城市轨道交通信号系统保护区段设置的研究

张大涛

（湖南中车时代通信信号有限公司 北京分公司，北京 100079）

0 引言

随着计算机技术和通信技术的快速发展，城市轨道交通信号系统中以通信技术为基础的列车运行控制系统（communication based train control system，CBTC）[1]得到了广泛应用，成为一种重要的运营制式。CBTC 系统显著提高了城轨交通的运营效率，缩短了运营间隔时间，提高了自动化水平，是轨道交通信号领域技术的重大进步。

CBTC 信号系统由列车自动监控子系统（automatic train supervision，ATS）、列车自动防护/自动运行子系统（automatic train protection/automatic train operation，ATP/ATO）、计算机联锁子系统（computer interlocking，CI）和数据通信子系统（data communication system，DCS）组成[2]，各子系统协同保障列车运行安全。CI 是CBTC 的核心基础设备，其通过建立进路以保证行车安全。在CBTC 系统中，CI 既要设置传统的进路，还需设置保护区段，以实现列车高速安全运行和精确停车。在CBTC 模式和后备模式下运行时，均须设置保护区段，其长度依据列车运行速度和线路条件进行计算。保护区段一般由主进路阻挡信号机内方的一个或多个物理区段构成；物理区段含有道岔的，则根据道岔开通位置设有多个保护方向。在信号系统中合理设置保护区段，对保障安全、提高效率有很大的作用；若设置不合理，虽仍能保障安全，但会对运营效率造成很大的影响。为此，本文对各种线路场景进行分析，对设置保护区段的原则进行约定，为信号系统的整体设计提供指导。

1 保护区段的作用

CBTC 系统中ATS 下发建立保护区段的命令，CI锁闭保护区段后发送信息给ATP，ATP 将其状态信息作为超速防护计算的依据，使列车安全运行并精确停车[3]。保护区长度为以进路终端信号机所对应的计轴磁头为起点、以信号机内方为终点的区间距离[4]。对该距离的计算综合考虑了系统反应时间、司机反应时间、通信延时、线路限速和列车制动率等因素。保护区段的作用主要有：

（1）使列车快速进站。在ATO 曲线和ATP 曲线的控制下，列车快速进站，则ATO 曲线的制动点在出站信号机外方、ATP 防护曲线制动点在出站信号机内方，ATO 制动点与ATP 制动点之间的区域就是保护区段。保护区段若被设置得过短，则会降低ATO 速度，影响进站效率；保护区段若被设置得过长，则会延迟列车进站时机，降低运营效率并增加建设成本。

（2）使列车靠近站台终端停车。ATO 曲线制动点一般为运营停车点，在出站信号机外方。若不设置保护区段，则ATP防护曲线制动点将出现在出站信号机外方，ATO 曲线制动点则远离信号机，从而使列车无法在停车点处停车；若设置保护区段，则ATP 防护曲线制动点出现在出站信号机内方，ATO曲线制动点将靠近信号机，使得列车能够在靠近停车点处停车。

（3）列车冒进信号机的安全防护。在主进路办理成功后，锁闭保护区段，对设备元素（如区段、道岔）加设保护锁。司机驾驶时根据信号行车，一旦出现冒进信号，系统将通过保护锁禁止道岔动作、敌对进路不能建立等限制条件来保障列车安全[5]。

（4）车门与屏蔽门的精确对准。保护区段锁闭可使列车高速进站、靠近停车点处停车，便捷地实现列车精确停车，保证车门和屏蔽门安全高效地联动[6]。

2 保护区段设置原则和原理分析

保护区段长度依据列车运行速度、制动率、列车重量及线路限速等条件进行计算，其原则上不少于50 m。在CBTC 模式下，CI 根据ATP 发送的逻辑区段状态信息锁闭保护区段；在后备模式下，CI 根据物理区段状态信息锁闭保护区段。为使两种模式下保护区段的设计简单化，统一保护区段设置并采用物理区段长度，其设置原则上须满足以下要求：

（1）保护区段长度不小于50 m；若小于50 m，则需降低列车接近速度。

（2）所采用的物理区段长度需满足ATP 要求；若单一物理区段长度不满足要求，则需增加本区段长度或把临近区段长度并入[7]。

（3）列车需在站台轨、折返轨等区域进行精确停车，其保护区段长度至少应为50 m，列车可高速接近停车点。

（4）保护区段有道岔的，需根据道岔开通位置信息设置多个保护方向。

基于以上原则，分别对正线的区间、站台、折返轨、停车线、段/场与正线衔接的转换轨处进行分析,制定出合理的保护区段设置原则，为系统设计和软件实现提供依据。

2.1 区间保护区段

基于保护区段的设置原则，在站与站之间的区间需要根据不同场景进行分析，制定具体的设置方案，以确保信号系统在区间指挥列车运营的高效性和灵活性。

2.1.1 无道岔区间

两站台之间区域被定义为区间，图1 示出无道岔区间信号布置示意。图中，S2 为A 站出站信号机，S4 为区间信号机；T2，T4，T6，T8 和T10 为物理区段，每个区段根据长度被划分一个或多个逻辑区段并用A，B，C 等表示。S2 信号机到S4 信号机的进路用“S2-＞S4”表示，其是从站A 向区间的发车进路；S4-＞S6 为区间驶向站B 的进站进路。站台两端磁头之间区域被称为站台轨，图1 中T2 为站台轨。列车A 从T2 向区间发车，列车B 在T8 上运行。

图1 无道岔区间信号布置示意Fig.1 Signal layout diagram of a railway section without switch

若S2-＞S4 设置有外置保护区段T8，在CBTC 模式下，列车A 从T2 向区间发车，S2-＞S4 建立成功，S2 点灭绿，列车A 因保护区段T8 被占用而运行到S4外方一个保护区段长度的位置处停车。在后备模式下，列车A 从站台轨T2 向区间发车，S2-＞S4 因保护区段T8 被占用而建立失败，S2 保持红灯，列车A 无法出站。基于以上分析，对无道岔区间，终端在区间的进路设置外置保护区段，若保护区段被占用，则会导致列车无法出站或停在信号机外方，严重影响了运营效率和灵活性。

若S2-＞S4 设置有内置保护区段，T8 不是排列进路，则需要检查元素。在CBTC 模式下，列车A 从T2 向区间发车，S2-＞S4 建立成功，S2 点灭绿，列车A 运行到S4外方一个保护区段长度的位置处停车。在后备模式下，列车A 从T2 向区间发车，S2-＞S4 建立成功，S2 点亮绿，列车A运行到S4外方一个保护区段长度的位置处停车。基于以上分析，对无道岔区间，终端在区间的进路设置内置保护区段，即使终端信号机内方区段被占用，也不会导致列车无法出站，提高了运营效率和灵活性。

2.1.2 有道岔区间

图2 示出有道岔区间信号布置示意。图中，S2 为站台A 的出站信号机；S4 为区间信号机；T2，T4，T6，T8，T10 和T12 为物理区段；在T8 有P1 道岔。列车A 从T2 向区间发车，列车B 在T8 上运行。

图2 有道岔区间信号布置示意Fig.2 Signal layout diagram of a railway section with switch

若S2-＞S4 设置有外置保护区段T8，在CBTC 模式下，列车A 从T2 向区间发车，S2-＞S4 建立成功，S2 点灭绿，列车A 因T8 被占用而运行到S4 外方一定距离处停车。在后备模式下，列车A 从T2 向区间发车，S2-＞S4 因保护区段T8 被占用而建立失败，S2 保持红灯，列车A 无法出站。基于以上分析，对有道岔区间的进路设置外置保护区段。若保护区段被占用，则会导致列车无法出站或停在信号机外方，严重制约了运营灵活性和效率的发挥。

若S2-＞S4 设置有内置保护区段，在CBTC 模式下，列车A 从T2 向区间发车，S2-＞S4 建立成功，S2 点灭绿，列车A 运行到S4 外方一定距离处停车。在后备模式下，列车A 从T2 向区间发车，S2-＞S4 建立成功，S2 点亮绿灯，列车A 正常出站。基于以上分析，对有道岔区间，终端在区间的进路设置内置保护区段，即使终端信号机内方区段被占用，也不会导致列车无法出站，提高了运营效率和灵活性。

2.1.3 区间大小交路运营

列车A 经过P1 道岔的侧向小交路运营，如图3 中①所示，列车B 经过P1 道岔的直向大交路运营，如图3中②所示。若S2-＞S4 进路有设置外置保护区段T8，在CBTC 模式下，列车B 将P1 锁定在直向位置，列车B在离开T8 后，去除对P1 和T8 的锁闭；系统检查到T8和P1 被释放，但因列车A 离P1 很近，为保障行车安全，自动在P1当前位置将T8和P1锁闭。列车A小交路运行，需要建立P1 侧向进路，但P1 被锁在直向位置，进路建立不成功，导致列车A 非预期停车；在保护锁延时30 s被去除后，P1 侧向进路开始建立，列车A 再重新启动运行。在大运量的线路上，这种保护区段设置方式严重影响了运营效率。

图3 区间大小交路运营示意Fig.3 Schematic diagram of running in railway section

若S2-＞S4 设置有内置保护区段，列车B 在离开T8 后，去除P1 和T8 的锁闭；系统检查到T8 和P1 被释放后，自动为列车A 建立P1 侧向的进路，列车A 不停车通过P1 侧向，这种保护区段设置方式提高了运营效率和灵活性。

另外，列车在正线区间高速通过，即便列车停车，ATP 也不会向CI 发送停稳信息，只有通过延时的手段解锁保护区段[8]。可见，对区间大小交路运营，外置保护区段严重制约了运营灵活性和效率的发挥，保护区段设置应采用内置方式才有利于提高运营效率和运营组织的灵活性。

2.2 非折返站保护区段

基于保护区段的设计原则，在站台也需要根据不同场景进行分析，制定具体的设置方案，以确保信号系统在站台指挥列车运营的高效率和高灵活性。

2.2.1 无道岔站台

无道岔站台信号布置如图4 所示，其中T6 为站台轨；S2 为区间信号机，S4 为出站信号机；T2，T4，T6，T8 为物理区段。列车A 从区间进入站台A，列车B 运行在下一区间。因站台要上下客，需要车门与屏蔽门精确对位，且列车要高速进站，而站台延长的工程成本很大，为此，到站台的进路需设置外置保护区段。

图4 无道岔站台信号布置示意Fig.4 Signals layout of a platform without switch

如图4 所示，S2-＞S4 设置有外置保护区段T8，列车A 从区间驶向站台A。在CBTC 模式下，S2-＞S4 建立成功，S2 点灭绿，因T8 被占用，列车运行到站台外方停车；列车B 驶离T8 后，保护区段自动建立，列车A 高速进站并与屏蔽门精确对位后停车。在后备模式下，只有在保护区段T8 出清，S2-＞S4 才能建立成功，S2点亮绿，列车A 高速进站并精确停车。

2.2.2 有道岔站台

有道岔站台信号布置示意如图5 所示，其中S2 为区间信号机，S4 为出站信号机；T2，T4，T6，T8 为物理区段，在T8区段有P1道岔。列车A从区间驶向站台A，列车B 在T8 上运行。

图5 有道岔站台信号布置示意Fig.5 Signal layout of a platform with switch

如图5 所示，S2-＞S4 设置有外置保护区段T8，列车A 从区间向站台A 发车。在CBTC 模式下，S2-＞S4建立成功，S2 点灭绿，但因T8 被占用，列车A 运行到站台外方停车；在列车B 离开T8 后，保护区段自动建立并锁闭P1，列车A 高速进站并精确停车。在后备模式下，只有在T8 空闲且P1 位置正确时，S2-＞S4 才能建立成功，此时S2 点亮绿，列车A 高速进站并精确停车。

在实际运营中，列车高速进站并精确停车后，ATP会向CI 发送停稳信息，保护区段马上解锁。针对有道岔和无道岔站台，其保护区段设置采用外置方式，不仅有利于提高运营效率和运营组织的灵活性，而且还能够节省建设成本。

2.2.3 站台大小交路运营

列车A 经过P1 道岔的侧向小交路运营，如图6 中①所示，列车B 经过P1 道岔的直向大交路运营，如图6中②所示。S2-＞S4 设置外置保护区段T8，在CBTC 模式下，列车B 运行时将P1 锁定在直向位置，列车B 离开T8 后，去除P1 和T8 的保护锁，系统自动为列车A建立保护区段并将T8 和P1 锁闭。若列车A 没有压上T6，系统转动P1 道岔到侧向后锁闭T8 和P1；若列车A 已压上站台轨，根据P1 当前位置把T8 和P1 锁闭。列车A 高速进站并精确停车后，立即向CI 发送停稳信息并解除T8 和P1 的锁闭，即使P1 被锁闭在直向位置，系统也可很快排列出P1 侧向进路，S4 被开放，列车A继续运行[9]。

图6 站台大小交路运营示意Fig.6 Schematic diagram of running in platform

列车在站台一般需要高速进站并保证车门与屏蔽门精确对位，以方便乘客上下。此外，为节省工程建设的成本，到站台的进路设置一般采用外置保护区段的方式。

2.3 折返站保护区段

折返站指列车在此站经换端操作后进入另一方向的线路运行，图7 示出折返站台信号布置示意。图中，站A 为折返站；T1～T7，T9 为物理区段，T1 为折返轨；S4 为折入信号机，X3 为折出信号机，X1 和S6 为尽头线信号机。进入站台A 的进路为S2-＞S4，折入进路为S4-＞X1，折出进路为X3-＞X7；列车A 正在进站，列车B 驶入折返轨正在换端。

如图7 所示，S2-＞S4 保护区段设置采用外置方式，根据P1 的位置，保护区段有直向保护和侧向保护。列车在折返轨精确停车后进行换端，S4-＞X1 需设置保护区段。若折返轨足够长，则可内置；否则采用外置方式。由于X3-＞X7 为折出进路并为进站进路，因此需要设置外置保护区段。

图7 折返站台信号布置示意Fig.7 Signals layout of turn back platform

列车A 进入站台，需要对T6 和P1/P2 进行保护锁闭；列车B 换端后，需建立X3-＞X7 的折出进路。若为列车A 建立P1/P2 侧向保护区段，则列车A 在进站停稳前，列车B 的折出进路X3-＞X7 无法建立成功，这对运营效率会有很大的影响，为此，折返站进站进路的保护方向优先考虑直向[10]。

2.4 存车线保护区段

列车可在存车线路上存放进行待避，如图8 所示的T7 物理区段。S6-＞S8、X11-＞S8、X3-＞X9 为进入存车线进路，X9-＞X13、X9-＞S2、S8-＞X1 为驶出存车线进路。下面主要对驶入存车线进路的保护区段设置原则进行分析；驶离存车线进路按照进路终端是在区间或在站台进行相应设置，这里不再进行分析。

图8 存车线信号布置示意Fig.8 Signal layout of storage line

存车线与主线路通过单动道岔相连接，如T7 与T3通过P5 相连接，对端驶入存车线的进路保护区段宜采用内置保护区段。如S6-＞S8，X11-＞S8 的保护区段，若采用外置方式，即为P5 侧向区域；进路建立后，P5 被保护锁闭为侧向，此时通向X3 的进路则不能建立，这对运营组织有较大影响。因此，该运营条件下的进路保护区段宜采用内置方式。若必须采用外置方式，在列车运行图中需考虑列车冲突检查，以减少对运营效率的影响[11]。

存车线与主线路通过渡线道岔相连接，T7 与T4、T11 线路通过P2/P1、P3/P4 连接，从对端驶入存车线进路保护区段可采用外置方式，优先道岔直向保护位置。X3-＞X9 保护区段采用外置方式，其保护位置有P3 直向和P2 直向、P3/P4 侧向、P3 直向和P2/P1 侧向。X3-＞X9 建立保护区段中，道岔位置优先锁闭在P3 直向和P2 直向位置，通过S6，X7 和X11 的进路可正常建立，对运营组织没有影响；若保护区段中道岔被锁闭在其他位置，以S6，X7，X11 为始端的进路都不能被建立，这对运营将产生影响，需要对运行图进行冲突检查处理。

2.5 转换轨保护区段

转换轨为正线与段/场接轨的区域，如图9 所示的T1 物理区段，列车在转换轨实现运营或非运营之间的转换。X1-＞X5 作为进入正线进路投入运营，X3-＞XR作为驶出正线进路退出运营；另外，XC-＞X1 为段/场驶入转换轨进路。

图9 转换轨信号布置示意Fig.9 Signal layout of transfer track

列车在转换轨需要精确停车，并尽快完成筛选，升级到CTC 投入运营。如图9 所示，XC-＞X1 设置有外置保护区段T3，列车A 在T5 进行折返作业，S4-＞X3需设置保护区段T3，从而XC-＞X1 和S4-＞X3 互为敌对进路。出段/场进路与折返进路都采用外置保护区段的方式，任一方进路的排列都会导致另一方进路不能被建立，从而严重影响运营效率，为此折返进路需采取内置保护区段的方式。

列车进入转换轨所需的进路设置有外置保护区段，在正线与段/场交界处需要征用对方的区段作为本方进路的保护区段，如X3-＞XR 设置的保护区段T101 为段/场区段。为提高列车出段/场效率，T3 一般被划分为两个物理区段（T3-1 和T3-2），在列车通过T3-1 进入T3-2 后，下一条出段/场进路就可以建立成功，提高了运营效率和运营组织的灵活性。

2.6 保护区段设置原则

通过2.1～2.5 节对区间、站台、折返轨、停车线和转换轨的保护区段设置的分析，正线各种线路场景下保护区段设置原则如下：

（1）终端在区间进路的保护区段采用内置方式。

（2）终端在站台进路的保护区段采用外置方式。

（3）折返轨与段/场不相连接，折入进路的保护区段采用内置或外置方式均可。

（4）折返轨与段/场相连接，折入进路的保护区段采用内置方式[12]。

（5）存车线与正线通过单动道岔相连接，对端驶入存车线进路的保护区段，宜采用内置方式；若为外置方式，则需检查列车冲突。

（6）存车线与正线通过渡线道岔相连接，对端驶入存车线进路的保护区段可采用外置方式，优先选择对正线影响小的保护方向。

（7）段/场驶入转换轨进路的保护区段采用外置方式。

（8）正线与段/场交界处进路的保护区段采用外置方式，保护区段宜采用对方站的物理区段。

3 现场应用

长沙轨道交通4 号线一期工程线路全长33.5 km，设有25 座车站（其中换乘站13 座），全线列车6 辆编组，初期配属车数量为32 列/192 辆。系统储备运能按照大交路开行对数20 对/h、小交路开行对数10 对/h 的列车控制规模设置。全线有道岔57 组、信号机153 架、进路251 条，每条进路都需要设置保护区段，每个保护区段设置的合理性都需要测试验证。2018 年，经近百轮的测试验证，确定本文论述的设置原则为每条进路设置了最合理的保护区段。以下对其正线核心的折返站—罐子岭站的设置情况进行详细介绍。

图10 示出罐子岭站信号布置示意，长沙轨道交通4 号线罐子岭站为正线与车辆段相交界的折返站。其中，T1809 和T1810 为站后折返轨，T1817 和T1818 为站台轨且T1818 兼作站前折返轨，T1801 和T1802 为转换轨，XR-XCD和XC-XCD为进入星城车辆段的进段信号机，S1802 和X1801 为进入正线信号机，X1803 和S1804 为驶出正线信号机。

图10 罐子岭站信号布置示意Fig.10 Signal layout of Guanzi Lin Station

X1815-＞X1811，X1815-＞S1812，S1808-＞S1814，X1807-＞S1814，X1807-＞X1813，S1810-＞S1814，X1809-＞X1813 的进路终端为站台，则保护区段设置采用外置方式。如X1815-＞X1811 的P1805 直向保护区段为T1815，P1805 侧向保护区段为T1815 和T1813。

对S1814 为始端、X1813 为进路终端的区间，保护区段采用内置方式；折返轨T1801 和T1802 与车辆段相连接，X1811-＞X1803 和X1811-＞S1804 是进入折返轨的进路，保护区段采用内置方式；对X1803-＞XR-XCD，S1804-＞XC-XCD 为正线进入转换轨的进路，保护区段采用外置方式；以X1801 和S1802 为终端的进路是车辆段进入转换轨进路，保护区段采用外置方式。

X1815-＞X1811 侧向保护区段与折返轨T1809 和T1810 折出进路部分区段共用，构成互为敌对；在X1815-＞X1811 建立保护区段时，优先选择P1805 直向。

长沙轨道交通4 号线罐子岭站近一年的载客试运营结果表明，其保护区段设置完全满足行车间隔平峰期9′6″、节假日最短7′4″的要求；另外，通过运营组织优化，其平峰期和高峰期行车间隔已分别被压缩至7′24″和6′37″。这对本文所提保护区段设置原则的有效性是很好的验证。

4 结语

本文以长沙轨道交通4 号线实际线路不同的线路场景为例，对进路保护区段和保护方向的作用、原理和设置基本原则进行介绍，详细分析正线的站台、区间、存车线、折返线、转换轨保护区段的内置和外置方式对运营效率、运营组织的灵活性和工程建设成本的影响，并制定了合理的设置原则，为列车安全、高效的运营提供保证措施。保护区段的合理设置，有利于节约工程成本、避免列车运营冲突和非预期停车，可大大提高运营组织的灵活性、便捷性和高效性，将其在当前轨道交通行业进行推广应用有着重要的现实意义。

随着计算机技术的发展，加强信号系统和牵引制动系统的高度融合研究，如信号车载设备和牵引制动设备的一体化设计，可提高列车自动运行速度及停车的控制精度和灵敏度，减少对保护区段的依赖，这是城市轨道交通信号系统下一步研究方向。