全。

這種設計方法,同一架軌旁信號所防護的進路中允許同時有一列以上列車運行,其安全距離由CBTC系統來保證。軌旁信號所防護的進路中有車在運行時,允許點亮允許信號,這與既有的計算機聯鎖技術條件中規定的“防護該進路的信號機必須檢查其進路空閑[3]”不相符。并且當S1由于故障不能正常點亮綠燈時,雖然CBTC模式下不會迫使列車停在S1前方,但會對司機產生混淆,有可能影響運營效率。

2.2 CBTC滅燈模式

CBTC滅燈模式,是在CBTC模式下,軌旁信號采用滅燈的顯示方式。北京地鐵2號線、上海軌道交通10號線均采用了CBTC滅燈模式。

在CBTC滅燈模式下,列車完全依賴于車載信號運行,軌旁信號只能為車載系統、無線通信系統或其它軌旁設備故障時提供一種后備顯示(如圖2所示)。

圖2中,在CBTC滅燈模式下,當列車A在EF區段運行時,可以為列車B建立以D點(S1信號機處)為始端通向EF區段的進路,進路建立、道岔鎖閉、敵對進路未建立時,CBTC系統為列車B提供“允許信號”(這里的“允許信號”并不是說S1信號開放,只是給出了列車 B在S1前方運行的移動授權),指示列車B可以越過S1,按規定速度運行。列車B與列車A的安全距離由CBTC系統保證。

圖2 CBTC滅燈模式

在CBTC滅燈模式下,軌旁信號處于滅燈狀態,列車運行的安全間隔距離由CBTC系統來保證。由于運行圖中可以方便地搜索和計算前方是否有列車在運行,以及前方列車運行的速度,并且可以實時更新列車位置信息,大大提高了運行的效率;同時軌旁信號平時不點亮任何燈光,可以節約能源、減少熱量排放。

當然,CBTC滅燈模式也有缺陷,如無法實時檢測信號機的故障情況。在CBTC運行模式下,如果設備發生故障啟用后備模式時,聯鎖子系統根據區段占用情況、道岔位置等信息開放軌旁信號機,為司機行車提供安全指令。此時,假設信號機也發生故障,無法正常開放時,后備模式也無法正常使用,使得故障影響擴大化。因此,如果采用CBTC滅燈模式,建議夜間停運期間,維護人員定期人工開放信號機,檢查信號機狀態,以免發生不能正常啟用后備模式的情況發生。

2.3 后備模式

上海地鐵信號系統由于工期較緊,在CBTC系統投入使用前,往往會先開通后備系統。后備系統通常是由聯鎖、閉塞和點式超速防護系統等構成的,為線路開通初期的運營提供安全保障。

在CBTC系統開通后,后備系統作為ATC(列車自動控制)系統的組成部分,又可以作為一種降級模式使用,為車載設備故障的運營列車或非通信列車(工程車等)提供聯鎖及閉塞防護功能;或當無線通信子系統故障或軌旁區域控制器發生故障(不含聯鎖相關設備)時,對相應故障區域內的列車提供聯鎖、閉塞及點式超速防護的功能。當CBTC系統運行正常時,不采用后備模式。

在后備模式下,上海已經開通的軌道交通6、8、9號線采用“雙紅燈”防護的理念,并且每個信號機前方都有相關聯的信標。當信號機顯示允許信號(綠燈或白燈)時,相對應的信標通電;若信號機顯示禁止信號,則信標失電。此時若列車冒進信號,將觸發緊急制動,以確保運行安全。如圖3所示,當列車A在EF區段運行時,信號機S1、S2必須都顯示紅燈,以防止列車B駛入;如果一旦列車B越過紅燈信號S1,車載設備由于檢測不到與信號機S1允許顯示相應的應答器,從而觸發一個緊急制動,迫使列車停車,以保證不越過第二架紅燈信號機S2。

圖3 后備模式的軌旁信號顯示

2.4 模式轉換

在CBTC技術條件下的信號系統中,其CBTC子系統和聯鎖子系統都有CBTC模式與后備模式兩種模式,可實現自動轉換。模式轉換的條件,由CBTC子系統和聯鎖配合完成,CBTC子系統提供當前所處模式信息,發送給聯鎖子系統,最終由聯鎖子系統判斷后決定軌旁信號的點燈模式。當CBTC子系統和聯鎖子系統選擇相同的模式時,系統根據所選模式運行。當CBTC子系統和聯鎖子系統選擇了不同模式時,應以較低一級的模式處理,確保系統安全運行。

1)選擇CBTC模式:聯鎖根據CBTC模式下的技術條件,所建立的進路不檢查區段空閑,CBTC系統將移動授權、運行方向等信息發送給車載系統,列車根據CBTC子系統的移動授權運行;軌旁信號處于滅燈或點燈狀態。

2)選擇后備模式:聯鎖根據后備模式下的聯鎖技術條件,檢查進路中的軌道區段空閑并滿足進路的其它聯鎖條件,才能開放軌旁信號;運行間隔由聯鎖保證安全,列車根據軌旁信號顯示運行;軌旁信號處于點燈狀態。

根據設計的需要,同一條軌道交通線路中不同的軌旁信號可以處于不同的模式。如圖3中的軌旁信號S1和S2,可以選擇不同的模式,S1、S2可根據當前所處的狀態,分別選擇CBTC模式和后備模式。

3 結語

CBTC系統采用先進的通信、計算機技術,對列車進行實時、連續地控制,能夠縮短運行間隔,提高運營效率。目前國內正在大力修建客運專線。針對僅開行動車組的客運專線,信號機常態滅燈,如車載設備故障或開行未安裝ATP(列車自動防護)車載設備的列車時,按照站間閉塞模式運行,信號機轉為點燈狀態[4]。廣株客運專線、滬杭客運專線、武廣客運專線等,都將采用這種軌旁信號顯示方式。總之,在CBTC技術下,城市軌道交通系統采用軌旁信號滅燈的顯示方式,可以滿足大容量的城市軌道交通系統的運營要求,同時也有利于實現節能減排的環境需求。

[1]TB/T 454—1981 鐵路信號名詞術語[S].

[2]蔣晟.基于通信的列車控制-CBTC[J].科協論壇,2009(2):74.

[3]TB/T 3027—2002 計算機聯鎖技術條件[S].

[4]鐵運[2008]19號文.關于客運專線信號顯示系統若干問題的指導意見[S].