CBTC系統中正線信號機點燈方案的研究

楊平 秦鳳杰

（卡斯柯信號有限公司 上海市 200070）

隨著城市軌道交通的不斷發展，目前CBTC 技術已經相當普及，普遍運用于各城市的軌道交通信號系統中。基于通信的列車自動控制系統（Communication Based Train Control system，CBTC），CBTC 系統不同于傳統的固定閉塞技術，是通過采用移動閉塞技術來實現了列車的緊追蹤，顯著縮短了列車的安全間隔，極大地提高了運營效率，滿足當今城市軌道交通信號系統“小編組，高密度”這個最先進的設計理念。CBTC 系統在正常情況下采用CBTC 模式，在降級運營情況下采用點式后備或是聯鎖后備模式。CBTC 系統中，CBTC 列車和非CBTC 列車可以在線路上安全高效地自動混跑運營。非CBTC 列車在線路上運行，需依靠傳統的固定閉塞技術來保證安全運行間隔。為了管理非CBTC 列車，正線需配置信號機。

1 CBTC系統中相關概念

1.1 固定閉塞

固定閉塞,是把次級檢測設備劃分成多個分區，且一個閉塞分區只允許有一列列車，這種技術以固定的閉塞分區為單位來追蹤列車間的安全間隔[1]。軌旁信號機設置在各分區，用來防護前后追蹤列車之間的安全距離，根據列車運行時對軌道區段分區的占用狀態、以及列車的運行方向，軌旁信號機來確定其對應的顯示。在固定閉塞技術下，列車則需要根據軌旁信號機的顯示行車。

在CBTC 系統不具備ATP 功能或者車載設備通信完全故障的情況下，線路值班員可選擇使用點式后備或純聯鎖后備模式作為降級模式來指揮列車運行。在點式后備和聯鎖后備模式中，列車用以信號機為間隔的固定閉塞模式，一條進路里只允許運行一列列車。降級模式下系統采用的是固定閉塞技術，故列車需根據正線上的軌旁信號機顯示來運行。

1.2 移動閉塞

移動閉塞沒有了物理層次上的分區劃分，取而代之的是邏輯閉塞分區，一個邏輯閉塞分區中只能有一列列車[2]。移動閉塞是實時動態地追蹤列車間隔，前后列車之間的運行間隔不是固定的，是動態變化的。后車移動授權終點可以連續追蹤到前車尾部虛擬占用邊界，能實現多列列車運行在一條聯鎖進路中，故而實現了列車安全運行間隔的縮短，實現了運營效率的極大提高，也符合當今城市軌道交通信號系統“小編組，高密度”這個最先進的設計理念。

移動閉塞能夠確保線路上所有列車的安全間隔，其原理如圖1。與基于確定間隔的固定閉塞相比，移動閉塞通過區域控制器（ZC）根據列車的移動建立一個虛擬安全區域，該安全區域通常被稱為自動防護（AP）。其他列車無法接近此AP，從而防止列車的碰撞。

區域控制器（ZC）為軌道上每輛列車分配一個被稱為自動防護（AP）的安全范圍。自動防護AP 能有效阻止附近其他列車的接近，因為軌道上一個列車的AP 是不允許其他列車進入的

列車車載周期性地將位置信息發送給區域控制器（ZC），區域控制器（ZC）將移動授權終點發送給列車車載，區域控制器（ZC）根據列車的位置信息來建立列車的自動防護AP 并給出移動授權終點。

1.3 混跑

CBTC 系統具有靈活的控制模式，它有點式后備及聯鎖后備等降級運營模式。系統可安全高效地管理CBTC 列車以及非CBTC 列車在線路上自動混跑運營。CBTC 列車指的是在系統正常運行模式即CBTC 模式下的列車，非CBTC 列車指的是系統故障后運行在降級模式即點式后備或聯鎖后備模式下的列車。

正常情況下，工程車只能在非運營時段上線運行。工程車是不裝備車載ATP 設備的，運行模式為聯鎖后備模式，司機以地面信號的顯示作為依據來駕駛列車，列車運行的安全由聯鎖設備和司機等共同保證。

當線路上某個區域由于某種原因的故障只能以點式后備或是聯鎖后備模式來進行運營時，線路上的無故障區域仍然可按照CBTC模式來正常運營。列車在無故障區域采用CBTC 下的駕駛模式正常運行，在故障區域采用點式后備或是聯鎖后備下的駕駛模式運行，因此全線具備良好的混合運營能力。

當某輛車因故障只能以后備模式來進行運營時，線路上的無故障車輛仍然可以繼續按CBTC 模式正常運營。故障車的車載設備在后備模式下是按照軌旁信號機的顯示信息以及中心調度員的命令來駕駛列車運行。故障車的安全防護由司機、聯鎖設備、以及調度員等共同保證。對于無故障車輛，車載控制器從區域控制器接收到的移動授權信息，其中已包含從聯鎖得到的故障車輛占用的區段信息，其安全防護和正常運營情況下是一樣，由聯鎖和區域控制器共同負責。

2 車載信號顯示的含義

正常情況下，CBTC 列車根據車載信號來運行，軌旁信號機不作為其行車依據。

車載信號顯示，通常是駕駛員車載人機界面，這是液晶觸摸屏，其主要作用是顯示相關信息，必要情況下可供駕駛員操作，如圖2所示。人機界面上會顯示推薦速度（黃色三角所示速度）和緊急制動觸發速度（紅色三角所示速度）以及列車的操作指示，司機可按照人機界面上的推薦速度來運行列車，并可依據列車的操作指示來控制列車。列車的速度不能超過界面上的緊急制動觸發速度，當列車駕駛速度已經超過車載的推薦速度但并未到達緊急制動觸發速度時（即速度在黃色三角與紅色三角之間），系統就會發出告警聲音并伴有提示。所以，列車司機必須嚴格遵守車載信號顯示，執行車載信號的緊急制動觸發速度，使列車速度保持在緊急制動觸發速度以下，以保證不超速行駛，來確保安全。

3 正線信號機的點燈方案

CBTC 系統中，正線信號機的點燈方案有兩種：滅燈、點燈。這兩種方案下，對于正線上的特殊位置包括從停車場或是車輛段/進入正線的第一架信號機、聯絡線進入正線的第一架信號機，都需要在正常情況下點燈，因為這些信號機用來防護從外面非CBTC 區域進入CBTC 區域邊界的非通信車；以及軌道末端的阻擋信號機，也需要在正常情況下點亮，因為阻擋信號機用來防護車檔[3]。對于正線上其他非特殊位置的信號機，下面分別介紹這兩種點燈方案。

3.1 滅燈方案

該方案下對于CBTC 列車，軌旁信號機采用滅燈方案，有兩種形式：

（1）常態滅燈非CBTC 車接近點燈方式；

（2）常態點燈CBTC 車接近滅燈方式。

3.1.1 常態滅燈非CBTC 車接近點燈方式

此種點燈方案下，對于CBTC 列車，正線軌旁信號機的常態顯示為滅燈，列車根據車載信號來運行。對于非CBTC 列車，其接近信號機時，正線軌旁信號機會點亮，司機根據地面信號顯示行車[4]。

（1）CBTC 模式下信號機的顯示方案。CBTC 模式下，正線軌旁信號機的常態顯示為滅燈，列車按車載信號行車。

（2）后備模式下信號機的顯示方案。后備模式下，不管是點式后備還是聯鎖后備，正線軌旁信號機的顯示狀態為點亮，列車用以信號機為間隔的固定閉塞模式，即一條進路內只允許一列列車運行，司機根據地面信號顯示行車。

（3）混合運營模式下信號機的顯示方案：

1.在混合運營模式下，信號機顯示方案為點燈和滅燈相結合的方式。

2.在降級模式下，系統具備室外自動點燈功能。如果某個區域軌旁設備故障，那么該區域內信號機將被點亮，軌旁信號機作為主體信號，運行在該區域的列車則根據信號機的顯示運行。

3.如果某列車故障，當運行在后備模式下的該列車進入某個信號機的接近范圍距離內時，信號機將自動點亮，故障列車按照信號機的顯示行車。

4.當CBTC 列車的前方為非CBTC 列車時，所有處于這兩個列車之間的軌旁信號機均滅燈。

5.在CBTC 列車與非CBTC 列車混合運行時，非CBTC 列車前方的信號機的顯示根據前方軌道區段的列車占用/空閑情況采用點燈方式，CBTC 列車前方的相應信號機的顯示為滅燈狀態,如圖3 所示。

3.1.2 常態點燈CBTC 車接近滅燈方式

此種點燈方案下，正線軌旁信號機的常態顯示為點燈，對于CBTC 列車，其接近信號機時，正線軌旁信號機會滅燈，列車根據車載信號來運行。對于非CBTC 列車，正線軌旁信號機會點燈，司機根據地面信號顯示行車[4]。

（1）CBTC 模式下信號機的顯示方案。正線軌旁信號機的常態顯示為點燈，當CBTC 列車接近信號機時，位于其移動授權距離范圍內的軌旁信號機自動滅燈，在車子越過信號機后，信號機又會繼續點紅燈，若后續列車為通信故障列車或未裝備列車等非CBTC列車時，室外信號機保持亮燈，司機根據地面信號顯示行車；若后續列車又是CBTC 車時，當后續列車接近信號機時信號機會再次滅燈，司機根據車載信號行車。

（2）后備模式下信號機的顯示方案。后備模式下，不管是點式后備還是聯鎖后備，正線軌旁信號機的顯示狀態為點亮，列車用以信號機為間隔的固定閉塞模式，即一條進路內只允許一列列車運行，司機根據地面信號顯示行車。

（3）混合運營模式下信號機的顯示方案：

1.在混合運營模式下，信號機的顯示方案為點燈和滅燈相結合的方式。

2.在降級模式下，系統具備室外自動點燈功能。如果某個區域的軌旁設備故障故障，那么該區域內信號機將被點亮，信號機且作為主體信號，運行在該區域的列車根據信號機的顯示來運行。

3.如果某列車故障，當運行在后備模式下的該列車進入某個信號機的接近范圍距離時，信號機將自動點亮，故障列車按照信號機的顯示。

4.在CBTC 列車與非CBTC 列車混合運行時，非CBTC 列車前方的信號機的顯示根據前方軌道區段的列車占用/空閑情況采用點燈方式，CBTC 列車前方的相應信號機的顯示為滅燈狀態，如圖4 所示。

3.2 點燈方案

該方案下對于CBTC 列車，軌旁信號機采用點燈方案，有兩種形式：沒有特殊燈位的點燈方式和有特殊燈位的點燈方式。

此種方案下，正線軌旁信號機的常態顯示為點燈，CBTC 列車根據車載信號來運行。

（1）CBTC 模式下信號機的顯示方案：

1.CBTC 模式下軌旁信號機采用點燈方案，車載信號為主體信號，車載信號作為列車的行車憑證，并應與軌旁信號顯示保持一致，軌旁紅燈信號為禁止信號。

2.軌旁信號顯示與車載信號保持一致，當CBTC 列車的移動授權終點跨過信號機時，表示允許列車通過，該信號機開放允許信號，否則顯示禁止信號。司機按照車載信號的指示駕駛列車(包括按照車載信號的建議速度、控制列車在停車點停車等)。系統提供列車的全部ATP 防護來保證行車的安全。

3.因為CBTC 車以車載信號作為主體信號，故此方案下可以信號的開放不檢查燈絲是否完好。即使信號燈絲斷絲，也可不改點紅燈。當軌旁信號機顯示允許信號時，列車的移動授權可穿越該信號機。信號機滅燈不會影響列車行車，但通常為了讓車載信號與軌旁信號保持一致，不至于讓司機產生錯覺，當軌旁信號機顯示禁止信號時，或是禁止信號的信號機因故滅燈，該信號機應視為禁止信號，列車的移動授權不可穿越該信號機。

4.信號機允許和禁止，在CBTC 模式下和后備模式下分別代表不同的含義[2]。CBTC 模式下信號允許開放狀態不代表區段空閑的含義，只表示進路處于鎖閉狀態，在沒有其它限制點（如屏蔽門、緊急停車區域等）的情況下，列車的移動授權終端可延伸至前車包絡的尾部，允許信號指的是列車前方移動授權范圍內的信號機可以開放綠燈。后備模式下的信號允許代表區段空閑的含義。如圖5，CBTC 模式下的點燈方案中，區間的計軸區段BC 被列車1 所占用，因為列車2 的車尾位置B 點是列車1 的移動授權點，所以列車1 的車載信號為允許狀態，這時S2-S3 的進路建立，信號機S2 可以開放綠燈即允許信號，從而列車1 可以越過S2 往前行駛[2]。

在后備降級模式下，列車1 占用BC 區段，根據一個固定閉塞區間只能有一列列車的原理，這時信號機S2 顯示紅燈即禁止信號，列車1 的車載信號也為禁止，S2-S3 的進路無法建立，從而列車1不可以越過S2 往前行駛，只有當列車2 越過S3 之后，信號機S2才能開放綠燈[2]。

（2）后備模式下信號機的顯示方案。后備模式下，不管是點式后備還是聯鎖后備，正線軌旁信號機的顯示狀態為點亮，列車用以信號機為間隔的固定閉塞模式，即一條進路內只允許一列列車運行，司機根據地面信號顯示行車。

（3）混合運營模式下信號機的顯示方案：

首先,通過幾何畫板的動態演示,組織學生探討二次函數y=ax2+bx+c(a≠0)的圖象與x軸的交點問題,由此建立它與相應方程ax2+bx+c=0根的聯系,得出下表：

1.在混合運營模式下，當接近信號機的列車為CBTC 列車時，信號機的顯示方案為點燈方式，當接近信號機的列車為非CBTC 列車時，信號機也是點燈[5]。

2.在降級模式下，如果某個區域的軌旁設備故障，信號機且作為主體信號，運行在該區域的列車根據信號機的顯示來運行。

3.如果某列車故障，當運行在后備模式下的該列車接近某個信號機時，信號機將自動點亮，故障列車按照信號機的顯示。

4.運行在CBTC 模式下列車，車載信號為其主體信號。

5.在混合運營模式下，即當CBTC 列車與非CBTC 列車混合運行時，列車的前方信號機均為點燈，但是其點燈邏輯和含義是不同的。對于非CBTC 列車，前方信號機的點亮綠燈允許表示區段是空閑的，否則若區段被占用則應點禁止信號紅燈。對于CBTC 列車，信號允許開放狀態不代表區段空閑的含義，只表示進路處于鎖閉狀態[6]。如圖6 所示。

3.2.2 有特殊燈位的點燈方式

為了區分列車是運行在CBTC 模式還是后備模式，在原有的燈位上增加一個特殊燈位，例如點藍燈。當系統運行在CBTC 模式下，該特殊燈位（如藍燈）一直點亮，在列車的運行過程中保持點燈狀態不變。此特殊燈位不允許非CBTC 車經過，只允許CBTC 列車經過，車載信號作為CBTC 列車的行車憑證[5]。

圖1：移動閉塞的原理

圖2：車載人機界面

圖3：混跑場景下的信號機顯示

圖4：混跑場景下的信號機顯示

圖5：兩種模式下的信號機顯示場景

圖6：混跑場景下的信號機顯示

（1）CBTC 模式下信號機的顯示方案。正常運行模式下，正線室外信號機特殊燈位如藍燈點亮，其他燈位不點亮，正線區段列車以車載信號作為行車憑證。

（2）后備模式下信號機的顯示方案：

1.系統在CBTC 通信故障情況下具備自動室外點燈功能，當故障恢復后，室外自動恢復特殊燈位如藍燈。

2.在后備模式下，軌旁信號機為主體信號。CBTC 通信故障車、救援車、工程車等無車載信號的列車以及地面軌旁通信故障情況下，系統降級運行，即列車運行在點式后備模式或是聯鎖后備模式。列車則根據軌旁信號機的顯示來運行。

3.后備模式下，不管是點式后備還是聯鎖后備，正線軌旁信號機的顯示狀態為點亮，列車用以信號機為間隔的固定閉塞模式，即一條進路內只允許一列列車運行，司機根據地面信號顯示行車。

（3）混合運營模式下信號機的顯示方案：

1.在混合運營模式下，信號機的顯示方案為點燈方式（特殊燈位點燈和普通燈位點燈）。

2.在降級模式下，系統信號機的特殊燈位如藍燈滅燈，具備室外自動點燈（普通燈位）功能。如果某個區域的軌旁設備故障，那么該區域內信號機將被點亮，特殊燈位如藍燈滅燈，信號機且作為主體信號，運行在該區域的列車根據信號機的顯示來運行。

3.如果某列車故障，當運行在后備模式下的列車接近某個信號機時，信號機將自動點亮，特殊燈位如藍燈滅燈，故障列車按照信號機的顯示。

4.運行在CBTC 模式下列車與其追蹤前方的降級模式下列車之間的所有軌旁信號機的顯示為點特殊燈位（如藍燈）狀態。

5.在CBTC 列車與非CBTC 列車混合運行時，非CBTC 列車前方的信號機的顯示根據前方軌道區段的列車占用/空閑情況采用點燈（普通燈位）方式，CBTC 列車前方的相應信號機的顯示為點特殊燈位（如藍燈）狀態，如圖7 所示。

圖7：混跑場景下的信號機顯示

4 方案優缺點對比

4.1 常態滅燈非CBTC車接近點燈方式優缺點

此方案優點是正常情況下列車以車載信號作為其行車信號，司機操作簡單，只需要關注車載信號即駕駛員人機界面即可，不用關注軌旁信號機；不會出現由于地面軌旁信號顯示與車載信號顯示不一致而給司機造成不必要的干擾的情況；不會因為軌旁信號機燈絲斷絲的故障而影響列車正常運行；由于常態滅燈，系統可以減少大量的熱量排放，從而節能；列車司機可以通過信號機顯示來區分系統是處于CBTC 模式還是后備模式。

此方案的缺點是不能及時檢查信號機燈絲狀態因平時信號機都處于滅燈狀態，故需要通過夜間停運時借助強制點燈來檢查燈絲是否良好正常；司機若是一直習慣了滅燈駕駛，會導致其無法迅速準確地判斷出信號機的位置；當系統降級為后模模式或是駕駛非裝備列車時，在軌旁信號機因故障原因無法正常點亮的情況下，司機有可能會錯誤地判斷為系統仍然處于CBTC 模式下，故需制定相關規程來保證此種故障情況下的安全：非CBTC 列車遇到信號機故障不能點亮時應視為禁止信號

4.2 常態點燈CBTC車接近滅燈方式優缺點

此方案下由于信號機常態點燈，故可以及時監測燈絲狀態，及時發現燈絲斷絲等故障；其他優點同常態滅燈非CBTC 車接近點燈方式。

缺點同常態滅燈非CBTC 車接近點燈方式。

4.3 沒有特殊燈位的點燈方式優缺點

此方案優點是能及時檢查信號機燈絲狀態，因信號機平時都處于點燈狀態[4]；有助于司機熟練了解軌旁信號機的位置，當系統降級為后模模式或是駕駛非裝備列車時司機能根據熟悉的信號機位置遵守信號機顯示來行車；司機可及時分析出道岔是處于直向還是側向位置，因道岔防護信號機會用不同顏色的燈光來區分[6]。

此方案缺點是會出現車地信號不一致的情況，即車載信號顯示與地面軌旁信號顯示不一致，從而對司機駕駛列車造成一定干擾；信號機正常情況下一直點亮很費電會散發很多量，不環保不節能；司機需要同時關注軌旁信號機顯示狀態和駕駛員人機駕駛界面，操作不太方便，容易增加司機的疲勞感；信號機故障會導致CBTC 列車不能正常運行；系統不能根據信號機的顯示狀態來區分出列車是處于CBTC 模式還是后備模式。

4.4 有特殊燈位的點燈方式優缺點

此方案優點是可明確表示系統是否處于CBTC 模式，有助于司機熟練判斷信號機的位置。

此方案缺點是司機需要同時關注軌旁信號機顯示狀態和駕駛員人機駕駛界面，操作不太方便，容易增加司機的疲勞感；額外增加了信號機的顯示燈位，從而增加了開銷費用成本，不節能不環保；特殊燈位的信號機故障會導致CBTC 列車不能正常運行；除了特殊燈位外的其他燈位的燈絲故障不易被及時地發現。

5 結語

本文介紹的四種點燈方案各有其優缺點，目前在國內的軌道交通信號系統中都有運用。各地運營商在選擇點燈方案時，應綜合考慮既有的習慣、已有線路的特點、運營需求等多種因素，選擇恰當的方案。