軌道交通信號系統安全技術及發展分析

張艾鈴

摘要：文章對軌道交通信號系統的構成進行介紹，對該系統運行期間的車輛安全距離控制機制有效性進行模擬分析及驗證。采用平面模型分析法模擬軌道交通車站前后兩車依次進入、停留、駛離過程中的安全距離控制方法，對時間、距離等參數進行計算，從而判定系統安全控制技術是否具有可行性。結果顯示，在軌道交通信號系統控制下，如果列車的性能完全一致，則基于CBTC移動閉塞安全控制的方法足以保證相鄰兩列車的行車安全，不會發生碰撞。未來，這種安全控制技術應增加更多的危險判定機制，為信號系統提供更多的安全信息，確保列車行駛安全。

關鍵詞：軌道交通信號系統；安全控制技術；CBTC列車控制技術；移動閉塞技術

中圖分類號：U49? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）01-0049-04

0 引言

城市軌道交通信號系統的作用是保證軌道列車安全運行，實現行車指揮和列車運行現代化，提高運輸效率。業界針對軌道信號交通系統進行一系列設計、應用、評價，已經總結出控制列車安全運行的信號控制機制，即對相鄰兩列車當前所處位置、兩車之間的距離、前車啟動時后車的安全距離模擬控制等均總結得出相應結論。本文對軌道交通信號系統的發展過程及其構造進行了介紹，采用平面模型分析法對軌道交通信號系統運行過程中的判定機制等展開分析，總結該系統的可行性。

1 軌道交通信號系統的發展綜述

1.1 軌道交通信號系統的構成

現代城市軌道交通信號系統由運行線ATC系統、車輛段信號系統兩大部分構成（如圖1所示）。

1.1.1 ATC系統

ATC全稱Automatic Train Control，即列車自動控制系統，主要由自動防護系統（ATP）、自動信息監測系統（ATS）及自動運行系統（ATO）三個子系統（統稱為“3A”）組成［1］。在軌道列車運行前，自動運行控制系統需要設置行車指揮中心，在此基礎上，軌道沿線各車站還應設計區域性聯鎖控制系統，相關設備一般會被放置在控制站（有岔站），列車上也會攜帶車載控制設備。通常，控制中心與控制站之間用于傳輸信息信號的媒介是有線數據通信網（無線通信網絡起到輔助作用或在特定情況下專用于某些設備的通信，比如控制中心與列車之間主要基于無線網絡通信系統完成信息交互）。在無線網絡通信如火如荼地應用于各行各業的今天，軌道列車與控制中心之所以依然采用有線通信，是因為這種通信方式的穩定性、安全性高（出現通信線纜斷裂等事件的概率極低），控制信號能夠完整、及時地在設備間傳輸。在這種情況下，列車運行的相關信息、列車行進路線及沿途車站新近出現的特殊情況等信息均可以實現及時上傳，從而確保列車安全運行。

ATC系統中的3個子系統的功能介紹如下。

（1）ATP子系統（列車自動防護系統），主要對列車運行速度進行動態追蹤。當軌道列車即將或已經超速時，ATP系統會發出預警信息，提醒控制中心及車輛駕駛人員注意控制列車速度［2］。除此之外，ATP系統可以自動收集車輛當前所在位置信息并上傳至指揮中心，指揮中心收到信息之后，會對同一條軌道上相鄰兩列軌道列車的發車時間間隔、當前的距離等信息進行比對分析。最后，將經過分析論證的車輛發車時間等方案提交給車輛駕駛員，從而確保列車在安全的速度、距離、時間下運行。例如，當車輛到達某一車站后，停車時長需要從原方案的3 min提升至10 min，出現這種情況的原因可能是前方軌道或是車站出現突發情況，列車按照原計劃行駛有可能發生意外，因此要立即調整列車停車時長，確保當前車輛與其他車輛之間的距離、發車時間等重新回到安全范圍，方可繼續行駛。

（2）ATO子系統（列車自動運行系統），該系統的主要功能是實現“地對車控制”，即控制中心根據地面信息對列車進行驅動控制、制動控制、自動折返控制。

（3）ATS子系統（列車運行信息自動監測系統），該系統是對列車運行過程的狀態進行監控，系統會將監控信息及時反饋至列車調度人員，在不斷匯總每一列車輛的ATS信息之后，調度人員會對調度區間內的全線列車的運行方案、同軌道相鄰兩列軌道車之間的距離、接發車計劃進行調整。ATS系統可對列車運行過程中的實時軌跡進行自動記錄，自動生成、顯示、修改和優化對應的時刻表，確保列車安全運行。

1.1.2 車輛段聯鎖設備

車輛段聯鎖設備的主要功能是對車輛段的進路進行控制，經由ATS車輛段分機，完成與行車指揮中心的信息交換。現階段，軌道車輛段內試車線會設置若干與正線相同的ATP軌道電路及ATO地面設備，其主要作用是對車載ATC設備進行動、靜態試驗。比如，在軌道列車行駛或停靠的過程中，ATP軌道電路及ATO地面設備會收集列車的實時位置、運行狀況等信息，上傳至軌道交通信號系統總控制端。上述設備一般在局域網內連接，經由軌道沿線的光纜與調度中心實現信息互通。

1.2 軌道交通信號設備基于“地域”的劃分

1.2.1 控制中心設備

為保障軌道交通列車的行車安全，控制中心的設備主要包括中心計算機系統、綜合顯示屏、調度工作站等［3］。其中，核心設備是中心計算機系統，在軌道交通信號系統運行期間，系統運用的硬件設備采用常用和備用兩套熱備方式，既可以實現自動控制，又可以人工控制，并且兩種方式能隨時切換。

1.2.2 車站及軌旁設備

根據聯鎖設置的差異，軌道沿線車站可分為集中聯鎖站和非集中聯鎖站兩種類型。前者通常為有岔站，少數情況下可以設置為無岔站；后者通常是無岔站。在部分情況下，存在道岔的車站可以根據實際情況選擇由相鄰的車站進行臨時控制，使本站暫時成為非集中聯鎖站。

2 軌道交通信號系統安全控制技術的應用

2.1 基于通信的列車控制技術及控制系統

在計算機技術、通信技術、控制技術不斷升級的背景下，城市軌道交通信號安全控制技術也得到快速發展，現已經形成較為完善的列車控制系統（Communication Based Train Control，CBTC）；該系統實現車站、列車、行進區間控制及調動的自動化與一體化控制，解決傳統控制系統中功能單一、無法集中控制、信號通用性較差等問題，具有較強的應用性。

2.2 移動閉塞技術及控制系統

移動閉塞安全控制系統的運行原理是在軌道列車行駛區間，對相鄰兩輛列車之間的距離進行閉塞式動態追蹤。應用移動閉塞安全技術形成的行車安全控制系統會設定“目標追蹤內容”，即每一輛列車的車頭處會設置該系統，在行駛過程中，不斷向前方發射探測信號，一旦信號返回并提示“捕捉到同軌道前方存在其他列車（探測信號接觸到前方最近的列車尾端）”，則當前列車除了保持基本的安全距離，閉塞追蹤系統還會自動增加一段防護距離。當處于相對靠后位置的列車從最高速度開始制動時，系統會根據目標（前方列車）的距離、目標的速度、列車本身性能等參數進行計算，根據結果對當前車輛的行駛速度、與前車的安全距離等參數進行調整，從根本上降低碰撞事故發生的概率。

2.3 CBTC移動閉塞安全控制系統

CBTC移動閉塞安全控制系統是將CBTC系統及移動閉塞技術相結合應用，使同一條軌道上的相鄰兩列軌道列車在行駛過程中，后車能夠隨時監控、測量、計算與前車之間的距離，并自動與安全值比對后上傳至控制中心［4］。控制中心收到相關信息后，結合其他信息對軌道交通系統進行整體性調度，最終達到避免發生車輛碰撞事故的目的。

基于移動閉塞技術構成的安全距離，計算系統運轉期間相鄰兩列軌道列車的運行安全間隔時間示意圖（如圖2所示）。①如果基于平面觀察視角，列車1和列車2均向右側行駛，列車1在前，列車2在后。②由于上文提到城市軌道交通系統作為城市的基礎設施，建設目的是為廣大城市居民的出行提供便利。因此，在確保安全性（可以理解為相鄰兩列軌道列車始終保持足夠的安全距離）的前提下，應盡量增加單位時間內發車的數量。為確定單位時間內的發車數量，在軌道列車正常行駛速度恒定且一致的情況下，需對相鄰兩列軌道列車進站、出站過程中的降速、增速過程進行全面分析。③列車1在某個時刻、某個車站完全停車后，準備啟動駛離當前車站（以地鐵站為例，某列車按照常規方案在某站停靠且乘客已經上下車完畢，列車即將從停靠狀態轉換為啟動狀態）；列車2即將進入該車站，車速從正常行駛速度（可視為最大行駛速度）逐漸降低。明確上述初始條件后，移動閉塞安全追蹤控制系統的重點追蹤對象為列車2的行駛速度從最大降至0所需的時間是否能確保列車1正常啟動并逐漸駛離車站、兩列車之間的最小距離是否超過安全距離。

用于計算的重要參數分別設置如下：①列車1、列車2的性能一致，在速度為0的情況下，啟動加速度為a，從最大行駛速度為Vmax（列車在行駛區間內的最大允許行駛速度，并非列車能夠達到的最大速度）狀態下開始制動的減速度為b。②兩輛列車的車身長度均為Lt，制動反應（行駛速度從最大降至0所需的時間）為t。③車站處停靠的軌道列車前后設置的安全防護段距離均為Ls。④列車1當前處于停靠狀態，列車2當前處于最大行駛速度Vmax，但下一刻需制動時，兩列列車之間的距離為L。⑤準移動閉塞列車運行安全間隔時間為ts1（列車1從停車—啟動—駛離車站所需時間），移動閉塞列車運行安全間隔時間為ts2（列車2運行速度從最大降至0并最終停靠在車站，此時列車1已經駛離車站，兩車之間的距離至少為Ls）。⑥應用移動閉塞安全控制技術后，采用數字軌道電路，構成準移動閉塞、移動閉塞安全控制機制，最小的定位單元（即最小的量化單位）用Lmin表示。

（1）在準移動閉塞中，軌道列車之間的距離以Lmin的整數倍形式表示，即

[L=nLmin] （1）

（2）公式（1）為一種設定性公式，主要用于表示L與Lmin之間的倍數轉化關系。如圖2及上文論述內容，L的表達式如下：

[L=t×Vmax+V2max2b] （2）

（3）對軌道列車運營停車點（車站）、定位單元分界處可能發生的情況進行梳理后，得出一種“最不利的情況”，可以籠統地理解為在這種“最不利的情況”下，相鄰兩列軌道列車必定會發生碰撞（即使是最輕微、不會引起兩列列車損傷的碰撞也包含其中，相當于一種“臨界判定條件”，即在這種條件下，相鄰兩列車介于“碰撞”及“不碰撞”之間，是一個邊界值）。在這種情況下，n的取值便成為一個決定性因素。n的取值計算公式如下：

[n=2+INTLLmin] （3）

公式（3）中，INT表示整數運算。

（4）不能對ts1、ts2進行單獨計算，因為兩列列車所經歷的時間是相同的，但在文字論述層面，可將列車1、列車2對應的時間表示為ts1和ts2，具體計算時，應拆分成3個部分，分別以t1、t2、t3表示，t1表示列車1駛出車站且通過安全防護區段Ls所需的時間；t2表示列車2從最大行駛速度至完全停穩所需的時間。t3表示列車2以最大行駛速度行駛過區間距離所消耗的時間。計算t1時需要考慮以下兩種情況：一是根據物理速度、加速度、距離之間的關系，如果Vmax的值超過[2a（Lt+Ls）]（Lt表示列車1從啟動開始到列車2在車站停穩時駛過的距離，但這個距離需要減去Ls距離），并且（Lt+Ls）與[12at21]的值相等時，表明列車1會以加速度a駛離車站且駛過Ls距離，此時：

[t1=2（Lt+Ls）/a] （4）

二是如果Vmax的值未超過[2a（Lt+Ls）]，并且L+Ls的值等于[V2max2a]+[Vmax（t1?Vmaxa）]時，表明列車1會在加速度a的驅動下，將自身速度提升至Vmax，之后會以最大行駛速度行駛，駛過的距離為Lt+Ls。此時：

[t1=2a（Lt+Ls）+V2max2aVmax]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

t2的表達式為Vmax/b，t3的表達式為（L+Ls）/Vmax。完成計算后，將t1、t2、t3進行比較，便可確定原方案是否能夠確保兩車均處于安全狀態。

3 結語

綜上所述，軌道交通系統中的列車運行、車站準備等工作均通過信號的感知、接收完成相應的調度，使系統維持正常運轉。本文基于平面模型分析法，對軌道交通信號系統的安全控制技術應用原理（主要是對相鄰兩列車的安全距離、時間的判定等）進行分析，得出的結論如下：按照現有的安全控制技術，相鄰兩列車發生碰撞的概率極小，表明我國軌道交通系統整體運行安全性較高。本研究的不足之處是未考慮出現突發情況時，上述安全控制技術是否依然適用。比如，相鄰兩列車之間突然有其他物體進入，在這種情況下安全控制技術是否依然有效。基于此，應在后續研究中重點圍繞這類情況展開分析，使本文結論更加完善。

4 參考文獻

［1］鄭歡.城市軌道交通大發展背景下通信信號系統中新技術的應用及崗位新需求分析［J］.運輸經理世界，2022（26）：77-79.

［2］李景虎.基于城市軌道交通無人駕駛技術的站臺門系統與信號系統接口設計與測試［J］.城市軌道交通研究，2021，24（12）：101-105.

［3］王燕芩，張程.基于數據安全校核技術的城市軌道交通信號系統站場數據生產方案［J］.城市軌道交通研究，2021，24（4）：79-81，84.

［4］劉湘國，劉昌錄.軌道交通信號系統安全技術的發展與現狀探究［J］.江西建材，2020（3）：145-146.