移动闭塞信号后备系统方案研究

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师）

移动闭塞信号后备系统方案研究

樊国林

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师）

以移动闭塞信号系统（CBTC）工作原理入手，分析了移动闭塞设备可能出现的故障，以及采取的运营对策：CBTC应配备具有点式ATP（列车自动防护）功能的后备系统，以便安全、高效地清退故障列车，恢复线路正常运营秩序。介绍了采用美式信标的后备系统（方案一）和采用欧式信标的后备系统（方案二），并对两个方案进行了分析和比较。

城市轨道交通；移动闭塞信号系统；后备系统

Author's address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

1 移动闭塞信号系统工作原理

移动闭塞信号系统（CBTC）由轨旁区域控制器，车载控制器，列车定位系统（速度传感、车载信标天线、轨旁信标），车-地通信系统（车载无线天线、轨旁无线接入点、有线数据传输网）等设备组成［1］。车载控制器依据列车通过轨旁信标的先后次序及速度确定列车的运行方向及位置，并通过车-地通信系统将其报告给轨旁区域控制器；轨旁区域控制器依据列车的运行方向及位置为在线所有列车建立自动防护区段，通过计算相邻列车自动防护区段确定每列列车的移动授权，并通过车-地通信系统将移动授权分别发送到每列列车的车载控制器；车载控制器依据轨旁控制器给出的移动授权控制列车运行。车载控制器每隔一段时间（如600 ms）向轨旁区域控制器报告一次列车的运行方向及位置。轨旁区域控制器每隔一段时间（如600 ms）更新线路上所有列车的自动防护区段及移动授权。

当CBTC列车进入非CBTC区段或超过规定时间间隔（如5 s）收不到移动授权时，列车实施紧急制动并退出CBTC驾驶模式，改由人工驾驶。人工驾驶列车时，车载控制器提供速度不超过20～25 km/h的自动防护，行车安全由司机保证。

2 CBTC信号降级系统

为提高CBTC系统的可靠性，系统的主要设备均采取冗余配置。但是，由于CBTC设备工作在振动的环境下，导致设备故障时有发生。CBTC系统设备可能发生的故障及采取的运营对策如下：

（1）车载设备发生故障：车载设备通常由车载控制器（CC）、测速装置、信标天线、车载无线传输系统等组成。①当车载无线传输系统或信标天线发生故障时，车载控制器无法实现列车定位，但车载控制器具有速度不超过20～25 km/h自动防护功能，此时司机需人工驾驶列车至相邻车站，清客后故障列车退出日常运营。②当测速装置发生故障时，车载控制器无法实现列车定位及速度控制，司机需切除ATP（列车自动防护），人工驾驶故障列车至下一站，清客并退出日常运营。③当车载控制器发生故障时，如果人工复位后车载控制器仍具有最高速度20～25 km/h自动防护功能，则人工驾驶列车至相邻车站，清客后故障列车退出日常运营；如果人工复位后车载控制器不具备ATP功能，司机需切除ATP，将列车驾驶至相邻车站，清客后退出日常运营。

（2）轨旁定位信标发生故障：CBTC采用无源信标（美式或欧式）进行列车定位，当列车错过2个连续的定位信标时，列车将因定位信息丢失而紧急制动，此时列车具备最高速度20～25 km/h自动防护功能，司机人工驾驶列车连续通过后续2个定位信标，方可重新定位列车并自动切换至移动闭塞。

（3）地面无线接入点发生故障：车-地通信中断超过5 s后列车将紧急制动，此时列车具备最高速度20～25 km/h防护功能，司机需人工驾驶列车通过故障区域，列车恢复无线覆盖后将自动切换到CBTC驾驶模式。

（4）信号有线传输网络发生故障：故障范围内的所有列车均无法向轨旁区域控制器报告其运行方向及位置，也因接收不到来自轨旁区域控制器的移动授权而紧急停车，在线列车具备最高速度20～25 km/h防护功能，故障范围内的所有列车只能人工驾驶。

（5）轨旁区域控制器发生故障：其控制范围内的所有列车因收不到移动授权而紧急停车，所有列车只能按不大于20～25 km/h的防护速度人工驾驶。

上述故障发生时，为保证后续CBTC列车的行车安全，正线需配备辅助列车检测装置（计轴检测设备）；为保证故障列车进站清客、退出运营时的安全，车站应配置出站信号机；为保障故障列车及相邻CBTC列车的行车安全，CBTC系统应配备以信号机、计轴、道岔转辙机为控制对象的计算机联锁降级系统［2］。CBTC配备降级系统也是保证工程车、救援车、跨线列车上线运行安全的需要。

移动闭塞降级系统信号平面布置如图1所示。

图1 移动闭塞降级系统信号平面布置图

3 后备系统方案

为满足故障运行工况，通常地铁线路每隔5～6座车站（或8～10 km）设置停车线。故障列车以不大于20～25 km/h的防护速度运行至停车线所需时间较长（约30 min），严重干扰了正常的运营秩序，为此，有必要对CBTC配备的降级系统进行优化，以提高故障列车退出运营时的行车速度，缩短故障处置时间［3］。

3.1 方案一

以CBTC配备的降级系统为基础，车站入口处增设进站信号机，当站间距较长时，区间可适当增加通过信号机；每架信号机附近增设美式有源信标，以防止列车冒进信号；为保证前行CBTC列车的安全，采用双红灯防护；车载点式ATP设备提供固定限速防护。固定限速由线路允许的最高行车速度（直线段、曲线段）、道岔侧向通过允许速度、列车通过站台时的限制速度等组成［4］。

方案一可实现后备模式下3～4 min的列车追踪间隔，其典型的信号平面布置及点式ATP防护曲线如图2所示。

图2 方案一信号平面布置及防护曲线

001列车区间内发生故障、以20～25 km/h防护速度运行至甲站出站信号机X2前停车并清客；当前行002 CBTC列车越过乙站出站信号机X4后，甲站X2开放，司机可在点式ATP下驾驶001故障列车开往乙站；当002列车越过区间通过信号机或进入前方车站，乙站进站信号机X3开放，001故障列车在点式ATP下通过X3信号机进入乙站，若X3信号机显示红灯，001故障列车必须在X3信号机前停车。如果001列车司机误闯显示红灯的X3信号机，则列车将因没有收到与X3信号机关联的信标的速度码而紧急制动。当乙站X4出站信号机前方具备2个轨道区段空闲条件，X4出站信号机开放，001故障列车可在点式ATP防护下跳越乙站。如果001故障列车在运行过程中的实际速度触碰了点式ATP曲线，则列车紧急制动。

当乙站屏蔽门发生故障或车站人员按压了紧急关闭按钮时，乙站X3进站信号机关闭，与X3进站信号机关联的信标停发速度码，阻止001故障列车进入乙站站台区域。

以一站一区间为单元，方案一需增加2个出站信号机有源信标、2架进站信号机及2个进站信号机有源信标；当列车追踪间隔按3.5 min设计时，平均每个区间还需增加1架通过信号机、1组计轴检测设备、1个通过信号机有源信标。此外，方案一的点式ATP防护曲线由线路限速、站台限速、道岔侧向限速构成，当故障列车在点式ATP下运行时，列车的运行速度完全由司机凭经验控制；而地铁线路坡度大、曲线半径小，为防止列车实际速度因触碰点式ATP防护曲线而紧急制动，进站及通过信号机应设置预告信号机，弯道附近应设置提醒司机变速的标志牌，经常停车的地点应设置一度停车牌；为提高行车效率，进站、通过信号机前方适当位置还应设置有源预告信标。

在特殊情况下（如因工期影响不能开通CBTC），方案一可用于载客运营。但由于其设有进站、通过信号机，载客列车存在隧道内停车的可能性；另外，列车的运行速度完全由司机凭经验掌控，旅客乘车的舒适性会受到一定的影响。

3.2 方案二

以CBTC配备的降级系统为基础，出站信号机前方设置100 m长的延续保护区段，当站间距超过2 000 m时，可在区间增设一架间隔信号机；出站信号机附近增设欧式有源信标，以防止列车冒进信号，进站口增设预告信标，实现列车在点式后备模式下跳停车站的功能；车载设备依据线路允许的最高运行速度、道岔侧向最大允许速度、列车通过站台时的限制速度及前方出站信号机显示等条件，提供目标-距离点式ATP防护曲线及点式ATO控制曲线。

方案二可实现后备模式下4～5 min的运营间隔，其典型的信号平面布置及点式ATP/ATO防护曲线如图3所示。

图3 方案二信号平面布置及防护曲线

001列车区间内发生故障，以20～25 km/h防护速度运行至甲站X2出站信号机前停车并清客；当前行002 CBTC列车越过乙站X4出站信号机前方100 m保护区段后，甲站X2出站信号机开放，司机在点式ATP下驾驶001故障列车开往乙站，并在乙站X4出站信号机前停车；当002列车离开丙站出站信号机前方保护区段后（乙、丙为相邻车站），乙站X4出站信号机开放，001列车出站。001故障列车经过乙站进站口时，将接收到新的速度命令、更新点式ATP防护曲线，并在点式ATP下跳越乙站；运行过程中司机依据操作盘面上提示的目标速度和实际速度控制列车运行，当列车的实际速度触碰点式ATP防护速度时触发紧急制动。当列车误闯乙站显示红灯的X4出站信号机时，则列车将因没有收到与X4信号机关联的信标的速度码而紧急制动，并在X4出站信号机前方保护区段内停车。

当乙站屏蔽门发生故障或车站人员按压了紧急关闭按钮时，甲站X2出站信号机无法开放，与X2出站信号机关联的信标停发速度码，阻止001故障列车自甲站进入区间。

在该后备模式下，司机通过比较驾驶台盘面上显示的目标速度和实际速度驾驶列车，列车加速、减速更平稳；列车经过变速点时车载点式ATP/ATO设备不间断提供相应的速度信息，轨旁变速点附近无需增加速度提示牌，区间无需增加预告信号机；列车接近显示红灯的出站信号机、道岔防护信号机时的速度比较低，很好地保护了故障列车及前行CBTC列车的运行安全。

方案二还提供点式ATO驾驶功能，提供了与CBTC类似的ATP/ATO曲线，完全适用于载客运营。

以一站一区间为单元，方案二需增加2个出站信号机信标、2个预告信标及2个计轴设备。

3.3 后备系统方案比较

将方案一中采用的美式信标更换成欧式信标即产生方案三。方案三同时具备了方案一和方案二的优点，但考虑到CBTC配备后备系统的目的是为了缩短CBTC设备故障时的处置时间，不刻意追求后备系统的行车间隔，且方案三的性价比较差，所以本文不予考虑。

当CBTC配备方案一或方案二的后备系统后，轨旁信号设备发生的故障对正常运营秩序将几乎没有影响；车载设备发生故障时可提高故障列车退出运营的速度，降低故障列车对运营的影响。

后备系统方案比较如表1所示。

4 结论

（1）CBCT应配备具有点式ATP功能的后备系统，以缩短故障列车退出运营的处置时间。

（2）具有点式ATP功能的后备系统可用于载客运营。

表1 后备系统性能对比

（3）以欧式信标为特征、具有点式ATP/ATO功能的后备系统更符合运营需求。

［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）：136.

［2］ 居理.移动闭塞后备系统的应用分析［J］.城市轨道交通研究，2011（1）：21.

［3］ 张琼燕.基于无线通信的列车控制系统下后备模式的选择与应用［J］.城市轨道交通研究，2012（7）：42.

［4］ 孙郁林，张伟.CBTC系统后备模式的点式ATP方案［J］.铁路通信信号工程技术，2013（4）：71.

On the Backup System of Communication Based Train Control System

Fan Guolin

In this paper，the probable equipment failures and operation methods based on the principle of CBTC are firstly analyzed.In order to restore the normal operation and remove the broken-down train from the scene when some CBTC equipment fault happens，a station block or fixed block backup system with automatic train protection（ATP）functions is required.For this purpose，two backup systems are compared respectively with American balise and European balise，some useful conclusionsare obtained.

urban rail transit；communication based train control system；backup system

U 284.44

2013-08-30）