C B T C系统正线信号显示的工程实施方案分析

贾利生,王 琰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

C B T C系统正线信号显示的工程实施方案分析

贾利生,王 琰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

城市轨道交通工程中,采用CBTC(基于通信的列车控制)系统的正线信号显示方案各城市不尽相同,通过对国内现存的各种显示方案进行调查,分析和比较各方案的特点及优缺点,提出如采用亮灯方案,优先选用不加额外显示灯位方式,如采用灭灯方案,优先选用常态灭灯方式的工程实施相关建议。

城市轨道交通;CBTC;移动闭塞;信号显示

近几年,随着我国城市轨道交通的大力发展,移动闭塞制式的基于通信的列车控制系统(以下简称CBTC系统)得到了广泛的应用。采用CBTC系统后,车载信号成为了行车主体信号,但为了实现对故障车、工程车、非装备列车的运行及进行过岔等防护[1],正线保留了地面信号机。目前在不同城市及相同城市的不同项目中,正线信号机的设置和显示也不尽相同,笔者对目前已开通和正在实施项目的信号机设置和显示方案进行了调查和分析,比较了各种方案的优缺点,最后提出了工程实施相关建议。

1 CBTC系统正线信号机设置

1.1 正线信号机主要类型

正线信号机根据其设置位置及功能区分,主要有如下几种类型。

道岔防护信号机:设置于所需防护道岔的前后适当位置,具有出站性质以外的道岔防护信号机应设引导信号[2]。

出站信号机:根据运营需求及降级运行时的行车间隔需要,可在车站出站方向列车停车位置前方适当地点设置出站信号机。出站信号机外方若有道岔,则该信号机兼做道岔防护信号机,为提高运营效率,也可增加出站引导信号。

阻挡信号机:设置于线路尽头、折返进路终端。

把口信号机:设置于联络线或段、场线等进入正线把口位置。

另外,还包括设置于防淹门前的防护信号机、为满足降级运行间隔需要而设置的通过信号机(或间隔信号机)、为增加信号显示距离而设置的复示信号机等。

1.2 正线信号机的显示

目前国内不同城市的信号机构设置并不统一,但普遍采用黄(或月白)、绿、红的基本颜色,信号机显示意义如下:

绿色灯光表示准许列车按规定速度越过该架信号机,当进路中有道岔时,还表示道岔开通直向位置;

黄色(或月白色)灯光表示进路中至少有1组道岔开通侧向位置,准许列车按规定速度越过该架信号机;

红色灯光表示禁止列车越过该架信号机;

红色灯光加黄色(或月白色)灯光为引导信号显示,准许列车以不超过规定的速度(根据道岔的侧向限速及运营需求确定,上海地铁为20 km/h,其他城市为25 km/h)越过该架信号机,并随时准备停车。

2 CBTC系统信号显示方案

CBTC系统普遍采用计轴设备实现降级运营时的列车占用、出清检查,一般相邻2个站间有1个或2个计轴区段。在正常的CBTC系统列车运行下,道岔防护、出站等信号机的防护进路中,可以允许多列车追踪运行,移动授权不检查进路中的计轴区段的状态[3-4]。因此在CBTC系统下,正常模式和降级模式出现了不同的信号机点灯原理。鉴于把口和阻挡信号机常态一般为亮灯状态,故下面主要对道岔防护、出站等信号机的显示及常态进行分析。

为了便于分析,将运行的列车分为CBTC列车和非CBTC列车,CBTC列车这里定义为车地通信正常,列车采用ATO模式或ATP监控下的人工驾驶模式;非CBTC列车这里指列车采用ATP限制人工驾驶模式、非限制人工驾驶模式、降级模式下的点式ATP模式或非装备CBTC车载信号的列车。将地面信号系统状态分为CBTC模式和降级模式,降级模式这里指联锁级的站间闭塞或进路闭塞。

以CBTC列车为对象,信号显示分为两大方案:亮灯方案和灭灯方案。

2.1 亮灯方案

2.1.1 加显示灯位的亮灯方式

增加额外的显示灯位,用于区分CBTC模式和降级模式,目前有以下2种实施方案。

方案一:增加蓝灯。

已经开通的武汉轨道交通1号线,广州地铁3号线及在建的沈阳地铁1、2号线,昆明地铁1号线采用了该方案。

信号机设置为四灯位组合机构,信号机常态仅蓝灯点亮。蓝灯点亮表示地面信号系统运行在CBTC模式下,CBTC列车按车载信号运行,而非CBTC列车遇到蓝灯则视为禁止信号,列车必须在信号机前停车。当地面信号系统运行在降级模式下时,信号机蓝灯熄灭,根据联锁条件改点相应的黄、绿、红灯,信号显示意义依前所述。

方案二:增加M红灯。

已经开通的深圳地铁3号线、在建的天津地铁2、3号线采用了该方案。

信号机设置为四灯位组合机构,地面信号系统在CBTC模式下时,信号机显示M红、黄、绿、红;在降级模式下时,信号机显示黄、绿、红。

M红灯显示为白底色,上面有红色“M”字,表示信号机内方所防护的站间闭塞或进路闭塞在锁闭状态,但区段内有 CBTC列车正在运行,此时后续的CBTC列车可以通过此信号机,而非CBTC列车则禁止通过,需等待信号机变为绿或黄灯才能通过。当区段内列车出清时,信号机才可改点绿或黄灯。自动进路中的一个计轴区段故障也会将入口信号机转换为M红灯。其他的信号显示意义依前所述。

2.1.2 不加显示灯位的亮灯方式

北京地铁4号线、大兴线,上海地铁6、7、8、9、11、12、13号线均采用该方式。北京采用了黄、绿、红的三灯位组合机构,而上海采用了绿、红、月白的三灯位组合机构[5]。信号机常态亮灯。CBTC地面核心设备ZC(区域控制器)将列车的运行状态“CBTC列车”还是“非CBTC列车”信息传给计算机联锁设备,计算机联锁根据此信息,对于“CBTC列车”和“非CBTC列车”自动给出不同的信号机点灯原则。

当信号机前方是非CBTC列车时,信号机的开放检查相应进路内的区段空闲条件。信号机允许信号灯丝双断时,则改点为红灯信号。当红灯信号机灯丝双断未能点亮时,该信号机视为禁止信号。

当信号机前方是CBTC列车时,信号机的开放不检查相应进路内的区段空闲条件,根据移动授权点亮相应的信号机。由于CBTC列车以车载信号为主体信号,故允许信号的开放可不检查灯丝的完好条件,允许信号灯丝双断时,可不改点红灯信号,信号机灭灯不影响列车的运行。红灯灯丝双断时,如允许信号灯丝完好的条件下,可以开放允许信号。灯丝双断丝时,在列车驾驶台的人机界面上有报警提示。

2.2 灭灯方案

2.2.1 CBTC列车触发灭灯方式

北京地铁房山线,上海地铁10号线,深圳地铁2、5号线,成都地铁1号线均采用此方式。该方案信号机常态亮灯,CBTC列车接近信号机时(距离可设置),触发移动授权范围内信号机灭灯,列车以车载信号为行车信号,当列车越过信号机后,信号机点亮红灯,如后续列车仍为CBTC列车,则列车接近信号机时继续触发信号机灭灯,列车按收到的移动授权行车。对于非CBTC列车,则信号机一直处于亮灯状态,列车以地面信号机显示行车。

2.2.2 常态灭灯方式

广州地铁4、5号线,北京地铁2、10号线、亦庄线采用了此方式,信号机设置为黄、绿、红三灯位组合机构。国铁高速铁路CTCS-3级列控系统也采用了轨旁信号机常态灭灯方式[6-7]。

CBTC列车时,信号机灭灯,列车以车载信号为行车信号。列车降级为非CBTC列车,但未接近信号机时,列车运行前方信号机仍然为灭灯;列车接近信号机时(距离可设置),系统触发信号机点灯,司机根据信号机显示行车,该列车如果在信号机前方能够再升级成CBTC列车,信号机又将灭灯。信号机点灯时,允许灯光因故灭灯时,则改点为红灯信号。当红灯因故不能点亮时,对于非CBTC列车视为禁止信号。信号机的点亮需检查进路的空闲。

早期开通的项目如北京地铁2号线采用了人工进行信号机点亮、灭灯的切换,后期开通项目则采用了自动切换的方式。国铁CTCS-3级列控系统也是采用了人工操作点亮的方式。

CBTC系统信号显示实施方案对照见表1。

表1 CBTC系统信号显示实施方案对照

3 优缺点分析

下面将从几个方面对上述4种CBTC系统信号显示实施方案做优缺点分析、比较。

3.1 实现混运方式

以上方案目前均可实现CBTC列车和非CBTC列车的混跑。对于加显示灯位的亮灯方案,通过不同的信号显示分别用于CBTC列车和非CBTC列车,系统设计简单;对于不加显示灯位的亮灯方案,则系统设计时,需根据是CBTC列车还是非CBTC列车给出不同的信号机点灯原则,故系统设计比较复杂;对于信号机灭灯方案,则采用对CBTC列车灭灯,以车载信号行车,而对非CBTC列车点灯,以信号机显示来行车,系统设计也较复杂。

正常CBTC列车追踪运行时,后续CBTC列车的移动授权限制在前行CBTC列车车尾虚拟占用边界,因此计轴区段内的列车数量没有限制。

地面信号系统状态分为CBTC模式和降级模式(即站间闭塞或进路闭塞),为了实现不同运行模式列车混运时,地面信号系统状态的自动转换,计轴区段也对应可分为CBTC模式和降级模式。CBTC列车进入的计轴区段则为CBTC模式区段,非CBTC列车进入则为降级模式区段。CBTC模式区段仅允许后续的CBTC列车进入;如后续列车为非CBTC列车,则此CBTC模式区段入口信号机显示为禁止信号。降级模式区段则不容许后续的列车进入。如后续列车是非CBTC列车,则降级模式区段入口信号机显示禁止信号。如后续列车是CBTC列车,则列车的移动授权终端设置在入口信号机处,如为亮灯方案则还应点亮入口信号机的禁止信号。

3.2 灯丝断丝的防护

亮灯方案时,当地面信号机因故不能点亮,对于CBTC列车,由于车载信号为主体信号,再加上列车驾驶台上有灯丝断丝报警提示,故信号机的灭灯可不影响列车的运行,列车可按车载信号行车,故此时出现了地面信号和车载信号不一致的情况。由于城轨项目普遍采用了小型LED信号机,并设置了报警设备,可以实现电流低于16%(可设定)的预报警和当LED信号机达到预设的25%～30%时的报警,提醒维护人员及时修复。故采用LED信号机后可有效地降低该类事件的发生概率。

灭灯方案时,CBTC列车以车载信号显示行车,地面信号机不参与显示,避免了车地信号显示的不一致。此方案中的常态灭灯方式由于平时无法实时检测灯丝的完整状态,如当需要启用降级模式点亮信号机时,存在信号机刚好发生故障而无法点亮的可能,从而影响到了降级模式的启用。采用LED信号机及通过夜间停运时间定期检查信号机灯丝完好状态[8],可降低该类事件的发生概率。此方案中的CBTC列车触发灭灯方式由于信号机常态点亮,故信号机发生故障时可及时发现,不存在此类问题。

当地面信号设备为降级模式或为非CBTC列车运行时,信号机应亮灯,此时应做到信号机允许信号因故不能点亮时,改点为红灯信号。当红灯信号因故不能点亮,则视为禁止信号。

3.3 其他方面

3.3.1 加显示灯位的亮灯方案

加显示灯位的亮灯方案,由于增加了信号机构及额外的灯光显示意义,使得机构设置相对复杂,不便于运营,也相应增加了轨旁信号机和电缆的费用。增加蓝灯的方式,早期开通的项目,当列车降级为非CBTC模式时,则需在蓝灯前停车,与调度员联系,调度员确认列车可以运行时,经人工操作点亮相应的允许信号,列车方可继续运行。目前该方案已发展为非CBTC列车运行时,可在一定范围内自动提前关闭蓝灯,改点相应的黄、绿、红灯,已与CBTC常态灭灯方案中的信号机点亮原理类似,只是在CBTC列车运行时地面还给出了蓝灯以提示司机地面信号设备在CBTC状态下。

增加M红灯的方式,对于CBTC列车司机,存在远距离将M红灯误认为红灯的可能,虽然此时司机以车载信号为主体信号,但误认的地面信号和车载信号不一致,也会造成司机的紧张。

3.3.2 不加显示灯位的亮灯方案

该方案信号显示简单,在CBTC列车运行时,信号机点亮,优点是司机可以根据道岔防护信号机的显示判断出道岔开通直向位置还是侧向位置。缺点是司机驾驶列车时的信号不唯一,存在车地显示不一致的可能。

3.3.3 CBTC列车信号机灭灯方案

该方案信号显示简单,CBTC列车运行时,信号机灭灯,司机以车载信号行车,司机驾驶列车的信号唯一,降低了驾驶难度,方便了运营,且节约能源。缺点是CBTC列车司机需人工确认道岔开向。

3.4 分析结论

综合以上分析绘制信号显示实施方案优缺点对照表(表2),从表中可以看出亮灯方案中,不加显示灯位的方式信号显示意义、运营规则相对简单、道岔防护信号机可显示出道岔的开通方向,轨旁信号机及电缆工程造价少,故优于加显示灯位的方式。灭灯方案与亮灯方案相比则除了具有信号显示意义和运营规则简单外,还更加节能。而常态灭灯方式比CBTC列车触发灭灯方式则更具有节能的优势。

表2 信号显示实施方案优缺点对照

4 工程建议

4.1 信号显示方案建议

4种信号显示方案各有优缺点,但考虑运营方便和节能等因素,在新建CBTC系统城轨项目中,正线信号机除了阻挡和联络线的把口信号机外,结合本城市已建项目信号显示方式,如采用亮灯方案,优先选用不加显示灯位的方式;如采用灭灯方案,优先选用常态灭灯的方式。

4.2 对新版《地铁设计规范》(征求意见稿)的建议

新版《地铁设计规范》(征求意见稿)中对信号机规定如下“信号机采用定位亮灯方式时,应遵循下列原则:……防护信号机显示允许信号因故未能点亮时,应给出禁止信号显示。信号机显示禁止信号因故未能点亮时,该信号应视为禁止信号,并宜实现灯光转移。”[9]目前实施的采用不加显示灯位的亮灯方式的项目中,由于CBTC列车以车载信号为主体信号,且灯丝断丝时列车驾驶台上有报警提示,为了提高运营效率,信号系统按信号机因故不能点亮不影响列车运行进行了设计,故没有降级改点禁止信号,与新版规范的规定有差异。鉴于国标《城市轨道交通信号系统通用技术条件》(GB/T 12758—2004)规定“地面信号为主体信号时,其信号显示熄灭或显示意义不明时,应视为禁止信号”[10],也是规定了在“地面信号为主体信号”,而不是“信号机采用定位亮灯方式”时信号机的故障处理原则,故建议新版规范也可按“地面信号为主体信号”来规定信号机故障的处理原则。

5 结语

本文对国内CBTC项目普遍采用的信号显示方案进行了调查、分析和比较,各项目在工程实施中结合CBTC系统供货商自身系统特点和各城市不同的运营需求,即使是相同的显示方案之间也还会存在差异,值得进一步研究和探讨。建议新建项目尽早确定信号机的设置和显示方式,并在信号系统招标用户需求书中明确,便于尽早开展系统设计及工程设计中与土建的配合。

[1] 王琰.基于通信的列车控制系统后备系统的探讨[J].铁道标准设计,2007(6):133 -134.

[2] 中华人民共和国建设部.GB50157—2003 地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

[3] IEEE Std1474.1TM-2004.IEEE Standard for Communications-Based Train Control Performance and Functional Requirements[S]. IEEE Vehicular Technology Society,2005.

[4] 凌祝军.CBTC系统中的联锁技术研究[J].铁道通信信号,2009, 45(9):12 -14.

[5] 上海市建设和管理委员会.DGJ08—109—2004 城市轨道交通设计规范[S].上海:上海市建设工程标准定额管理总站,2003.

[6] 中华人民共和国铁道部.铁运[2008]19号.关于客运专线信号系统若干问题的指导意见[Z].北京:中华人民共和国铁道部,2008.

[7] 中华人民共和国铁道部.TB 10621—2009 高速铁路设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2010.

[8] 肖培龙,邱奎.地铁移动闭塞系统信号机显示方案研究[J].铁道通信信号,2010,46(6):28 -30.

[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范(征求意见稿)[S].北京:中华人民共和国住房和城乡建设部,2009

[10]中华人民共和国建设部.GB/T 12758—2004 城市轨道交通信号系统通用技术条件[S].北京:中国标准出版社,2004.

Analysis on Engineering Solutions about Signal Aspects in M ain Line for CBTC System

JIA Li-sheng,WANG Yan
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300251,China)

In urban rail transit engineering,the signal aspects of main line which adopts CBTC (Communications-Based Train Control)system are quite not the same in many cities.Through investigating the several existing signal aspect schemes in China,the paper analyzes and compares the characteristics of them and summarizes their advantages and disadvantages.In the end,some engineering advices are suggested as follows:In Light-on mode,the priority should be given to the scheme without adding extra signal aspects.If in Light-offmode,the scheme that the lights are turned off in normal state is preferred.

urban rail transit;CBTC;moving block;signal aspect

U213.1+7;U284.1

A

1004 -2954(2012)10 -0101 -04

2012-05-03

贾利生(1973—),男,高级工程师,1995年毕业于兰州铁道学院自动控制专业,工学学士,E-mail:jialisheng@tsdig.com。