深圳軌道交通二期蛇口線信號系統

陳恒宇

（深圳地鐵集團有限公司，深圳 518026）

深圳軌道交通二期蛇口線貫穿深圳市發展主軸，是承擔聯系羅湖、福田中心區、南山次中心、蛇口片區及沿線片區的軌道干線，形成特區內第二條東西向客運主通道。蛇口線工程西起南山區赤灣站，東止羅湖區新秀站，線路全長約35.82 km，均為地下線，共設車站29座。其中首期工程長15.17 km，設車站12座，全為地下車站，計劃2010年12月開通。蛇口線線路向東延伸至新秀站，增設車站17座，全為地下站，線路延伸后全長約35.82 km，計劃2011年6月開通。

1 信號系統概述

蛇口線采用卡斯柯信號有限公司提供的基于URBALISTM城市軌道交通信號系統應用解決方案。URBALISTM系統是基于無線通信的移動閉塞系統，該系統可以實現全線有人/無人自動駕駛。該方案采用移動閉塞制式，系統的可靠性、安全性、可用性、可維護性、行車間隔、停車精度以及可擴展性等方面都能達到或超過蛇口線要求的性能或指標。

總體來說，整個線路由5個主要子系統來管理，包括列車自動防護/列車自動駕駛（ATP/ATO）子系統、計算機聯鎖（CBI）子系統、列車自動監控（ATS）子系統、數據通信（DCS）子系統和維護監測（MSS）子系統。

ATP/ATO、MSS和ATS子系統為集中式系統。CBI子系統為分布式設備，位于各設備集中站、控制信號機、轉轍機等軌旁設備。通過2.4 GHz開放頻段傳播的無線鏈路為信號軌旁子系統和信號車載子系統之間提供雙向信息傳輸。沿著全線軌旁分布的無線接入點和波導管保證無線網絡對整條線路的覆蓋。無線鏈路負責傳送連續的CBTC信息。

所有主要的子系統都將提供冗余配置，即某單一故障不會影響系統正常運行。無論骨干網還是無線網絡的信號傳輸都是冗余的。單個通道的故障和干擾，不會影響系統間的信息傳輸。

2 信號系統結構

蛇口線（首期和東延線），包括10座設備集中站和19座非設備集中站，車輛段和停車場各1座，以及2條試車線。基于URBALISTM的蛇口線信號系統結構如圖1所示。

2.1 ATP/ATO子系統

ATP/ATO子系統包括軌旁ATP設備和車載ATP/ATO設備。ATP設備對在線列車進行安全控制，該區域被稱為ATC區域。安裝在設備室內的軌旁ATP設備主要包括區域控制器（ZC）、線路控制器（LC）、數據存儲單元（DSU）和歐式編碼器（LEU）。安裝在軌旁的ATP設備主要是信標。安裝的車載ATP/ATO設備主要包括車載機柜（CC）、司機顯示單元（DMI）、編碼里程計和信標天線。

ATP/ATO子系統主要設備描述如下。

（1）ZC和LC

ZC和LC均采用三取二配置。ZC設備處理線路占用、自動防護和進路等信息。根據CC設備發送的列車精確位置信息，ZC設備主要為列車計算保護區域，即自動防護（AP），并通過無線傳輸向每列車發送其授權終點。

LC設備管理線路的臨時限速，負責存儲、更新ATS發送的臨時限速（TSR）請求。LC還控制ZC和CC的應用軟件和配置數據版本的校核。同時在通信過程中，LC也向ZC和CC提供內部時鐘同步。

（2）DSU

DSU由1個臺式計算機組成，用于向CC設備上傳新版本的應用軟件和靜態線路描述，同時也對這些文件進行升級管理。

（3）信標

當列車信標天線越過地面信標時，信標天線將生成并捕獲磁場。列車通過時，發送信標標識，CC使用該信息初始化、重新修正列車位置、校準編碼里程計。

（4）CC

每列6節編組，列車頭尾各配置1套車載CC設備。兩臺CC計算機均運行在熱備狀態，每臺能獨立安全地駕駛列車。CC子系統負責管理下列功能。

* 列車運行防護；

* 管理列車在車站準確停車；

* 車站停車和發車時間管理；

* 安全停車管理。

2.2 CBI子系統

CBI子系統的設備主要分布在設備集中站，具體構成如圖2所示。

深圳地鐵蛇口線信號系統正線設置10座設備集中站，設備集中站配置如下。

設置1套雙系熱冗余的二乘二取二聯鎖系統（簡稱ZLC）：負責完成管轄區域內的聯鎖功能，以及與中心ZC和車載CC之間的接口和數據傳輸。

兩層通信傳輸結構：一層為ZLC系統與ATS子系統、系統維護臺及現地控制工作站之間的信息交換提供網絡傳輸通道；另一層為ZLC與車載和ATP計算機之間的信息交換提供網絡傳輸通道。

1套熱冗余的現地控制工作站（HMI）：車站值班員的操作命令（例如進路辦理、單操道岔、開放引導進路等）經HMI處理后送至ZLC；ZLC把聯鎖運算后的相關表示信息（信號機狀態、道岔位置、區段狀態等）送至HMI顯示。

系統維護臺（SDM）：負責完成設備集中站所轄車站的聯鎖診斷和故障記錄等，并把相應的信息內容通過網絡送至維修中心。

2.3 ATS子系統

ATS子系統是分布式的計算機監控系統，主要分布于控制中心、正線設備集中站、正線非設備集中站和車輛段/停車場，采用熱備冗余方式，保證系統高度的可用性。

ATS子系統主要包括以下設備。

控制中心：行車調度工作站、大屏接口計算機、ATS通信處理器（FEP）、中央ATS（CATS）數據庫服務器、CATS應用服務器、系統管理/維護診斷工作站、運行圖編輯工作站和打印機等。

正線設備集中站：主/備車站ATS分機、ATS工作站（與聯鎖現地工作站合用）和發車計時器（DTI）等。

正線非設備集中站：DTI接口機、DTI和光電轉換器等。

車輛段/停車場：車站ATS分機、ATS終端、打印機和光電轉換器等。

2.4 DCS子系統

DCS有線網絡是冗余、多業務和高可靠性的系統，用于連接軌旁和中心的信號設備。DCS無線系統采用正交頻分復用（OFDM）擴頻技術，用于車-地無線通信。OFDM采用多載波傳輸技術，將無線頻譜劃分為多載波，并將低速數據調制到載波傳輸。為確保在所有環境下（隧道和露天）的高性能通信，DCS子系統采用波導管作為無線傳輸媒介。波導管具有鏈路可靠、維護簡單的特點，從而確保系統的可靠性，并節約維修成本。

數據通信系統由以下兩部分組成。

（1）軌旁骨干傳輸網絡（BTN）：包括SIG網絡（傳輸ATP及聯鎖相關安全信息）和ATS網絡。

（2）車-地無線鏈路：實現車輛與地面系統的無線通信，由位于軌旁的無線接入點、耦合單元、波導管、車載天線和車載無線調制解調器組成。

2.5 MSS子系統

MSS子系統是整個信號系統的設備狀態監測和維護輔助工具，主要用于維護信息的采集，幫助維修調度人員對故障設備進行定位，管理維修作業。調度員可借助信號維護監測子系統制定、計劃與安排維修工作，比傳統人工方式更加有效。信號維護監測子系統架構基于Web，其體系結構中維護中心的應用、數據庫服務器等均為冗余配置。

3 主要工作原理

3.1 移動閉塞原理

URBALISTM移動閉塞系統基于以下設計理念。

主動列車檢測：移動閉塞原理主要是基于列車定位檢測，由每列車定時向控制中心發送列車位置報告，控制中心將列車位置報告實時傳遞給后續運行列車，后續運行列車自行計算本列車最高運行速度及走行距離，構成動態追蹤運行間隔。列車自行定位并通過位置報告信息定時將其位置傳輸至軌旁設備，位置報告信息定時發送給ZC。

移動閉塞防護：ZC設備負責收集列車位置信息，為控制范圍內的每列車配置1個安全包絡線（也稱自動防護AP），包括位置報告中指出的位置、速度和列車性能及預期量，從而使自動防護相互關聯，直到從列車接收到下一個位置信息。更新完所有AP后，ZC設備為每個CC計算相關的移動權限，并通過“授權終點”信息（EOA）的形式發送給列車。

3.2 列車控制原理

ZC是負責被稱為區域的專用區間內列車間隔的子系統。在此區間內，通過避免列車間可能發生的任何碰撞來保護裝配或未裝配的列車（或通信中斷）。ZC為軌道上的每列車分配一個AP的安全范圍。AP實際上是列車周圍的屏蔽。其他列車或軌道車輛不能進入另一個移動或靜態列車的AP。

ZC根據列車發送的位置報告在列車位置信息的基礎上建立AP，位置報告每隔400 ms發送一次。主要信息為列車最大/最小定位和最大/最小速度、列車編號及其相應的時間戳和時效性。因此，在ZC級別，每列車的AP大小和位置每隔400 ms刷新一次。

CC根據ZC給出的安全限制駕駛列車。ZC為區域內每列車建立一個AP。因此，可以知道任何時刻每個自動防護在線路上的位置。ZC根據AP的位置和聯鎖機發送的軌旁設備狀態向每列車提供移動授權，該移動授權根據相鄰AP的位置和軌旁設備狀態計算。因此，列車之間可以相互提供防護。

被稱為“授權終點”的信息，作為對位置報告的響應，發送給每列車。此信息包括列車不能越過的限制、有關道岔位置或信號機狀態等方面的變量信息。

3.3 系統后備模式的工作原理

系統主要設備都采用冗余配置，因此出現系統性故障的可能性微乎其微。為保證在任何情況下系統可用，當信號系統的ATS、ATP/ATO功能失效或特殊需要時，應能啟動后備運行模式組織列車運行。

點式ATP模式原理如圖3所示。

點式ATP就是系統的點燈站間閉塞運營模式，在此模式下，列車的授權點降級為前方信號機，聯鎖控制信號的開放，并將信號和道岔信息通過歐式編碼器上傳給車載ATC。

當軌旁ZC設備正常，軌旁區域控制器故障或車-地無線通信故障時，列車可降級為點式ATP模式，系統通過計軸設備檢測列車占用，并生成特殊安全包絡，列車在點燈狀態下以站間閉塞模式運行。對于相鄰區段內正常通信的列車，車載運營模式無需改變，但處于“混跑”模式下。

當車載ATC系統出現重大故障，導致列車定位功能喪失時，列車駕駛模式應被切換到限制人工駕駛模式，由司機控制，以站間閉塞的模式低于限制速度（如25 km/h）運行，并根據軌旁信號機顯示行車。此時對于相鄰區段內正常列車，車載運營模式無需改變，但處于“混跑”模式下。

當軌旁ZC設備失效時，該ZC受控的所有集中站轉為點式后備模式，區段內所有列車以點式ATP方式站間閉塞運營。

在任何情況下，聯鎖控制級的后備模式都是可用的。當線路采用后備模式運行時，司機負責列車的運行安全，ATS子系統通過調整列車的停站時間并在DTI上顯示，司機根據顯示控制列車運行，以達到運營調整。

4 結語

蛇口線信號系統采用URBALISTM解決方案，在保證系統安全的前提下將移動閉塞信號設計理念最大程度的實施，滿足90 s的最小設計運營間隔指標，也符合“小編組，高密度”的當前最先進的城市軌道交通信號系統設計理念。采用基于雙冗余骨干網傳輸的地-地、車-地安全信息帶寬相比傳統軌道電路或環線方式顯著增加，從而提高了信號系統的可用性。聯鎖子系統與ATP/ATO子系統劃分明確，聯鎖子系統確保基本聯鎖功能，不參與列車移動中授權管理，聯鎖與ZC之間通過變量表進行傳遞。這樣，系統功能的簡化對提高設備安全性及可用性都極為有利。此外，即使在CBTC系統故障的情況下，靈活的系統降級模式仍能提供完備的點式ATP降級模式及聯鎖降級模式，以減少故障對地鐵運營的影響。

[1] 卡斯柯信號有限公司 深圳地鐵2號線信號正線系統設備技術規格書.