城市轨道交通基于通信的列车控制系统后备模式方案

邢红霞

（西安铁路职业技术学院交通运输系，710014，西安∥副教授）

基于通信的列车控制（CBTC）系统已成为目前城轨信号系统的发展方向，该系统为目前最先进的列车运行控制系统。CBTC的突出优点是车－地双向通信，而且传输信息量大，传输速度快，很容易实现移动自动闭塞。该系统能大量减少区间敷设电缆，减少日常维护工作，缩短列车运行间隔，大幅度提高区间运营通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、不同运量、不同牵引类型的列车运行控制等。

CBTC信号系统虽然有众多优点，但是在实际运营中系统一旦发生故障，要求运行状态能够导向安全，这就需要一定的后备模式支持。在我国城市轨道交通所使用的CBTC系统中，增加后备模式基本上已经成为标配，并且在故障情况下后备模式都是自启动的。

1 CBTC的故障分类及后备模式方案

1.1 控制中心ATS系统故障

在CBTC系统中，一般会在线路上某个集中站设置一个列车运行自动监控系统（ATS）后备服务器。当控制中心ATS系统故障时（比如到控制中心的通讯中断），将使用后备站的ATS后备主服务器及通信服务器。在这种情况下，列车进路和车站发车将继续根据故障时使用的时刻表执行（见图1）。

图1 控制中心ATS系统故障下的后备方案

1.2 中央ATS或中央至车站的信息传输通道完全故障

如果后备站的ATS设备也故障，联锁将按自动信号的方式排列进路。当列车接近信号机，对非折返站联锁将开放直通进路，在折返站开放特殊的折返进路。折返进路可以在故障前通过ATS系统预先设定，或者在ATS故障期间通过本地控制工作站（LCW）进行设定。车站调度员也可以通过与正线联锁连接的LCW人工操作进路和信号。

当中央ATS或中央至车站的信息传输通道完全故障，系统自动降级为ATS故障情况下的车站级或联锁级控制（见图2）。对于集中式结构的系统在中央设有联锁设备，当中央ATS失效时，系统能够维持列车运行和控制的自动化，通过中央联锁设备实现基本进路和延续进路的自动排列，实现所有进路（含延续进路）的取消和人工解锁，并实现控制和监督列车位置状态、进路状态以及信号设备故障等基础信息的功能。

图2 信息传输通道完全故障下的后备方案

1.2.1 车站级控制

当中央ATS故障或中央通信故障时，控制中心（OCC）的调度员工作站不可用，可以采取车站级控制模式。在车站级控制模式下，各联锁区ATS工作站用户拥有本联锁区的控制权（并非全线），用户只能为本联锁区各车站的列车或设备发送请求。被授权的车站值班人员通过设备集中站的ATS设备实现对本联锁区内列车运行状态的监控、列车进路的自动排列、进路解锁等功能，但是不具备列车自动调整功能，列车到站停车、发车时间按系统预设时间来进行。计轴系统向车站值班人员反映列车对轨道的占用与出清状况。由于降级后车－地通信失效，车站紧急停车按钮不起作用，站台工作人员需要加强对站台客流的及时疏导与管理，防止因拥挤或其他原因导致乘客跌落轨道行车区域造成人身伤亡事故。

司机在此降级模式下视情况转换为iATP（点式ATP驾驶模式）、RM（限制人工驾驶模式）、NRM（非限制人工驾驶模式）中的任一驾驶模式。

在iATP驾驶模式下，系统实现点式ATP功能，包括列车超速防护功能、间隔防护功能、地面信号机防冒进功能和车站站台区域停车窗保护功能等。司机按照车载设备的推荐速度行车，由于信号系统不具备列车自动驾驶和自动调整功能，所以要求司机严格按照《运营时刻表》规定的开车点及发车表示器（DTI）显示掌握好停站和运行时间。只有前方进路排列好，给出信号机绿灯或黄灯显示，司机才可驾驶列车离开车站。若列车出现故障无法实现点式ATP的驾驶功能时，需要报行调同意后转换成RM模式（或行调授权URM模式）运行。

1.2.2 联锁级控制模式

在控制中心和车站ATS都不可用情况下，启用联锁级控制模式。在联锁级控制模式下，被授权的车站值班员利用计轴系统了解列车对轨道的出清或占用情况，通过操作LCW控制联锁设备进行进路的排列与解锁等工作，并且所有的列车进路前方均设置保护区段。排列进路时相应的保护区段必须是空闲和锁闭状态，在列车出清、满足解锁条件后才能对进路和保护区段进行解锁。在跨联锁区排列进路时相邻站间的操作人员应通过通信设备及时沟通配合作业，保证跨联锁区作业安全顺利。此时中央行调人员应做好降级模式下的协调与组织工作，车站值班员与司机保持及时通畅的联系，做好控制区域内的列车接发车工作，加强与站务人员的配合，实现在联锁级控制模式下的安全运营。

在联锁级控制模式下，提供固定闭塞列车间隔和联锁防护，不能提供其他的ATC功能，行车安全由司机全权负责。司机应严格按照轨旁信号机的显示与系统预设的速度和驾驶模式控制列车运行，列车到站的停站时间按照系统预设时间进行，只有前方进路排列好、信号机给出允许信号，司机才可驾驶列车离开车站。由于无法实现车地通信，所以要求司机在驾驶过程中及时向调度部门报告列车运行的状态信息与位置信息，按照信号固定闭塞原理行车。

计轴和轨道电路的作用几乎是一样的，轨道电路是联锁的一部分，计轴也是联锁的一部分，当计轴故障后联锁无法知道区段的占用信息，所以计轴故障联锁也“随之故障”。轨道电路故障后则采用电话行车或是地面标志信号（手摇旗等）行车，计轴故障后也采用上述行车方法。

1.3 轨旁设备故障

1.3.1 轨旁ATP／ATO计算机设备完全故障

如果轨旁ATP／ATO计算机设备完全故障，则其控制范围（故障区）内的列车不能按ATO和ATP模式运行。此时，视系统构成情况不同，中央联锁设备或故障区内联锁设备应在中央行调或车站值班员的控制下，经过必要的手续改为以后备列车检测装置（如轨道电路或计轴设备）作为列车位置检测依据，实现进路的自动和人工设置，以地面信号机的显示作为行车凭证，按照固定闭塞方式对列车进行防护（见图3）。

后备模式下联锁进路的排列方式有按站间闭塞原则设置的进路和基本联锁进路两种。站间闭塞原则设置进路的始端是车站出站信号机，进路的终端是下一车站的出站信号机，在满足联锁条件后，其进路中的信号机应能自动由远至近顺序开放（除进路终端的信号机外）；基本联锁进路的始端是信号机，进路的终端是下一架信号机。联锁系统设置的所有进路（包括延续进路）应具有安全防护功能，包括进路锁闭、解锁、道岔侧向防护等。

后备模式下，联锁设备应能将某一信号机或全部信号机设置为自动模式和人工模式两种状态。当信号机被设置为自动模式时，应能实现基于站间闭塞原则的进路自动排列和折返站的折返进路自动排列。当信号机被设置为人工模式时，应能按基本联锁进路方式人工排列进路。

图3 轨旁ATP／ATO计算机设备完全故障的后备方案

1.3.2 轨旁联锁计算机设备故障

联锁计算机通常采用安全型冗余结构，可靠性高，一台计算机单元故障时不影响系统正常工作。如果有两台计算机单元同时故障，则在其控制范围内将丧失进路控制和联锁功能以及ATP／ATO功能。这时应停止故障区的列车运营或采取人工组织方式运营，直到故障修复。

1.4 车－地通信设备故障

对CBTC移动闭塞系统而言，如果基于通信的基础设备，如感应环线、裂缝波导、轨旁无线电台或天线等车－地连续通信设备发生故障，对于配备点式设备的系统可降为点式ATP列车控制级，通过点式通信设备实现车－地通信和列车的控制。也可直接降为联锁级控制，由司机人工驾驶，人工开关车门、屏蔽门或安全门。

1.5 车载系统出现故障

1.5.1 车载ATO子系统出现故障

车载ATO子系统出现故障，列车应采用ATP监督下的人工驾驶模式（iATP）运行；车载通信单元故障时，列车应按照相应的行车规则，采用限制人工驾驶模式运行。

此模式下由司机根据地面信号机的显示驾驶列车以不超过预先确定的安全速度（如25km／h）运行，并随时准备停车。此安全速度由车载ATP防护，一旦发现列车超速，ATP将实施制动。

1.5.2 车载ATP子系统故障

当列车车载设备故障或车载信号设备无法发送列车位置和接收轨旁信息时，应按照严格的行车规则，采用NRM运行。由驾驶员使用特殊的钥匙开关进入该模式，在此模式下ATC系统将不起任何作用。列车运行及安全完全由调度员、车站值班员和司机人工保证。采用该驾驶模式，必须严格按照行车规则执行。

无论何种车载设备故障，均应在设备界面上给司机显示相应故障信息。

2 CBTC降级状态下后备设备配置

2.1 列车轨道占用后备检测设备

移动闭塞的列车定位通过交叉环线、信标、测速传感器等方式，由车载ATP设备主动检测，经车－地通信发送给轨旁ATP设备实现列车位置精确定位。为满足系统降级运营模式以及无ATP保护列车运行的需要，正线区间线路、车站正线和道岔区段需设置备用列车检测设备，如计轴设备或轨道电路，这样才能确保CBTC后备模式的运行效率和运行安全。

2.2 信号机

正线除道岔区段、降级运行时的列车进路始终端、联络线及其它须防护的特殊位置设防护信号机外，其余地点原则上不设地面信号机。

为减少维修提高可靠性和可用性，信号机拟采用LED铝合金信号机。地面列车信号机的显示方式如下：①红灯——禁止通行，“特殊列车”在信号机前停车；②绿灯——允许通行，进路中所有道岔开通直向；③黄灯——允许通行，进路中至少有一组道岔开通侧向；④黄灯＋红灯——引导信号，允许“特殊列车”以不大于25km／h（暂定）速度越过信号机，并随时准备停车。

2.3 设备安装要求

信号机、转辙机、轨旁车－地通信设备、列车检测设备等的安装应满足线路设备限界以及土建结构、轨道、排水等专业的要求，所有轨旁设备其金属外壳都应安全接地。

3 后备控制模式下系统应达到的运营能力

在CBTC的后备模式下，根据地面信号设备的布置，列车按照固定闭塞方式，司机以地面信号显示行驶，列车的最高运行速度可视以下情况控制。

（1）当进路上所有道岔处于直向开通位置，设置的进路空闲，显示绿灯，司机可按站间区间最小线路限制速度运行。

（2）当进路上至少有一组道岔处于侧向开通位置，设置的进路空闲，显示黄灯，司机可按道岔侧向限速运行。

后备控制模式下系统的设备配置应实现线路设计规定的行车追踪间隔、区间最高运行速度不低于线路设计规定运营能力的要求，具体数值要视不同线路实际设计要求而定。

4 结语

各个CBTC系统厂商在系统的安全性、稳定性和可靠性上都采用了较高的设计标准，但在后备降级控制功能的强弱上存在一定的差异。当CBTC系统的某部分发生故障时，都能转换到提前预置的后备降级模式，而后备模式需要设置相应的信号设备。由此可见CBTC系统并非能够大幅减少轨旁设备，据此对CBTC系统的可靠性和可用性指标的科学合理性产生质疑。

后备降级控制功能一般是利用信标、查询应答器实现车－地信息传输，完成ATP功能。联锁模式下用计轴器显示区段的占用与否。后备模式下，列车的运营能力和运行速度都不可能与正常运行状态相提并论，但能够确保信号系统在最少的人工参与条件下最大限度地实现列车安全与自动控制，这才是后备模式的意义所在。

［1］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.

［2］林瑜筠.城市轨道交通信号设备［M］.北京：中国铁道出版社，2006.

［3］林海香，董昱.无线CBTC系统车地通信方案研究［J］.兰州交通大学学报，2010，29（6）：124.

［4］刘晓娟，党建武，刘蓓.基于通信的列车控制系统中无线传输系统的安全性研究［J］.城市轨道交通研究，2009（12）：37.