CBTC系统正线信号机显示方案及逻辑实现分析

严建鹏

CBTC系统正线信号机显示方案及逻辑实现分析

严建鹏

对城市轨道交通正线信号机不同显示方案进行分析，重点阐述每一种显示方案对“CBTC列车”和“非CBTC列车”的逻辑处理过程。同时，比较各方案存在的优势、缺点以及对信号系统安全性和可用性的影响，以期为实际工程的设计和CBTC系统的进一步完善提供有价值的参照。

城市轨道交通；信号机；显示方案；CBTC系统；控制逻辑

1 CBTC系统控制方式简介

采用基于通信的列车控制（CBTC）系统是城市轨道交通信号系统提高运营效率、实现移动闭塞的首选方案。CBTC系统一般将连续式列车控制模式（CBTC模式）作为常用的运营控制模式，将点式ATP（列车自动防护）模式作为CBTC失效时的后备降级控制模式，并根据列车车载控制器（VOBC）是否与轨旁区域控制器（ZC）建立通信，将列车区分为“CBTC车”和“非CBTC车”。由ZC根据每列车VOBC发来的列车运行状态是“CBTC车”还是“非CBTC车”信息，向计算机联锁（CBI）提供逻辑条件，由CBI实际控制轨旁信号机的显示。点式ATP模式下，1条进路中只允许1列列车运行，列车追踪间隔通过轨旁信号机的显示来控制。列车追踪间隔相对较大，线路行车密度较低，地面只能通过点式应答器、轨道感应环线等设备向车载设备提供有限的信息。而CBTC模式下，1条进路中可以允许多列列车追踪运行，由ZC为每列追踪列车实时计算移动授权，车载VOBC根据移动授权信息计算ATP速度防护曲线，以此来控制相邻两列列车的追踪间隔，保证行车安全。列车运行不再依靠轨旁信号机的显示来控制，而是以车载VOBC收到的移动授权作为行车凭证。CBTC模式下，列车追踪间隔更小，能够满足较高的线路行车密度，通过车-地双向、大容量的通信，地面能够获取更准确的列车数据。ZC计算移动授权时，不需检查进路中的轨道区段是否空闲，而是将关注点放在列车运行前方障碍物的判定上，根据障碍物位置计算移动授权的终点。因此，CBTC系统中，轨旁信号机的显示方案，要同时满足点式ATP和CBTC两种不同控制模式下的需求。此外，在信号设备发生故障不能正常点亮允许灯光时，为保证运营效率，轨旁信号机还需要能够开放引导信号。

本文将在文献[1～7]的基础上，进一步分析各种显示方案具体的逻辑设计过程，以及每种方案对CBTC系统安全性和可用性产生的影响。

2 城市轨道交通信号显示意义

2.1 正线信号机显示意义

正线信号机一般采用黄（或月白）、绿、红三灯四显示，或黄、绿、红、蓝四灯五显示信号机构。信号显示意义如下。

绿灯：表示进路中所有道岔都开通直股，准许列车按规定速度越过该信号机。

黄灯（或月白灯）：表示进路中至少有1组道岔开通弯股，准许列车按规定的限制速度越过该信号机。除上海地铁规定正线出站和防护信号机采用月白灯，其他城市地铁线路多使用黄灯。

红灯：表示禁止列车越过该信号机。

红黄灯（或红白灯）：为引导信号，表示准许列车以不超过25 km/h的速度越过该信号机，并随时准备停车，上海地铁限速为20 km/h。限制速度主要根据道岔侧向通过速度以及运营需要确定。

蓝灯：表示系统当前为CBTC控制模式。该灯位的设计用于区分系统处于CBTC模式还是处于降级模式。

2.2 进出段信号机显示意义

正线与车辆段/停车场交界处的进出段信号机，一般采用黄、绿、红三灯位信号机，其中绿灯封闭或空灯位处理，只显示红灯或黄灯2种信号。其显示意义如下。

黄灯：准许列车按规定的限制速度越过该信号机。

红灯：表示禁止列车越过该信号机。

有的进出段信号机采用黄、绿、红、黄、白高柱五灯位信号机，其中绿灯封闭或空灯位处理，多了红白灯和双黄灯2种显示。例如昆明地铁1号线就采用这种方式。其信号显示意义如下。

1个黄灯：表示信号机所防护的进路中，所有道岔都开通直股，准许列车按规定的限制速度越过该信号机。

2个黄灯：表示信号机所防护的进路中，至少有1组道岔开通弯股，准许列车按规定的限制速度越过该信号机。

红灯：表示禁止列车越过该信号机。

红白灯：引导信号，准许列车以不超过25 km/h的速度越过该信号机，并随时准备停车。

2.3 车辆段/停车场调车信号机显示意义

车辆段/停车场调车信号机都采用蓝、白矮柱两灯位信号机，其显示意义如下。

蓝灯：禁止列车越过该信号机进行调车作业。

白灯：准许列车按照规定的限制速度越过该信号机进行调车作业。

正线、车辆段/停车场所有尽头线阻拦信号机都采用单灯位红灯信号机，且永远点亮红灯。

3 CBTC系统正线信号机显示方案

3.1 信号机亮灯方案

3.1.1 采用黄、绿、红三灯位时亮灯方案

采用该方案时，无论系统处于CBTC控制模式还是处于降级控制模式，轨旁信号机统一都按照绿、黄、红、红黄4种方式显示，信号机常态点亮红灯。如果线路上没有列车且列车自动监控系统（ATS）没有下发排路命令，则正线信号机全部点亮红灯。当线路上有列车运行时，ZC会将车载VOBC发来的列车运行状态是“CBTC车”还是“非CBTC车”信息送给CBI，CBI通过逻辑运算，控制轨旁信号机点亮相应的灯光。如果ZC与车载VOBC没有建立通信，CBI排列进路时，没收到ZC列车状态信息，则按“非CBTC车”处理。而对于“CBTC车”和“非CBTC车”，CBI会采取不同的逻辑处理方式。信号系统处于点式ATP控制模式时，在点亮绿灯或黄灯时，必须先检查信号机点亮红灯。而信号系统处于CBTC控制模式时，点亮绿灯或黄灯之前，则不需要检查信号机点亮红灯。

如果信号机前方是“非CBTC车”，则CBI需要检查进路中所有轨道区段都空闲且锁闭方向正确、道岔位置正确、站台屏蔽门及相关按钮状态正常、当前红灯点亮且灯丝完好等联锁条件满足后，才能够点亮允许信号。如果允许信号灯丝断丝，则改点红灯。如果红灯断丝，则信号机灭灯，此时司机视灭灯为禁止信号。

如果信号机前方是“CBTC车”，则CBI不再检查进路中轨道区段是否空闲，只需要检查进路内各轨道区段锁闭方向正确、道岔位置正确、站台屏蔽门及相关按钮状态、当前红灯点亮等联锁条件满足后，就能够点亮允许信号。允许信号的开放不再检查红灯灯丝是否完好。如果允许信号灯丝断丝，则信号机灭灯，司机可凭车载信号正常通过信号机。CBI只将断丝状态送给ATS，在人机界面给出断丝报警，不影响正常运营。但如果信号机为红灯，则ZC必须以红灯信号机作为授权终点。同样，如果红灯灯丝断丝，无论断丝前红灯是否点亮，ZC都必须以该断丝信号机为授权终点，同时给出断丝报警。

3.1.2 采用黄、绿、红、蓝（或M红灯）四灯位时亮灯方案

采用该方案时，轨旁信号机按照绿、黄、红、蓝（或M红灯）、红黄5种方式显示，信号机常态点亮红灯。蓝灯（或M红灯）点亮表示信号系统处于CBTC模式，蓝灯熄灭则表示信号系统处于点式ATP模式。“CBTC车”可越过蓝灯按车载信号继续前行，而“非CBTC车”遇到蓝灯则在信号机前停车。当CBTC控制模式下，如果蓝灯因故未能点亮，则信号机为灭灯状态，此时“CBTC车”可按车载信号越过灭灯信号机继续前行，而“非CBTC车”则在灭灯信号机前停车。CBI在点亮蓝灯的条件中，不检查进路中轨道区段是否空闲以及红灯灯丝是否完好。

该方案中，绿、黄、红灯的点亮由基本联锁条件来控制的，而蓝灯（或M红灯）是否点亮，则是由当前系统使用的控制模式来决定的。该方案还存在一个缺陷，就是如果系统由点式ATP升级为CBTC模式时，蓝灯因故未能够点亮，而此时恰好有“非CBTC车”接近信号机，那么“非CBTC车”可能只有在比较靠近信号机时，才能够识别出信号机的灭灯状态。如果此“非CBTC车”运行速度较高，则有可能发生冒进信号的事故，使系统的安全性降低。为防止这类危险的发生，需要CBI在点亮蓝灯时检查信号机红灯灯丝完好，如果蓝灯因故不能点亮，则使信号机自动改点红灯。

此外，正线信号机增加蓝灯后，正线信号机蓝灯显示意义与车辆段调车信号机蓝灯显示意义不一致，容易产生混淆。目前国内只有杭州地铁1号线、大连地铁1、2号线等为数不多的线路采用增加蓝灯的方式。

3.1.3 方案对比

上述2种亮灯方案，CBTC控制模式下，都能够持续检查灯丝状态，并在允许灯光因故熄灭时自动点亮红灯，实现故障导向安全。“CBTC车”以车载信号为主体，轨旁信号机显示正常时可忽略。如果司机发现车载信号与轨旁信号显示不一致时，有可能采取不必要的制动措施而影响运营效率，使系统可用性降低。轨旁信号机的显示反而会对列车运行造成干扰，增加司机劳动强度和心理压力。鉴于此，近年来新开通的CBTC系统更趋向于选用轨旁信号机灭灯的方式。

3.2 信号机灭灯方案

该方案一般在正线采用黄、绿、红三灯四显示LED信号机的CBTC系统中使用。当系统处于CBTC控制模式下时，轨旁信号机灭灯，列车以车载VOBC接收到的ZC移动授权为行车凭证，在ATP速度曲线的监控下运行。而系统处于点式ATP控制模式下时，轨旁信号机点亮相应的灯光。根据灭灯时机的不同，可以将CBTC模式下信号机灭灯的具体实施方案分为3种。

3.2.1 常态灭灯方案

采用常态灭灯方案的CBTC系统正常运营时，当系统处于CBTC控制模式下，除进出入段、联络线、尽头线信号机常态亮红灯外，其余正线轨旁信号机常态全部灭灯，所有“CBTC车”都以车载信号为行车凭证，而“非CBTC车”视灭灯为禁止信号，仍依靠地面信号机的显示行车。

该方案中，ZC会根据车载VOBC发来的列车状态和位置信息以及CBI发来的轨道区段占用状态，判断是否需要给CBI灭灯控制信号。如果是“CBTC车”，则ZC持续向CBI发送灭灯指令，列车凭车载信号行车。如果是“非CBTC车”，则ZC判断该“非CBTC车”进入信号机前方接近区域后，停止向CBI发送灭灯指令，CBI根据进路空闲等联锁条件控制信号机点亮相应的灯光，该“非CBTC车”按轨旁信号机显示行车。如果在信号机点亮后，该“非CBTC车”又升级成了“CBTC车”，则ZC重新向CBI发送灭灯指令，CBI收到灭灯指令后，控制轨旁信号机灭灯，列车凭车载信号行车。

从该方案的执行过程中，可以看出信号机点灯还是灭灯是由ZC根据列车状态是“CBTC车”还是“非CBTC车”来控制的。而列车降级后，前方信号机的点灯时机则由列车是否进入信号机接近区域来控制。

该方案的优点是CBTC下地面信号机以灭灯形式，不会对司机的正常驾驶产生干扰，同时又符合地铁绿色节能的设计宗旨。因此，不仅国内开通的多条地铁线都采用了这一方案，而且我国高铁CTCS-3级列控系统也明确规定采用地面信号机灭灯模式。

该方案最大的缺陷在于CBTC模式下无法实现对信号机灯丝状态的持续检查，“非CBTC车”接近时信号机可能因故无法点亮。如果信号机灭灯后，发生灯丝断丝，CBI无法检测到断丝状态。这种情况下，如果列车降级为“非CBTC车”需要轨旁信号机点灯，但轨旁信号机因灯丝断丝点不亮，最终列车只能在灭灯信号机前停车待命。此时，信号机无法给列车提供行车凭证，只能依靠调度员直接授权给司机，列车才能够继续前行。此外，使用该方案时，因为信号机长期处于灭灯，对司机确定信号机位置有一定影响。如果是红灯灯丝断丝，而恰好接近信号机的“非CBTC车”运行速度较高，则有可能发生冒进信号的事故，使系统的安全性降低。

鉴于信号机常态灭灯方案中存在的问题，目前开通的线路一般可采用以下几种措施来进行预防：①人工定时检测信号机灯丝，并以红灯灯丝状态检查为重中之重；②在车载设备上增加CBTC状态指示灯及相关提示，提醒司机在列车降级后注意瞭望轨旁信号机，谨慎驾驶；③采用LED信号机，即使发生灯丝断丝，LED灯依然能够保证一定的显示距离和光通量；④运营公司可以通过运营制度规定和对司机定期进行培训和考核等方式，提高人员的防范意识。例如可规定司机在列车降为“非CBTC车”时必须减速慢行，并注意观察轨旁信号机显示状态以及前方线路状况。通过这些辅助措施，可大大降低该类问题的发生概率，将潜在的风险转移，但并不能将问题根除。这也是一些城市地铁线路宁愿选用信号机常态亮灯方案的主要因素。

3.2.2 常态亮灯，CBTC列车接近触发信号机灭灯

该方案的做法是在CBTC控制模式下，当线路上没有列车时，正线轨旁信号机常态全部点亮相应的灯光。如果信号机前方运行的是“CBTC车”，则当“CBTC车”进入信号机前方设定的接近区域时，ZC会根据列车位置和接近区域轨道区段占用状态判断列车已接近信号机，并持续向CBI发送信号机灭灯指令，触发信号机灭灯，“CBTC车”凭车载信号行车。如果信号机前方运行的是“非CBTC车”，则ZC不会给CBI发送灭灯指令，轨旁信号机仍由CBI根据联锁条件点亮相应的灯光，“非CBTC车”凭轨旁信号行车。如果“CBTC车”进入接近区域后降级为“非CBTC车”，则ZC停止向CBI发送灭灯指令，CBI根据联锁条件控制轨旁信号机点亮相应灯光。如果是“非CBTC车”进入接近区域后升级为“CBTC车”，则ZC持续向CBI发送灭灯指令，将信号机设置为灭灯状态。

该方案中，ZC是否向CBI发送灭灯指令，需要判断列车状态是不是“CBTC车”，并且列车是否进入信号机前方接近区域。信号机灭灯是由“CBTC车”是否进入信号机接近区域来控制。

3.2.3 常态亮灯，移动授权范围内信号机灭灯

该方案的做法是在CBTC控制模式下，轨旁信号机常态点亮相应的灯光。由ZC判断该列车是“CBTC车”，则向CBI发送灭灯指令，将列车运行前方移动授权覆盖范围内的信号机全部设置为灭灯。不在移动授权覆盖范围内的信号机仍按照点式ATP进路控制原则，由CBI根据进路的请求、占用、出清来控制轨旁信号机点亮相应的灯光。如果“CBTC车”降级为“非CBTC车”，则ZC停止向CBI发送灭灯指令，轨旁信号机点亮相应灯光。如果是“非CBTC车”升级为“CBTC车”，则ZC持续向CBI发送灭灯指令，将移动授权范围内的信号机设置为灭灯状态。

该方案中，ZC是否向CBI发送灭灯指令，只需要判断列车状态是不是“CBTC车”，不需要检查列车是否已进入信号机接近区域。信号机灭灯取决于是否被移动授权所覆盖。

3.2.4 方案对比

对比上述3种灭灯方案可以看出，常态灭灯方案与“CBTC车”接近触发灭灯和移动授权灭灯方案的区别仅在于CBTC控制模式下信号机常态的选择不同。与常态灭灯方案相比，“CBTC车”接近触发灭灯和移动授权灭灯方案能够改善信号系统对信号机灯丝状态的检查，系统安全性更高。但与“CBTC车”接近触发灭灯和移动授权灭灯方案相比，在线路上行车密度比较大时，常态灭灯可以有效地减少信号机因频繁点亮、熄灭而使寿命降低的问题，更具节能优势，并且不会出现司机误看到前方较远处信号机的显示而采取与设备自动控制命令不一致的操作，系统可用性更高。

4 结论

本文针对目前国内城市轨道交通信号系统CBTC控制模式下正线信号机显示方案的设计进行了研究，总结了正线信号机显示意义和各种显示方案。从信号系统运营和设计开发的角度，着重介绍了每一种显示方案对“CBTC车”和“非CBTC车”的逻辑处理方式，并分析了各种方案存在的优势和缺点，为实际工程的设计和CBTC系统的进一步完善提供了一点参照。

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责任编辑 冒一平

Analysis of Scheme and Logic Implementation for CBTC Main Line Signal Display System

Yan Jianpeng

The paper makes analysis of different display scheme of urban rail transit main line signal, focuses on logical process of all kinds of display schemes of "the CBTC train" and "non CBTC train". At the same time, the advantages and disadvantages of all schemes and the effect of the safety and availability of signal system are compared, providing valuable references for further improvement of practical engineering design and CBTC system.

urban rail transit, signal, display scheme, CBTC system, control logic

U284

2015-04-21

严建鹏：国电南瑞科技股份有限公司，工程师，江苏南京 210061