浅谈CBTC信号系统后备模式的分类及应用

董 波

浅谈CBTC信号系统后备模式的分类及应用

董 波

摘 要：目前在建及拟建的城轨交通项目中，信号系统绝大多数采用基于通信的移动闭塞列车控制 (CBTC)系统，且大部分城市的CBTC系统都考虑了适当的后备模式。介绍国内城轨交通CBTC信号系统不同后备模式的设备配置、工作原理、系统性能等，以便进一步阐述CBTC信号系统后备模式的分类及应用情况。

关键词：城轨交通;后备模式;计轴

在国内城轨交通CBTC信号系统项目中，开通初期无线通信不能及时调试完成、开通后通信中断或者信号系统在部分设备故障时，后备模式均作为保持一定运营水平和安全防护的手段。虽然CBTC信号系统在国内城轨交通应用已近10年，但围绕CBTC后备模式的争论一直没有停止过，也没有形成一个统一的标准。

1 后备模式的应用场景

后备模式的设置从根本上是为了提高信号系统的可用性，主要是出于以下应用场景的考虑：①线路开通初期，信号系统不具备CBTC开通条件时，后备模式作为临时过渡期间列车运行模式;②对未配备车载设备的列车 (如工程车或不兼容本线信号系统的列车)，车站值班员需直观确认其对区段的占用、出清情况，提高作业效率;③正线的轨旁设备故障 (如轨旁ATP主机、轨旁通信网络或轨旁接入点AP故障)而联锁完好时，要求运行状态能够导向安全，支持具有一定运营效率的系统运行;④车载设备故障时，方便调度员进行列车追踪、定位，以便使故障列车尽快撤离，恢复系统正常运营。

2 后备模式的特点

1．车载设备与轨旁设备间无法形成连续通信，CBTC系统可采用后备模式降级使用。

2．后备模式使用必须建立在联锁设备正常运行基础上。

3．核心工作原理是利用不依赖于车-地无线通信的辅助列车位置检测设备，完成联锁进路控制。

4．后备模式具有多种级别，可人工保障安全，也可具有ATP防护。

3 各级别后备模式简介

目前我国城市轨道交通信号系统中采用的后备模式主要有3种：①仅叠加辅助的列车位置检测设备;②联锁控制级;③点式控制级。

3.1 叠加辅助的列车位置检测设备

1．叠加辅助的列车位置检测设备原理如图1所示。该制式在全线配置计轴设备，划分计轴区段，实现对非通信列车 (故障列车、未装备车载信号设备列车)的占用检测，便于值班员确认列车位置，加快解锁/出清故障车所占用过的区段(进路)。

图1 列车位置检测设备原理示意图

2．对于晚间作业未装备车载信号设备的工程车，方便值班员直观确认工程车的占用/出清情况，便于其定位和跟踪，提高晚间作业的效率。

3．该模式未配置地面信号机，无地面信号显示防护，非通信列车只能根据调度命令行车，并且只能按站间电话闭塞行车。

3.2 联锁控制级

1．联锁控制级原理如图2所示，与叠加辅助的列车位置检测设备级别相比，联锁控制级增加了信号机实现进路闭塞。在联锁级控制模式下，系统采用进路闭塞的行车方式，列车在完全人工驾驶模式下运行。司机根据地面信号机的指示驾驶列车，行车安全由司机负责。既适用于地面设备故障情况，又适用于非通信车的行车控制。

图2 联锁控制级原理示意图

2．限于信号机显示距离、保护区段设置等原因，联锁级控制仅能保障限速人工驾驶模式(25 km/h)安全。

3．如果要在联锁级别下实现高速运行，必须在进路开放基础上根据调度命令行车，并且只能按站间电话闭塞行车。

4．联锁级控制能实现非通信列车和通信列车混合运营，及局部信号系统设备故障后的后备运行。联锁控制级后备模式系统结构如图3所示。

3.3 点式控制级

1．点式控制级原理如图4所示，与联锁控制级相比，点式控制级在联锁控制级基础上，采用可变应答器实现地对车信息的点式通信。

2．可变应答器与进路防护信号机关联，每个可变应答器对应一架信号机。

3．当进路锁闭信号开放后，关联的可变应答器向通过的列车发送允许信息。

图3 联锁控制级后备模式系统结构示意图

4．列车读取可变应答器的信息后，通过车载轨道数据库的定义，计算相应的列车移动授权，继而计算ATP防护曲线。

5．根据行车间隔需求，可在区间划分计轴区段，布置区间信号机，使后备模式可以支持一定运行间隔水平的有ATP防护运营。点式控制级后备模式系统结构如图5所示。

4 3种后备模式的比较

3种后备模式制式均具备对故障列车及未装备车载信号设备的列车提供辅助列车位置检测功能，但在系统复杂性、提供的运营能力指标及效率等方面存在差异。3种级别的后备模式比较见表1。

图4 点式控制级原理示意图

图5 点式控制级后备模式系统结构示意图

5 各级别后备模式应用场景分析

结合目前国内各城市轨道交通CBTC信号系统后备模式使用状况，根据前面列出的3种后备模式应用场景，分析如下。

1．在合理工期安排下，由于CBTC系统完全可以一次性全功能开通，因此场景①出现会越来越少，在此场景下可应用点式控制级后备模式。

2．工程车每天上线，与本线维修等资源共享线路的列车会经常进入本线，因此，场景②出现最多，是一种常态情况，仅能使用联锁控制级后备模式。

3．大量项目运营经验虽证明ATP设备双系统故障出现概率极低，且无线网络自身冗余配置，重叠覆盖，可靠性极高，但随着各领域无线设备的应用越来越广泛，特别是个人手持移动终端的普及，无线使用环境日益复杂，场景③车-地无线通信被干扰的可能性始终存在，在此场景下可应用点式控制级后备模式。

4．车载设备故障是目前CBTC系统最常出现的故障之一，场景④也出现较多，此场景下仅能使用联锁控制级后备模式。

表1 3种级别的后备模式对比表

6 结论

后备模式的选择应考虑线路和运营的具体需求，从成本效益和功能需求的观点出发，而不必追求性能的过度设计;应充分考虑线路运营需求和运营维护成本，科学地选用性价比高的后备模式。若后备模式系统过于复杂，将不可避免地导致接口和轨旁设备的增加，造成初期投资及运营维护成本加大，失去了精简轨旁设备的优势。同时，CBTC信号系统已经是国内主流方案，而且必然是今后的发展趋势。随着技术的发展，无线通信会越来越稳定，因此没有必要将后备模式做得过于复杂。

如考虑点式控制级与CBTC级别混合运营，系统设计就需考虑CBTC模式与后备模式在区域边界的衔接，以及2种制式的列车混合运营或后备转换时，移动闭塞和固定闭塞安全防护原则和理念的衔接;同时还需兼顾后备模式下的单方向运行方式和CBTC模式下的双方向运行方式，在信号显示、安全防护等方面的融合。这必然会导致系统设计的复杂性加大，出现的接口设计原则和匹配问题，也造成了系统的可靠性和可用性的降低。

综上所述，后备模式使用必须建立在联锁设备正常运行基础上，所有CBTC系统必须具备联锁级后备降级模式。另外，在工期保证和调试时间充足的前提下，可适当降低后备模式的复杂程度，通过考虑在不同运营需求、不同建设阶段和投资的情况下，采用适合自己的后备模式策略。

［1］IEEE Std 1473．1 －1999 IEEE Standard for Communications Based Train Control(CBTC) Performance and Functional Requirements.

［2］刘剑．城市轨道交通移动闭塞系统后备模式的研究［D］．中国铁道科学研究院，2005(5)：24．

Abstract:Signaling systems based on moving block train traffic control system，for short，CBTC，are adopted in most of the urban rail transit projects currently under construction or being proposed and appropriate back-up mode have been taken into consideration for the CBTC systems in most cities．This article introduces the device configuration，working principle，and system performance of different back-up modes of the CBTC signaling systems of domestic urban rail transit and elaborates the classification of back-up modes of CBTC signaling systems and their applications．

Key words:Urban rail transit;Back-up mode;Axle counter

董 波：青岛市地下铁道公司设备技术与运营筹备处 工程师266071 山东青岛

2012-11-23

(责任编辑：温志红)