基于通信的列车控制技术下城市轨道交通轨旁信号的分析

朱 莉

(上海轨道交通维护保障中心通号分公司,200233,上海∥工程师)

在城市轨道交通中,为保证列车运行安全,必须保证列车以一定的安全间隔运行。实现这种间隔的技术称为闭塞,即用信号或凭证来保证列车按照空间间隔制运行的技术方法[1]。闭塞技术包括固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。

移动闭塞是一种新型的闭塞制式,是实现CBTC(Communications-Based Train Control,基于通信的列车控制)的关键技术之一。CBTC是这种闭塞的应用系统[2]。

1 城市轨道交通系统中轨旁信号的作用

对于固定闭塞,轨道交通线路被划分为若干闭塞分区。在一个或多个闭塞分区之间设置轨旁信号机对分区进行防护,根据闭塞分区的方向及列车运行时对分区的占用状态,确定防护该分区的轨旁信号显示。列车则根据信号显示运行。

当采用移动闭塞时,不需要真正的物理闭塞分区,只有逻辑闭塞分区或者说是虚拟闭塞分区。轨旁CBTC系统根据联锁系统给出的道岔位置、闭塞分区方向等安全变量,给出列车的移动授权;列车再根据前方列车的位置和速度,计算自己的运行速度曲线,以保证列车安全的运行间隔。于是,有人提出,由于CBTC技术的应用,列车依靠移动授权来运行,轨旁信号并无实际意义,是否可以取消,从而节约工程造价和施工工作量,并减少后期的维护。

CBTC技术目前尚处于发展初期,经过近几年的运营实践,发现有许多不确定因素,比如通信故障、列车自动控制系统故障等。当发生这些故障时,由于城市轨道交通运营的特点,必须保证不间断运营,且轨道线路中有时需要运行未装备CBTC的列车(非通信列车)、救援列车等,这就需要有后备模式可以选用。在后备模式下,列车需要根据轨旁信号和物理闭塞分区提供的安全防护维持运行。后备模式的选用,增加了城市轨道交通控制系统的技术难度。

2 CBTC技术下的轨旁信号显示

轨旁信号在CBTC模式和后备模式下所起的作用显然是不同的。在CBTC模式下,轨旁信号只是一个辅助设备,但列车的运行又不能违背传统的轨旁信号显示,如果轨旁信号和车载信号显示不一致时,反而给运行速度的判断带来困扰。因此,本文分别对后备模式、CBTC点灯模式和CBTC灭灯模式进行分析。

2.1 CBTC点灯模式

CBTC点灯模式,即在CBTC模式下,轨旁信号采用点灯的显示方式。上海轨道交通6、8、9号线以及北京地铁机场线都采用了CBTC点灯模式。

在CBTC模式下,轨旁信号机显示允许信号和禁止信号的逻辑与后备模式是不同的。CBTC模式时,列车将按照移动授权(LMA)的命令来运行,所有LMA范围内的信号机显示允许信号,这样可以缩短运行间隔,提高运营效率(如图1所示)。

图1 CBTC点灯模式

图1中,在CBTC点灯模式下,由CBTC系统来保证列车的运行间隔。当列车 A在EF区段运行时,可以为列车B建立以D 点(S1信号机处)为始端通向EF区段的进路;进路建立、道岔锁闭、敌对进路未建立时,S1信号机显示绿灯,指示列车B能驶过S1继续前行。列车A与列车B的间隔距离通过CBTC系统计算来保证安全。

这种设计方法,同一架轨旁信号所防护的进路中允许同时有一列以上列车运行,其安全距离由CBTC系统来保证。轨旁信号所防护的进路中有车在运行时,允许点亮允许信号,这与既有的计算机联锁技术条件中规定的“防护该进路的信号机必须检查其进路空闲[3]”不相符。并且当S1由于故障不能正常点亮绿灯时,虽然CBTC模式下不会迫使列车停在S1前方,但会对司机产生混淆,有可能影响运营效率。

2.2 CBTC灭灯模式

CBTC灭灯模式,是在CBTC模式下,轨旁信号采用灭灯的显示方式。北京地铁2号线、上海轨道交通10号线均采用了CBTC灭灯模式。

在CBTC灭灯模式下,列车完全依赖于车载信号运行,轨旁信号只能为车载系统、无线通信系统或其它轨旁设备故障时提供一种后备显示(如图2所示)。

图2中,在CBTC灭灯模式下,当列车A在EF区段运行时,可以为列车B建立以D点(S1信号机处)为始端通向EF区段的进路,进路建立、道岔锁闭、敌对进路未建立时,CBTC系统为列车B提供“允许信号”(这里的“允许信号”并不是说S1信号开放,只是给出了列车 B在S1前方运行的移动授权),指示列车B可以越过S1,按规定速度运行。列车B与列车A的安全距离由CBTC系统保证。

图2 CBTC灭灯模式

在CBTC灭灯模式下,轨旁信号处于灭灯状态,列车运行的安全间隔距离由CBTC系统来保证。由于运行图中可以方便地搜索和计算前方是否有列车在运行,以及前方列车运行的速度,并且可以实时更新列车位置信息,大大提高了运行的效率;同时轨旁信号平时不点亮任何灯光,可以节约能源、减少热量排放。

当然,CBTC灭灯模式也有缺陷,如无法实时检测信号机的故障情况。在CBTC运行模式下,如果设备发生故障启用后备模式时,联锁子系统根据区段占用情况、道岔位置等信息开放轨旁信号机,为司机行车提供安全指令。此时,假设信号机也发生故障,无法正常开放时,后备模式也无法正常使用,使得故障影响扩大化。因此,如果采用CBTC灭灯模式,建议夜间停运期间,维护人员定期人工开放信号机,检查信号机状态,以免发生不能正常启用后备模式的情况发生。

2.3 后备模式

上海地铁信号系统由于工期较紧,在CBTC系统投入使用前,往往会先开通后备系统。后备系统通常是由联锁、闭塞和点式超速防护系统等构成的,为线路开通初期的运营提供安全保障。

在CBTC系统开通后,后备系统作为ATC(列车自动控制)系统的组成部分,又可以作为一种降级模式使用,为车载设备故障的运营列车或非通信列车(工程车等)提供联锁及闭塞防护功能;或当无线通信子系统故障或轨旁区域控制器发生故障(不含联锁相关设备)时,对相应故障区域内的列车提供联锁、闭塞及点式超速防护的功能。当CBTC系统运行正常时,不采用后备模式。

在后备模式下,上海已经开通的轨道交通6、8、9号线采用“双红灯”防护的理念,并且每个信号机前方都有相关联的信标。当信号机显示允许信号(绿灯或白灯)时,相对应的信标通电;若信号机显示禁止信号,则信标失电。此时若列车冒进信号,将触发紧急制动,以确保运行安全。如图3所示,当列车A在EF区段运行时,信号机S1、S2必须都显示红灯,以防止列车B驶入;如果一旦列车B越过红灯信号S1,车载设备由于检测不到与信号机S1允许显示相应的应答器,从而触发一个紧急制动,迫使列车停车,以保证不越过第二架红灯信号机S2。

图3 后备模式的轨旁信号显示

2.4 模式转换

在CBTC技术条件下的信号系统中,其CBTC子系统和联锁子系统都有CBTC模式与后备模式两种模式,可实现自动转换。模式转换的条件,由CBTC子系统和联锁配合完成,CBTC子系统提供当前所处模式信息,发送给联锁子系统,最终由联锁子系统判断后决定轨旁信号的点灯模式。当CBTC子系统和联锁子系统选择相同的模式时,系统根据所选模式运行。当CBTC子系统和联锁子系统选择了不同模式时,应以较低一级的模式处理,确保系统安全运行。

1)选择CBTC模式:联锁根据CBTC模式下的技术条件,所建立的进路不检查区段空闲,CBTC系统将移动授权、运行方向等信息发送给车载系统,列车根据CBTC子系统的移动授权运行;轨旁信号处于灭灯或点灯状态。

2)选择后备模式:联锁根据后备模式下的联锁技术条件,检查进路中的轨道区段空闲并满足进路的其它联锁条件,才能开放轨旁信号;运行间隔由联锁保证安全,列车根据轨旁信号显示运行;轨旁信号处于点灯状态。

根据设计的需要,同一条轨道交通线路中不同的轨旁信号可以处于不同的模式。如图3中的轨旁信号S1和S2,可以选择不同的模式,S1、S2可根据当前所处的状态,分别选择CBTC模式和后备模式。

3 结语

CBTC系统采用先进的通信、计算机技术,对列车进行实时、连续地控制,能够缩短运行间隔,提高运营效率。目前国内正在大力修建客运专线。针对仅开行动车组的客运专线,信号机常态灭灯,如车载设备故障或开行未安装ATP(列车自动防护)车载设备的列车时,按照站间闭塞模式运行,信号机转为点灯状态[4]。广株客运专线、沪杭客运专线、武广客运专线等,都将采用这种轨旁信号显示方式。总之,在CBTC技术下,城市轨道交通系统采用轨旁信号灭灯的显示方式,可以满足大容量的城市轨道交通系统的运营要求,同时也有利于实现节能减排的环境需求。

[1]TB/T 454—1981 铁路信号名词术语[S].

[2]蒋晟.基于通信的列车控制-CBTC[J].科协论坛,2009(2):74.

[3]TB/T 3027—2002 计算机联锁技术条件[S].

[4]铁运[2008]19号文.关于客运专线信号显示系统若干问题的指导意见[S].