CBTC 降级及后备运营系统方案与优化设计

郑生全 朱东飞 李 东

基于通信的列车自动控制系统CBTC(communicationbasedtraincontrol)，是城市轨道交通的主流信号系统，其必备功能之一是配置降级及后备运营信号系统。采用降级及后备运营信号系统的必要性主要体现在以下方面。

1．进一步提高了城市轨道交通运营的安全性。当CBTC系统因车-地通信系统故障而失去列车位置时，降级及后备信号系统的辅助列车占用检查设备，能够检知列车的位置，通过联锁设备保证道岔和进路的安全，消除了因列车车载设备自身定位故障带来的安全风险。

2．进一步提高了CBTC系统的可用性。当车-地失去无线通信时，使用降级及后备运营系统可维持正常的客运服务而不中断线路运营。该系统可作为过渡信号系统先期开通运营，规避工程建设工期的风险。

3．提供了非装备车载CBTC设备工程车的运营安全保障。

1 降级及后备运营信号系统的方案选择

通常情况下，系统分为以下3个层次，即3个方案:联锁级降级系统方案;点式ATP级降级及后备系统方案;点式ATO级降级及后备系统方案。

1.1 联锁级降级系统

联锁设备也是CBTC系统的组成部分和基础设备，当CBTC系统仅在联锁级运行时，称为联锁级降级运营信号系统。它是由CBTC系统的联锁设备、计轴辅助列车占用检查设备，以及在转辙机基础上增加的信号机组成。联锁级降级系统设备构成图如图1所示。

当CBTC的连续车-地通信模式和点式ATP模式都不可用时，司机将按信号机行车方式，保证列车运行的安全。联锁级降级系统通过进路闭塞的方式保证列车的行车间隔，每条进路中仅允许一列列车运行，进路采用信号机至信号机的办理方式。

在联锁级降级运行模式下，ATS子系统能够对列车运行进行监控，可自动设置默认的列车进路，也可人工设置列车进路。

1.2 点式ATP级降级及后备系统

点式ATP级降级及后备信号系统是在联锁级基础上，增加地面点式应答器以及车载的接收天线和模块构成。设备构成图如图2所示。

图2 点式ATP级降级及后备系统设备构成图

当CBTC的连续车-地通信模式不可用时，系统可启用点式ATP运行模式，司机在信号机开放后启动列车，并根据车载设备提示的允许速度驾驶列车。联锁设备保证列车运行进路和运行间隔的安全，点式ATP系统保障列车不超速运行和在规定的停车点停车。

在点式ATP级降级及后备运行模式下，地面点式ATP设备根据联锁设备提供的进路信息、前行列车的位置或运营停车点，确定列车的移动授权信息，通过地面有源应答器传送给车载设备，由车载设备结合自定位数据和储存的线路地图，计算列车运行的速度监控曲线，并监控列车在该速度曲线下运行，防止列车超速。ATS子系统对列车运行进行监控，可自动设置默认的列车进路，也可人工设置列车进路。

1.3 点式ATO级降级及后备系统

点式ATO级降级及后备运营信号系统，是在点式ATP级降级及后备运营信号系统的基础上，增加部分ATO功能和必要的车-地双向通行设备构成。点式ATO级降级及后备系统设备构成图如图3所示。

同样在用公因数解决问题后，教师让学生探讨可以放棱长最大是几分米的正方体纸箱叠满房间的问题。最后通过直观操作，抽象出空间数轴图，并对比之前的平面数轴图，明确这类问题的本质就是求多个数的公因数。

图3 点式ATO级降级及后备系统设备构成图

该方案主要完成车站精确停车、车门及站台门的联动，以及实现部分ATS的功能，也可实现列车的自动运行。

车载ATO设备根据ATP提供的保护速度曲线，制定列车运行的速度曲线，通过在车站增加的车-地双向通信设备TWC，来完成车门与站台门的联动、ATS对列车运行的校核和自动运行调整功能。

1.4 降级及后备系统方案选择

在CBTC系统设备开发和应用初期，大多采用点式ATP级降级及后备运营信号系统;在较早建设的线路中，多采用点式ATP作为线路开通时的临时或过渡信号系统开通运营;在过渡期间，为了实现车门与站台门的联动，增加了部分 ATO的功能，当CBTC系统的连续通信功能应用后，点式ATP和点式ATO的功能就作为CBTC系统的降级及后备系统功能。

点式ATO级降级及后备运营信号系统，需要在车载中增加独立的TWC设备，并增加车载设备的软件功能，同时也增加了CBTC系统的复杂程度。如不考虑工程开通初期采用过渡信号系统开通运营，一般情况下，不宜采用点式ATO级的降级及后备运营信号系统。

联锁级是固有的降级运营信号设备，在降级运营时需通过设备和运营人员，共同保证列车运行的安全。点式ATP系统在降级运营模式下保证列车运行的安全，提高了载客运营列车的安全性。考虑到CBTC系统在开发运营过程中，都已应用了点式ATP功能，而且也仅增加地面有源应答器设备和车载设备的功能，因此，在CBTC应用成熟性得到验证的今天，选择点式ATP级降级及后备运营信号系统是合适的。

2 点式ATP级降级及后备系统优化设计

2.1 点式ATP系统的应用现状分析

目前，在正线信号平面图的布置中，岔尖和岔后都设置了道岔防护信号机，这些防护信号机其实也是列车信号机，是联锁系统中列车进路的始端和终端。这些进路信号机之间的显示没有关联，在降级及后备运营模式下，列车按信号机到信号机的进路运行，即“进路闭塞”方式，典型的信号平面布置如图4所示。这种信号机的布置会带来以下问题。

图4 典型的信号平面布置

1．在联锁降级模式下运行时，司机看信号机行车，尽管供货商要求在联锁降级模式下运行时只能采用RM模式驾驶列车，应以不超过25km/h的速度运行，但由于一些线路的运营压力大，设备故障时往往是采用限速60km/h的速度运行。加上一些道岔防护信号机间的距离较短，特别是在CBTC模式下信号机灭灯，而且有些站间有信号机，有些站间没有信号机，司机一旦在站间通过绿灯信号机时的速度较高，可能在前方红灯信号机前停不住车。此外，车站出发信号机点绿灯的含义有时不一致，当列车在车站出发时，司机不知道是直接运行到下一站停车，还是运行至站间的信号机前准备停车，也不知道区间信号机是否开放，因此为保证安全只能低速运行，这样就导致联锁降级模式没有太大的降级运行意义。

2．在点式ATP降级及后备运行模式下，对于布置有道岔防护信号机的站间，由于信号机是按联锁进路开放，每个信号机处需设置有源应答器，以便反映信号机的状态，并向列车发送运行至下一架信号机的移动授权。当信号机间的距离较短时，为保证在前方信号机前能够停车，列车只能以低速越过该架信号机，即以较低的速度去寻找前架信号机的填充应答器。在地铁站间距离较短的情况下，正常CBTC模式下运行时区间并没有追踪运行的列车，但由于设置了过多的道岔防护信号机，反而限制了在点式ATP模式下，列车在区间运行的最高速度，降低了列车运行的效率和对列车不合理的牵引和制动。

3．道岔防护信号机的主要作用是针对列车临时折返，或故障列车的停留等非正常运行作业，应用这些信号机时，多为非载客列车运行，与调车作业性质相当，而这些信号机又都按列车信号机设置，参与了列车的运行。

2.2 点式ATP系统应用的优化设计

点式ATP系统的优化设计也是整个CBTC系统降级及后备系统的优化设计，在 CBTC系统应用的成熟性得到充分验证的今天，后备系统的设计目标是安全、实用、高效，使整个信号系统设备的构成简单、稳定、可靠及维护方便。

点式ATP系统的优化设计需从轨旁设备的平面布置开始优化。首先优化联锁级的降级运行功能，根据地铁平均站间距1.2km左右，正常列车运行图中大多数区间都没有追踪运行的情况，降级及后备系统运行时的设计主导思想，也应该是站间自动行车，因此，在有线路配线的站间尽可能减少或不配置道岔防护信号机。因为信号机配置过多会影响降级及后备运行的效率，甚至不利于联锁降级运行的安全。优化的信号设备平面布置如图5所示。

减少道岔防护信号机的设置，且在站间的道岔防护信号机处也不设置应答器，列车在降级及后备模式运行时，按站间自动闭塞模式运行，车站出发信号机开放时，在联锁降级模式下，司机知道能直接运行至下一站站台停车，即便是站间有道岔防护信号机，也是在开放状态;而在点式ATP后备运营模式下，列车可利用储存在车载设备内的区间运行速度监控曲线，让司机合理地控制列车运行至下一站。这样，有利于安全和提高降级模式下的旅行速度，保证服务质量。

图5 优化的信号设备平面布置

优化设计方案还应有联锁系统软件功能的配合。采用降级及后备运行模式运行时，联锁系统应转入站间自动运行模式，出发信号机按站间自动运行模式开放，当站间有同方向的道岔防护信号机时，在道岔防护信号机开放后，出发信号机才能开放，达到自动站间闭塞运行的目的。

3 结束语

降级及后备运营设备的设计应充分体现CBTC系统不依赖于轨道电路检知列车、轨旁设备少、按移动授权行车、移动闭塞运行的特点，减少轨旁设备的配置，提高整体CBTC系统的可靠性，避免片面强调后备系统功能强大而导致CBTC系统的可靠性降低。

［1］ 董昱．区间信号与列车运行控制系统［M］．北京．中国铁道出版社．2008．6．