深圳轨道交通二期蛇口线信号系统

陈恒宇

（深圳地铁集团有限公司，深圳 518026）

深圳轨道交通二期蛇口线贯穿深圳市发展主轴，是承担联系罗湖、福田中心区、南山次中心、蛇口片区及沿线片区的轨道干线，形成特区内第二条东西向客运主通道。蛇口线工程西起南山区赤湾站，东止罗湖区新秀站，线路全长约35.82 km，均为地下线，共设车站29座。其中首期工程长15.17 km，设车站12座，全为地下车站，计划2010年12月开通。蛇口线线路向东延伸至新秀站，增设车站17座，全为地下站，线路延伸后全长约35.82 km，计划2011年6月开通。

1 信号系统概述

蛇口线采用卡斯柯信号有限公司提供的基于URBALISTM城市轨道交通信号系统应用解决方案。URBALISTM系统是基于无线通信的移动闭塞系统，该系统可以实现全线有人/无人自动驾驶。该方案采用移动闭塞制式，系统的可靠性、安全性、可用性、可维护性、行车间隔、停车精度以及可扩展性等方面都能达到或超过蛇口线要求的性能或指标。

总体来说，整个线路由5个主要子系统来管理，包括列车自动防护/列车自动驾驶（ATP/ATO）子系统、计算机联锁（CBI）子系统、列车自动监控（ATS）子系统、数据通信（DCS）子系统和维护监测（MSS）子系统。

ATP/ATO、MSS和ATS子系统为集中式系统。CBI子系统为分布式设备，位于各设备集中站、控制信号机、转辙机等轨旁设备。通过2.4 GHz开放频段传播的无线链路为信号轨旁子系统和信号车载子系统之间提供双向信息传输。沿着全线轨旁分布的无线接入点和波导管保证无线网络对整条线路的覆盖。无线链路负责传送连续的CBTC信息。

所有主要的子系统都将提供冗余配置，即某单一故障不会影响系统正常运行。无论骨干网还是无线网络的信号传输都是冗余的。单个通道的故障和干扰，不会影响系统间的信息传输。

2 信号系统结构

蛇口线（首期和东延线），包括10座设备集中站和19座非设备集中站，车辆段和停车场各1座，以及2条试车线。基于URBALISTM的蛇口线信号系统结构如图1所示。

2.1 ATP/ATO子系统

ATP/ATO子系统包括轨旁ATP设备和车载ATP/ATO设备。ATP设备对在线列车进行安全控制，该区域被称为ATC区域。安装在设备室内的轨旁ATP设备主要包括区域控制器（ZC）、线路控制器（LC）、数据存储单元（DSU）和欧式编码器（LEU）。安装在轨旁的ATP设备主要是信标。安装的车载ATP/ATO设备主要包括车载机柜（CC）、司机显示单元（DMI）、编码里程计和信标天线。

ATP/ATO子系统主要设备描述如下。

（1）ZC和LC

ZC和LC均采用三取二配置。ZC设备处理线路占用、自动防护和进路等信息。根据CC设备发送的列车精确位置信息，ZC设备主要为列车计算保护区域，即自动防护（AP），并通过无线传输向每列车发送其授权终点。

LC设备管理线路的临时限速，负责存储、更新ATS发送的临时限速（TSR）请求。LC还控制ZC和CC的应用软件和配置数据版本的校核。同时在通信过程中，LC也向ZC和CC提供内部时钟同步。

（2）DSU

DSU由1个台式计算机组成，用于向CC设备上传新版本的应用软件和静态线路描述，同时也对这些文件进行升级管理。

（3）信标

当列车信标天线越过地面信标时，信标天线将生成并捕获磁场。列车通过时，发送信标标识，CC使用该信息初始化、重新修正列车位置、校准编码里程计。

（4）CC

每列6节编组，列车头尾各配置1套车载CC设备。两台CC计算机均运行在热备状态，每台能独立安全地驾驶列车。CC子系统负责管理下列功能。

* 列车运行防护；

* 管理列车在车站准确停车；

* 车站停车和发车时间管理；

* 安全停车管理。

2.2 CBI子系统

CBI子系统的设备主要分布在设备集中站，具体构成如图2所示。

深圳地铁蛇口线信号系统正线设置10座设备集中站，设备集中站配置如下。

设置1套双系热冗余的二乘二取二联锁系统（简称ZLC）：负责完成管辖区域内的联锁功能，以及与中心ZC和车载CC之间的接口和数据传输。

两层通信传输结构：一层为ZLC系统与ATS子系统、系统维护台及现地控制工作站之间的信息交换提供网络传输通道；另一层为ZLC与车载和ATP计算机之间的信息交换提供网络传输通道。

1套热冗余的现地控制工作站（HMI）：车站值班员的操作命令（例如进路办理、单操道岔、开放引导进路等）经HMI处理后送至ZLC；ZLC把联锁运算后的相关表示信息（信号机状态、道岔位置、区段状态等）送至HMI显示。

系统维护台（SDM）：负责完成设备集中站所辖车站的联锁诊断和故障记录等，并把相应的信息内容通过网络送至维修中心。

2.3 ATS子系统

ATS子系统是分布式的计算机监控系统，主要分布于控制中心、正线设备集中站、正线非设备集中站和车辆段/停车场，采用热备冗余方式，保证系统高度的可用性。

ATS子系统主要包括以下设备。

控制中心：行车调度工作站、大屏接口计算机、ATS通信处理器（FEP）、中央ATS（CATS）数据库服务器、CATS应用服务器、系统管理/维护诊断工作站、运行图编辑工作站和打印机等。

正线设备集中站：主/备车站ATS分机、ATS工作站（与联锁现地工作站合用）和发车计时器（DTI）等。

正线非设备集中站：DTI接口机、DTI和光电转换器等。

车辆段/停车场：车站ATS分机、ATS终端、打印机和光电转换器等。

2.4 DCS子系统

DCS有线网络是冗余、多业务和高可靠性的系统，用于连接轨旁和中心的信号设备。DCS无线系统采用正交频分复用（OFDM）扩频技术，用于车-地无线通信。OFDM采用多载波传输技术，将无线频谱划分为多载波，并将低速数据调制到载波传输。为确保在所有环境下（隧道和露天）的高性能通信，DCS子系统采用波导管作为无线传输媒介。波导管具有链路可靠、维护简单的特点，从而确保系统的可靠性，并节约维修成本。

数据通信系统由以下两部分组成。

（1）轨旁骨干传输网络（BTN）：包括SIG网络（传输ATP及联锁相关安全信息）和ATS网络。

（2）车-地无线链路：实现车辆与地面系统的无线通信，由位于轨旁的无线接入点、耦合单元、波导管、车载天线和车载无线调制解调器组成。

2.5 MSS子系统

MSS子系统是整个信号系统的设备状态监测和维护辅助工具，主要用于维护信息的采集，帮助维修调度人员对故障设备进行定位，管理维修作业。调度员可借助信号维护监测子系统制定、计划与安排维修工作，比传统人工方式更加有效。信号维护监测子系统架构基于Web，其体系结构中维护中心的应用、数据库服务器等均为冗余配置。

3 主要工作原理

3.1 移动闭塞原理

URBALISTM移动闭塞系统基于以下设计理念。

主动列车检测：移动闭塞原理主要是基于列车定位检测，由每列车定时向控制中心发送列车位置报告，控制中心将列车位置报告实时传递给后续运行列车，后续运行列车自行计算本列车最高运行速度及走行距离，构成动态追踪运行间隔。列车自行定位并通过位置报告信息定时将其位置传输至轨旁设备，位置报告信息定时发送给ZC。

移动闭塞防护：ZC设备负责收集列车位置信息，为控制范围内的每列车配置1个安全包络线（也称自动防护AP），包括位置报告中指出的位置、速度和列车性能及预期量，从而使自动防护相互关联，直到从列车接收到下一个位置信息。更新完所有AP后，ZC设备为每个CC计算相关的移动权限，并通过“授权终点”信息（EOA）的形式发送给列车。

3.2 列车控制原理

ZC是负责被称为区域的专用区间内列车间隔的子系统。在此区间内，通过避免列车间可能发生的任何碰撞来保护装配或未装配的列车（或通信中断）。ZC为轨道上的每列车分配一个AP的安全范围。AP实际上是列车周围的屏蔽。其他列车或轨道车辆不能进入另一个移动或静态列车的AP。

ZC根据列车发送的位置报告在列车位置信息的基础上建立AP，位置报告每隔400 ms发送一次。主要信息为列车最大/最小定位和最大/最小速度、列车编号及其相应的时间戳和时效性。因此，在ZC级别，每列车的AP大小和位置每隔400 ms刷新一次。

CC根据ZC给出的安全限制驾驶列车。ZC为区域内每列车建立一个AP。因此，可以知道任何时刻每个自动防护在线路上的位置。ZC根据AP的位置和联锁机发送的轨旁设备状态向每列车提供移动授权，该移动授权根据相邻AP的位置和轨旁设备状态计算。因此，列车之间可以相互提供防护。

被称为“授权终点”的信息，作为对位置报告的响应，发送给每列车。此信息包括列车不能越过的限制、有关道岔位置或信号机状态等方面的变量信息。

3.3 系统后备模式的工作原理

系统主要设备都采用冗余配置，因此出现系统性故障的可能性微乎其微。为保证在任何情况下系统可用，当信号系统的ATS、ATP/ATO功能失效或特殊需要时，应能启动后备运行模式组织列车运行。

点式ATP模式原理如图3所示。

点式ATP就是系统的点灯站间闭塞运营模式，在此模式下，列车的授权点降级为前方信号机，联锁控制信号的开放，并将信号和道岔信息通过欧式编码器上传给车载ATC。

当轨旁ZC设备正常，轨旁区域控制器故障或车-地无线通信故障时，列车可降级为点式ATP模式，系统通过计轴设备检测列车占用，并生成特殊安全包络，列车在点灯状态下以站间闭塞模式运行。对于相邻区段内正常通信的列车，车载运营模式无需改变，但处于“混跑”模式下。

当车载ATC系统出现重大故障，导致列车定位功能丧失时，列车驾驶模式应被切换到限制人工驾驶模式，由司机控制，以站间闭塞的模式低于限制速度（如25 km/h）运行，并根据轨旁信号机显示行车。此时对于相邻区段内正常列车，车载运营模式无需改变，但处于“混跑”模式下。

当轨旁ZC设备失效时，该ZC受控的所有集中站转为点式后备模式，区段内所有列车以点式ATP方式站间闭塞运营。

在任何情况下，联锁控制级的后备模式都是可用的。当线路采用后备模式运行时，司机负责列车的运行安全，ATS子系统通过调整列车的停站时间并在DTI上显示，司机根据显示控制列车运行，以达到运营调整。

4 结语

蛇口线信号系统采用URBALISTM解决方案，在保证系统安全的前提下将移动闭塞信号设计理念最大程度的实施，满足90 s的最小设计运营间隔指标，也符合“小编组，高密度”的当前最先进的城市轨道交通信号系统设计理念。采用基于双冗余骨干网传输的地-地、车-地安全信息带宽相比传统轨道电路或环线方式显著增加，从而提高了信号系统的可用性。联锁子系统与ATP/ATO子系统划分明确，联锁子系统确保基本联锁功能，不参与列车移动中授权管理，联锁与ZC之间通过变量表进行传递。这样，系统功能的简化对提高设备安全性及可用性都极为有利。此外，即使在CBTC系统故障的情况下，灵活的系统降级模式仍能提供完备的点式ATP降级模式及联锁降级模式，以减少故障对地铁运营的影响。

[1] 卡斯柯信号有限公司 深圳地铁2号线信号正线系统设备技术规格书.