CBTC城市轨道交通工程车ATP应用研究

黄 璞, 黄海荣

（1.新誉庞巴迪信号系统有限公司，江苏常州 213166；2.兰州工业学院，兰州 730050）

截至2019年12月31日，国内累计有40座城市开通城市轨道交通线路，运营里程达到6 730.27 km，运营里程最长的上海市已经达到801.34 km。目前，国内城市轨道交通运营线路电客车均已装备ATP列车超速防护系统，且近年新建线路均采用基于无线车-地通信的列车自动控制系统（CBTC）。但城市轨道交通工程车（简称工程车）由于考虑到建设及运维成本等原因，普遍未装备ATP设备。随着运营里程、线路设备的增多，对日常运营维护也提出了更高的要求，工程车作为线路快速维护的运输工具，使用也更为频繁。为更好地保障运维作业的行车安全，避免人为因素导致的超速、闯红灯等危害安全的事件发生，新建线路时，各轨道交通运营公司均已在考虑加装CBTC车载ATP设备。

1 城市轨道交通工程车简介

1.1 工程车运用环境

工程车的主要用途是在车辆段、停车场内对故障列车或无电区域的列车进行调车作业，日常运维过程中对轨道交通设施设备的维护检测、维修，以及在正线进行维修物料的运输、故障列车的救援等。

1.2 工程车种类及其作用

工程车种类繁多，用途也各不相同，按动力可分为内燃机车、电力（蓄电池）工程车及无动力工程车。但日常使用中，一般习惯按功能用途对工程车进行分类，根据用途常用工程车详细分类如表1所示。

表1 轨道交通工程车分类Tab.1 Classification of Urban Rail Transit Engineering Vehicle

2 CBTC工程车ATP安装研究

2.1 工程车ATP系统架构

根据工程车的结构特点，采用车地双网、双司机HMI屏、单车载CBTC设备的系统架构方式，单套车载CBTC设备采用二乘二取二或三取二冗余方式，具体如图1所示。

2.2 安装环境

工程车ATP机柜设计、安装时需考虑到工程车独有的特点，在机柜工艺设计方面与电客车ATP机柜进行差异化设计，主要体现在以下方面。

图1 工程车ATP系统架构图Fig.1 Architecture diagram of engineering vehicles ATP system

1）安装位置空间的差异。电客车安装位置一般在司机室左侧（车头、车尾各1套）或列车中央位置（单套），且均为竖放安装；但工程车由于空间比较狭小且不同类型工程车空间各不相同，安装位置无法统一标准，且根据实际位置需设计竖放或横放机柜。

2）防尘措施的差异。工程车相比电客车空间密封性较差，且设备运行环境可能灰尘较多，如钢轨打磨车等。故在工艺设计时，需考虑更加可靠的防尘措施。

3 CBTC工程车ATP功能研究

3.1 CBTC工程车筛选

CBTC列车筛选的目的是为了探测非CBTC列车和CBTC列车不存在于同一区段，只有确定列车前方无影子车时，该列车才能获得向前运行的移动授权，只有确定列车前后方均无影子车时，该列车才可在CBTC追踪模式下运行。列车筛选过程如下。

1）未经过筛选的通信列车，默认该列车前后均存在影子车。

2）车头筛选：若列车运行前方区段空闲并且定位报告有效，列车最小车头到前方计轴器的距离不大于系统允许的最小列车长度时，则判定车头筛选通过。

3）车尾筛选：若列车运行后方区段空闲并且定位报告有效，列车最大车尾到后方计轴器的距离不大于系统允许的最小列车长度时，则判定车尾筛选通过。

列车筛选如图2所示。

图2 列车筛选示意图Fig.2 Schematic diagram of train sieve

其中列车最大车尾到后方计轴器的距离，由车头根据自身的位置结合数据库中列车车长计算而来。但如上文所述，工程车种类繁多，且部分类型工程车常需连挂作业，作业工程车长度并不像列车一样是固定编组长度。工程车编组方式灵活多样，长度不固定导致CBTC系统无法对工程车车尾进行筛选，工程车无法根据移动闭塞方式进行追踪作业。故对工程车筛选，提出以下两种筛选方案。

方案一：按固定编组模式进行车头、车尾筛选

CBTC系统对每一列车包括装备有ATP的工程车，均赋予唯一的ID身份识别号，以便为每一列车计算各自的移动授权。针对工程车编组方式灵活多样，需在CBTC系统数据库中建立1个静态数据表，该静态数据表需包括：工程车类型、编组数、工程车长度。设计初根据运营公司对工程车车体的编号规则录入，并将每类型工程车对应的长度写入系统，具体如表2所示。

完成编组的工程车上线作业时，运营维护人员或工程车司机需在HMI界面上手动输入工程车类型及相应编组数等信息数据，CBTC系统根据输入的信息索引静态数据库中的工程车类型及长度，并根据ATP设备ID号建立虚拟列车ID号，该列车ID号为CBTC系统计算移动授权唯一识别码。依照固定编组长度方式，CBTC系统即可进行工程车车头、车尾筛选，如图3所示。

表2 工程车数据信息表Tab.2 Data information sheet of engineering vehicles

图3 工程车司机HMI屏Fig.3 Driver display of engineering vehicles

方案二：工程车进行车头筛选，不进行车尾筛选

由于编组后的工程车车长不固定及考虑到工程车编组后，头端的工程车和尾端的工程车可能无法进行通信，系统无法确定工程车的列车长度，导致车尾筛选无法进行。故对工程车仅进行车头筛选，不进行车尾筛选。列车完成筛选后，CBTC系统根据头端ATP设备ID号计算移动授权，车头后编组的各车辆均视为非通信车，即该工程车依照移动闭塞方式进行前车追踪，但后车依照固定闭塞方式追踪该工程车。具体如图4所示。

综上所述，考虑到工程车使用的时间段主要集中在非运营时间，列车追踪间隔较大，并且方案一在使用过程中存在人工输入错误的风险，故推荐使用方案二为工程车筛选方案。

图4 工程车追踪示意图Fig.4 Schematic diagram of engineering vehicles tracking

另外，CBTC工程车筛选过程中系统允许的最小列车长度，是系统预设的一个最小可筛选出的CBTC车长，由各系统厂家的设备性能决定。如果工程车短于系统允许的最小车长，系统将无法进行筛选，故工程车上线时需保证其长度大于系统允许最小车长。

3.2 驾驶模式

ATP车载设备一般至少支持RM模式与CM人工驾驶模式，装备ATO设备的还支持AM模式。但工程车类型复杂、编组灵活多样，目前各信号系统设备厂商一般均无法提供自动驾驶功能。同时，CBTC工程车已具备ATP人工驾驶模式，综合考虑设计成本，不建议提供后备点式ATP功能。工程车驾驶模式具体如表3所示。

表3 CBTC工程车驾驶模式Tab.3 Driving mode of CBTC engineering vehicles

3.3 功能受限项

根据工程车ATP的系统架构，同时结合工程车的工作特点，与运营电客车相比，CBTC工程车ATP功能的受限项主要归纳如下：

1）上线列车编组长度需大于系统允许最小车长；

2）不提供列车自动驾驶功能；

3）不建议提供点式ATP功能；

4）受限车门与屏蔽门无法对称对齐，不提供车门控制功能。

4 安全影响分析

加装ATP设备的CBTC工程车，上线运行时将对既有CBTC信号系统产生部分安全影响。通过危险与可操作性（HAZOP）分析法进行安全影响评估，所得风险项如表4所示。

通过安全影响评估，加装了ATP的工程车可有效避免人为因素导致的工程车闯红灯、工程车超速及列车追尾的风险发生；但加装ATP的工程车解编后存在安全运行风险，故需通过运营规章制度严禁解编后的工程车使用CBTC模式继续运行。

5 结语

城市轨道交通工程车装备ATP设备，目前仍然处于前期探索应用阶段，用户体验有待提高。随着信号系统技术的不断发展革新，相信未来工程车均将列装ATP设备，将更安全、更高效地服务于轨道交通运营维护。

表4 安全影响分析表Tab.4 Safety impact analysis table