基于既有线固定闭塞信号系统升级的方案研究

罗 勋

北京地铁13号线是北京第一条全地面轨道的城市轨道线路，全长40.5km。由于当时13号线是按照郊区联络线规划建设，设计运行间隔大，信号系统配置技术等级低，早已不能满足客流不断增长的运营要求。且原信号系统采用英国西屋公司的设备及技术，存在设备老化问题突出，维修困难等问题。为此，北京地铁联合大成通号公司进行国产化目标－距离模式信号系统研发及应用试验，目的是采用国产化产品，对未完全到使用寿命的既有系统进行局部改造、替代，延长系统使用寿命，提升信号系统运行间隔能力，提升设备稳定性。

1 概念解析

1.1 增量更新

增量更新是在计算机应用中的一种更新模式，特指在更新操作时，只更新局部。将增量更新的概念引入到城市轨道交通信号系统工程中，则特指充分利用既有基础信号设备，仅局部改造处于性能瓶颈，或者影响系统提升能力的子系统，对其他设备仅做必要的软件升级或调整，以达到提升信号系统运营间隔能力，提高系统设备服务水平的目的。

1.2 固定闭塞模式列车自动防护系统

基于轨道电路的固定闭塞模式列车自动防护系统，广泛运用于北京、上海、天津等地多条城市轨道交通线路。它是利用音频轨道电路，来实现列车定位、速度码的传输，采用阶梯式速度曲线 （FBSS）控制列车。这种列车控制系统的控制精度不高，舒适度较差。此外，由于闭塞分区长度的划定是按照最长列车、满载、最高允许速度、最不利制动率及最小列车运行闻隔时间等最严格条件设计，影响了行车效率。

1.3 目标－距离模式列车自动防护系统

基于轨道电路的准移动闭塞模式列车自动控制系统，在铁路及部分城市轨道交通线路也得到了应用，如北京地铁5号线。该系统采用目标－距离模式 （DTG）防护曲线，列车根据轨道传来的编码信息和APR信息，以及地理数据，计算出列车不得逾越的最大安全距离，并实时计算出列车的防护速度曲线。列车实际速度一旦超出的防护速度曲线，则实施紧急制动。同时，列车也不能越过计算出的最大安全距离，否则实施紧急制动。

准移动闭塞的地面设备 （轨道电路加信标）应向车载设备提供所需信息，实现列车运行的连续式速度和可行车距离控制。准移动闭塞的列车安全间隔，是以所在闭塞分区入口端为目标地点 （危险点），由后续列车以当前速度制动停车所需走行距离加安全保护距离确定。目标－距离模式中，每列车都会产生可以安全运行的 “运行权限”（LMA），并生成防护速度曲线。

为了使列车能够在DTG模式下工作，需沿轨道放置APR （绝对位置信标），以实现列车的精确定位。在目标－距离模式中，当发生某些故障时，仍能使列车从DTG模式降级为FBSS模式，保证不中断运营，而且还能保证与原固定闭塞系统相同的效率。

图1为目标－距离模式示意图，列车实际运行速度与计算的防护速度连续进行比较，超过防护速度则实施紧急制动。列车超过 “运行权限”（LMA），则实施紧急制动。目标－距离模式和固定闭塞速度信号模式 （FBSS）相兼容。

图1 目标－距离模式

2 目标－距离模式ATP系统工作原理

2.1 速度和距离测量

在目标－距离模式中，列车位置是安全关键因素。如果在线路中，列车没有一个精确的位置表示，就不能保证在某个闭塞区段或限制区段之前停车或减速。

测速电机负责给车载ATP设备提供速度信息。但由于测速电机不能精确地补偿车轮空转和打滑，还需要配置多普勒雷达，由多普勒雷达所测的速度与测速电机给出的输入速度进行比较，可对速度测量系统做进一步的可靠性校验。

通过安装在列车上的阅读器读入沿轨道按固定间距安装APR的数据。每个APR具有一个惟一标识，该标识存储在车载ATP地理数据中。列车根据速度信息，计算出列车行驶距离，并根据APR信息确定列车当前位置。

2.2 运行权限

一般而言，ATP车载设备接收轨道传来的编码信息，经过译码后，即可知道列车前方还有几个未被占用的轨道电路。

列车根据收到的编码信息，结合车载ATP设备中存储的地理数据，就可以计算出列车不得逾越的最大安全距离。运行权限示意图如图2所示，其中编码可以翻译如下。

图2 运行权限示意图

0/0N：最大安全距离为列车当前位置到本轨道电路尽头的距离。

1/1N：最大安全距离为前一闭塞分区的长度，与列车占用位置到占用本轨道电路尽头的距离之和。

2/2N：最大安全距离为前2个闭塞分区的长度，与列车占用位置到占用本轨道电路尽头的距离之和。

3/3N：最大安全距离为前3个闭塞分区的长度，与列车占用位置到占用本轨道电路尽头的距离之和。

4/4N：最大安全距离为前4个闭塞分区的长度，与列车占用位置到占用本轨道电路尽头的距离之和。

如图2所示，假设列车A静止，列车B正从后面向列车A靠近。列车B收到的编码是4/4N，所以前方有4段轨道电路空闲。Pb点是列车A占用的轨道电路的起点，无论如何列车B都不得逾越该点。列车B继续前进，进入了下一段轨道电路，它开始接收3/3N编码，表明前方有3段轨道电路空闲。

实际上，列车不会正好停在轨道电路的终点，而是在轨道电路终点之前，会留出一定的安全距离（该安全距离可以在工程设计时，由软件配置）。

2.3 防护速度曲线

列车根据轨道传来的编码信息和APR信息以及地理数据，计算出列车不得逾越的最大安全距离，并实时计算列车的防护速度曲线。列车必须在此曲线下运行。

除了上述条件外，在线路的某些区域，由于某种特殊情况或临时性原因，如轨道临时作业等，还有一些永久或临时性速度限制要求。ATP将充分考虑到限制条件，选择最严格的条件来执行，以便对列车实施保护。

3 “目标－距离”与 “固定闭塞”的区别

1.运行权限生成方式不同。固定闭塞模式没有运行权限，也就是说没有目标－距离，只有最大安全速度及目标速度；而 “目标－距离”模式有允许列车行驶最大距离限制，如果超出这个距离，列车实施紧急制动。

2.防护速度定义不同。如图3所示，固定闭塞模式在每个区段内有一个来自地面的固定最大安全速度；“目标－距离”模式的最大安全速度是车载设备根据运行权限连续计算的。

图3 停车曲线图

3.防护方式不同。速度码模式只有速度防护，“目标－距离”模式不仅有速度防护，还有距离防护。

4.追踪间隔不同。从图3中停车曲线的停车点可以看出，固定闭塞的追踪间隔比目标－距离的追踪间隔多一个闭塞区段，称为防护区段。显然，目标－距离比固定闭塞的效率高。同样道理，折返效率也会提高。

4 “固定闭塞”模式升级 “目标－距离”的增量更新方案

在对北京地铁13号线固定闭塞模式信号系统进行增量更新时，在硬件方面，需进行车载ATP子系统及外围设备更新，地面新增APR信标设备，原有的地面设备均可以保留；软件方面，联锁及CTC设备需进行软件升级；在轨道码定义方面，也需对原有速度台阶轨道码进行重新释义，以实现目标－距离模式运行。

车载ATP子系统及外围设备更新内容：①改造既有速度台阶模式车载ATP控制单元，升级基于轨道电路传输的目标－距离模式ATP控制单元；②改造司机显示单元，加入目标－距离模式信息显示，及进入目标－距离模式操作按钮；③增加车载APR阅读器，用于读取地面无源信标、有源信标的信息；④增加多普勒雷达，用于列车打滑、空转补偿。

地面新增APR信标设备包含：①无源信标，安装在区间轨旁，用于列车读取以确定绝对位置；②有源信标，安装在区间轨旁，用于向列车发送临时限速，站台封闭等特定可变信息。保留既有ATS系统、联锁系统、地面ATP系统 （轨道电路发码设备、编码电路、室外调谐单元），以及既有车载外围设备，包括测速电机、ATP天线、速度表及ATP模式开关等。

车载ATP对轨道码译码重新进行定义。因定义完全不同于速度台阶的MSS/TS（最大安全速度/目标速度），故需人工将全线速度台阶模式编码（简称FBSS编码）翻译成前方空闲区段数的编码，即DTG信号模式编码 （简称DTG编码），并存储在地理数据中。ATP控制单元根据列车位置信息和FBSS编码，去地理数据中读取对应的DTG编码，如果能够读取对应的DTG编码，则认为DTG编码有效。

5 增量更新方案的优势和意义

经测算，如采用全面改造更新为CBTC信号系统的方案，13号线改造工程需投资约15.5亿元，工期4－5年。而选择增量更新方案，可实现2min最小运行间隔 （原系统设计间隔3min），只需投资5.7亿元，工期2年。

增量更新的方案充分利用既有的地面联锁、轨道电路、ATS等设备，在局部进行软件升级，必需的硬件增容，通过替换车载信号设备，新增地面APR信标，即可实现固定闭塞信号系统升级至准移动闭塞模式.在升级过程中，无需配置新旧2套设备和设计安装倒切装置，新设备可兼容原有的固定闭塞模式地面设备，实现改造与运营互不影响，减少运营影响、平滑过渡的目的。

目前，北京地铁13号线已经使用此更新方法进行了应用试验和试验段调试，相信可进一步推广应用。

［1］ 林瑜筠.城市轨道交通信号［M］.北京：中国铁道出版社，2010.

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［3］ 陈永生，徐金祥.上海轨道交通信号制式的多样性及其对策［J］.城市轨道交通研究，2002（4）.

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