城市軌道交通自動(dòng)折返方式研究

王亞文

中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海工程局集團(tuán)有限公司濟(jì)南分公司 200331

摘要：隨著國(guó)內(nèi)軌道交通的發(fā)展，對(duì)運(yùn)營(yíng)效率的要求越來(lái)越高。其中折返效率又是影響整個(gè)線路運(yùn)營(yíng)效率的關(guān)鍵因素之一。因此為了提高折返線的效率，滿足運(yùn)營(yíng)需求，信號(hào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種基于CBTC運(yùn)營(yíng)模式下的新的折返功能-自動(dòng)折返。本文就針對(duì)自動(dòng)折返進(jìn)行初步討論，對(duì)功能需求，安全要求等提出解決方案。

關(guān)鍵詞：軌道交通；效率；自動(dòng)折返；安全；安全分析

引言

目前，國(guó)內(nèi)各城市軌道交通的發(fā)展日新月異，同時(shí)，對(duì)運(yùn)營(yíng)效率的要求也越來(lái)越高。而在整個(gè)地鐵線路的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，折返效率又是影響整個(gè)線路運(yùn)行效率的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)此，一方面，在線路設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡可能對(duì)折返線的配線設(shè)計(jì)的更合理；另一方面，從信號(hào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也對(duì)折返功能進(jìn)行盡可能地優(yōu)化，并開(kāi)發(fā)新的功能以滿足要求。自動(dòng)折返—一種新的折返方式便是為此而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，并已在部分開(kāi)通線路中得到推廣應(yīng)用，對(duì)提高運(yùn)營(yíng)效率效果顯著。

1功能定義

自動(dòng)折返（Auto Turn Back）：指CBTC列車(chē)在折返過(guò)程中無(wú)需司機(jī)操作的情況下，由預(yù)定的自動(dòng)折返區(qū)域自動(dòng)由牽入進(jìn)路進(jìn)入折返線，自動(dòng)完成駕駛室轉(zhuǎn)換后，再由牽出進(jìn)路自動(dòng)到達(dá)預(yù)定目的地的過(guò)程。

如下圖所示，CBTC列車(chē)在S站上行站臺(tái)的自動(dòng)折返區(qū)域（紅色部分），經(jīng)進(jìn)路S3-S1自動(dòng)到達(dá)折返軌G1，自動(dòng)完成駕駛室轉(zhuǎn)換后，經(jīng)進(jìn)路X1-X2自動(dòng)達(dá)到下行站臺(tái)。

Figure 1 自動(dòng)折返

2 功能需求

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)折返，有以下功能要求：

1.只有在特定的區(qū)域才允許司機(jī)選擇自動(dòng)折返功能（并自動(dòng)給出燈提示），如圖1中上行站臺(tái)的紅色區(qū)域；

2.司機(jī)通過(guò)操作司機(jī)臺(tái)的折返按鈕來(lái)激活自動(dòng)折返功能；或，

3.司機(jī)通過(guò)操作站臺(tái)的折返按鈕來(lái)激活自動(dòng)折返功能；

4.折返功能一旦被激活，整個(gè)折返過(guò)程不需要人工參與；

5.自動(dòng)折返功能需為安全功能；

3 實(shí)現(xiàn)方式

圖2和圖3分別是司機(jī)臺(tái)和站臺(tái)折返按鈕電路原理圖：

Figure 2 司機(jī)臺(tái)自動(dòng)折返按鈕原理圖

注1：司控器鑰匙關(guān)閉，即不選擇駕駛室；

注2：將駕駛手柄放于零位；

Figure 3 站臺(tái)自動(dòng)折返按鈕設(shè)置及信息傳遞方式

基于以上原理圖，可以總結(jié)出軟件功能/操作流程如下：

ATB 操作過(guò)程：

第一步 ATB模式選擇

當(dāng)以下條件具備時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)ATB模式可用：

>列車(chē)在自動(dòng)折返操作被授權(quán)的區(qū)域內(nèi)停車(chē)

>乘客完成換乘

>列車(chē)站和屏蔽門(mén)關(guān)閉

>駕駛手柄置于0位

>關(guān)閉司機(jī)臺(tái)鑰匙

然后進(jìn)入ATB運(yùn)行，有兩種方式可以激活A(yù)TB運(yùn)行

>司機(jī)按壓駕駛臺(tái)ATO按鈕，或

>按壓站臺(tái)ATB按鈕

第二步 列車(chē)運(yùn)行至折返區(qū)域

列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行至折返區(qū)域并完成換端操作。

第三步 列車(chē)運(yùn)行至目的站臺(tái)

可以有以下幾種操作方式：

>司機(jī)留在列車(chē)內(nèi)，并在自動(dòng)折返過(guò)程中走到列車(chē)另一端；或，

>司機(jī)等在目的站臺(tái)，并在列車(chē)停穩(wěn)后上車(chē)。

ATB模式自動(dòng)完成（終止）的方式，有以下幾種配置：

>在列車(chē)到達(dá)目的站臺(tái)且正確停穩(wěn)后自動(dòng)終止，或

>當(dāng)有司機(jī)臺(tái)鑰匙激活命令時(shí)（司機(jī)留在車(chē)內(nèi)的情況）

4 安全要求

4.1 風(fēng)險(xiǎn)定義

因自動(dòng)折返功能涉及乘客和司機(jī)的人身安全，所以以下安全風(fēng)險(xiǎn)需要考慮：

A.列車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致的司機(jī)受傷；

B.列車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致的乘客受傷；

C.非期望的屏蔽門(mén)關(guān)門(mén)導(dǎo)致的乘客受傷；

D.自動(dòng)折返過(guò)程中列車(chē)故障后的救援；

4.2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣定義

安全分析參考EN50126中定義的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，風(fēng)險(xiǎn)的分類(lèi)和可接受性主要基于以下定義：

事故或危害的嚴(yán)酷度等級(jí)（I 至IV），如表1中定義。

表1 風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)及可接受度

風(fēng)險(xiǎn)接受矩陣

事故頻率等級(jí) 事故嚴(yán)酷度等級(jí)

I特大的 II重大的 III次要的 IV輕微的

A 頻繁的 IN IN IN UN

B 經(jīng)常的 IN IN UN TO

C 有時(shí)的 IN UN UN TO

D 很少的 UN UN TO NE

E 極少的 TO TO NE NE

F 幾乎不可能的 NE NE NE NE

風(fēng)險(xiǎn)被分類(lèi)為：

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) 定義

不可接受的IN 從安全觀點(diǎn)來(lái)看風(fēng)險(xiǎn)是不可接受的，應(yīng)該拒絕且消除。

應(yīng)避免的UN 應(yīng)采取風(fēng)險(xiǎn)降低措施，以使風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到可接受水平。

可容忍的TO 在得到相關(guān)部門(mén)的批準(zhǔn)后可以接受

可接受的NE 可接受

表 2：風(fēng)險(xiǎn)可接受性

事故頻率（A～F）定義如下：

事故頻率

（列車(chē)/小時(shí)） 10-3 ≤f 10-5 ≤f< 10-3 10-7 ≤f< 10-5 10-8 ≤f< 10-7 10-9 ≤f< 10-8 f< 10-9

A B C D E F

表3 嚴(yán)酷度等級(jí)定義

類(lèi)別 定義

I 特大 多人死亡，和/或是多人嚴(yán)重傷害，和/或?qū)Νh(huán)境的較多損害.

II 重大 一人死亡，和/或是嚴(yán)重傷害，和/或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生明顯的損害。主系統(tǒng)失效.

III 次要 較小的傷害和/或?qū)Νh(huán)境的明顯影響。嚴(yán)重的系統(tǒng)損害。

IV 輕微 可能存在的較小的傷害。較小的系統(tǒng)損害。

4.3 安全分析

4.3.1 風(fēng)險(xiǎn)A：列車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致的司機(jī)受傷

發(fā)生這種有以下幾種情形：

-司機(jī)下車(chē)按站臺(tái)ATB按鈕

-一個(gè)司機(jī)下車(chē)按站臺(tái)ATB按鈕時(shí)，另一個(gè)司機(jī)上車(chē)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：

根據(jù)表3，嚴(yán)酷度等級(jí)定義為“重大”，且考慮到ATO軟件失效的概率為10E-5，所以由表1可得出，該風(fēng)險(xiǎn)為不可接受。

因此，必須有消除風(fēng)險(xiǎn)的措施。

消除風(fēng)險(xiǎn)措施：

1 在自動(dòng)折返區(qū)域設(shè)置一個(gè)安全區(qū)域，該區(qū)域平時(shí)為非激活狀態(tài)，在非激活狀態(tài)下如果有列車(chē)移動(dòng)，ATC將產(chǎn)生緊急停車(chē)。

只有當(dāng)司機(jī)臺(tái)ATB模式選中（這時(shí)司機(jī)在車(chē)上），或站臺(tái)ATB按鈕按下時(shí)（司機(jī)已下車(chē)），安全區(qū)域才為激活狀態(tài)，可消除司機(jī)由于上下車(chē)過(guò)程中列車(chē)移動(dòng)使司機(jī)受傷的風(fēng)險(xiǎn)。或，

2 將司機(jī)室門(mén)串入列車(chē)門(mén)關(guān)且鎖閉狀態(tài)中。這樣，當(dāng)司機(jī)門(mén)未關(guān)閉是時(shí)，列車(chē)不會(huì)移動(dòng)。或，

3 司機(jī)下車(chē)時(shí)將駕駛手柄置于快速制動(dòng)位。

4.3.2 風(fēng)險(xiǎn)B：列車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致的乘客受傷

由于乘客上下車(chē)過(guò)程中，列車(chē)門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)，且該安全輸入由ATP SIL4級(jí)功能處理，所以該風(fēng)險(xiǎn)可以消除。

4.3.3 風(fēng)險(xiǎn)C：非期望的屏蔽門(mén)關(guān)門(mén)導(dǎo)致的乘客受傷

列車(chē)開(kāi)關(guān)門(mén)方式與車(chē)輛有關(guān)，如有的車(chē)輛在司機(jī)激活駕駛室且完成自動(dòng)折返后，會(huì)自動(dòng)關(guān)門(mén)。

開(kāi)關(guān)門(mén)操作方式一般有三種：自動(dòng)，半自動(dòng)，人工。

如果選擇了自動(dòng)或半自動(dòng)方式，列車(chē)將在到達(dá)目的站臺(tái)后自動(dòng)打開(kāi)車(chē)門(mén)；

如果選擇了人工模式，列車(chē)在到達(dá)目的站臺(tái)后，司機(jī)需進(jìn)入司機(jī)室打開(kāi)列車(chē)門(mén)。

只要司機(jī)不激活駕駛室，車(chē)門(mén)就不會(huì)關(guān)閉。根據(jù)車(chē)輛的不同，列車(chē)門(mén)可能存在司機(jī)激活駕駛室后，列車(chē)門(mén)非期望關(guān)閉的情況。

因此，在自動(dòng)折返模式下，建議采用人工開(kāi)關(guān)門(mén)模式。也可根據(jù)車(chē)輛的配置考慮是否采用。

4.3.4 風(fēng)險(xiǎn)D：自動(dòng)折返過(guò)程中列車(chē)故障后的救援

如列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中故障停車(chē)，這時(shí)需要維護(hù)人員對(duì)列車(chē)進(jìn)行維修。假設(shè)在維護(hù)人員進(jìn)入軌道或靠近列車(chē)后，故障消除，這時(shí)處于ATB模式的列車(chē)會(huì)自動(dòng)發(fā)車(chē)。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：

根據(jù)表 1：風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)及可接受度，對(duì)應(yīng)分類(lèi)為C/I，不可接受。必須消除該風(fēng)險(xiǎn)。

消除風(fēng)險(xiǎn)措施：

可以有以下幾種方式消除風(fēng)險(xiǎn)：

-，通過(guò)站臺(tái)緊急停車(chē)按鈕。因?yàn)橐话阏九_(tái)緊急停車(chē)只是針對(duì)站臺(tái)區(qū)域，如通過(guò)該方案實(shí)現(xiàn)，則防護(hù)區(qū)域需要延長(zhǎng)到整個(gè)ATB折返區(qū)域。如下圖紅色區(qū)域所示。

二，封鎖。基于信號(hào)系統(tǒng)可提供區(qū)段封鎖，道岔封鎖或信號(hào)機(jī)封鎖，如發(fā)生列車(chē)故障，可以設(shè)置封鎖，這樣列車(chē)將無(wú)法再移動(dòng)。

信號(hào)機(jī)封鎖-信號(hào)機(jī)變?yōu)榻範(fàn)顟B(tài)并且進(jìn)路不能建立；

道岔封鎖-信號(hào)機(jī)變?yōu)榻範(fàn)顟B(tài)并且進(jìn)路不能建立且列車(chē)無(wú)法獲得移動(dòng)授權(quán)；

區(qū)段封鎖-信號(hào)機(jī)變?yōu)榻範(fàn)顟B(tài)并且進(jìn)路不能建立且列車(chē)無(wú)法獲得移動(dòng)授權(quán)；

通過(guò)設(shè)置封鎖可以防止ATB模式的列車(chē)移動(dòng)，可以防止其它CBTC列車(chē)進(jìn)入ATB區(qū)域同時(shí)可以防止后備車(chē)或人工車(chē)進(jìn)入ATB區(qū)域。

5 總結(jié)

本文給出了自動(dòng)折返方案的硬件電路設(shè)計(jì)，軟件功能需求以及具體實(shí)現(xiàn)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的安全需求。通過(guò)安全分析，總結(jié)出了風(fēng)險(xiǎn)消除的措施。

同時(shí)，也對(duì)自動(dòng)折返的操作流程給出了規(guī)定。

通過(guò)以上分析可以看出，自動(dòng)折返既可以實(shí)現(xiàn)在駕駛室有人操作，可以在駕駛室沒(méi)有司機(jī)的情況下通過(guò)站臺(tái)折返換鈕操作激活模式，系統(tǒng)自動(dòng)完成換端并自動(dòng)到達(dá)預(yù)定站臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)了文中提出的安全要求的前提下，較之其它折返方式，更高效，更省時(shí)，能有效地提高運(yùn)營(yíng)效率。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范——需求規(guī)范，2013