CBTC系统计轴设备故障处理和关键区段冗余配置方案

王向阳

(宁波市轨道交通集团有限公司，315101，宁波//高级工程师)

1 计轴系统在CBTC系统中的应用现状

近年来，随着移动闭塞列车控制技术的稳步发展，CBTC(基于通信的列车控制)系统已经成为各个城市轨道交通的绝对主流信号系统，其技术优势也得到了充分的证明。但是鉴于信号系统对于保证安全、高效运营的重要性，目前国内城市轨道交通中应用的CBTC系统绝大多数都配置辅助列车检测设备和具备完善的基于固定闭塞模式的降级运行模式，并在降级模式下也对系统性能及追踪间隔有一定要求。

计轴系统是轨道交通信号系统区段防护方案中的重要检测手段。在CBTC系统中，计轴设备仍然为SIL4级安全设备，作为联锁系统功能实现的重要依据，在实际运营中仍然起到重要作用。计轴设备不应影响CBTC系统的安全及效率，但考虑到车载设备故障后降级模式运行和混合运行、工程车运行等都需要联锁设备和计轴设备的支持，因此，虽然降级模式会很少用到，但所有项目都仍然考虑降级模式，系统中均存在计轴设备。如果计轴设备发生故障，而又有非通信障碍物存在，ATP(列车自动保护)设备不能确定区段占用状态的实际情况，就会对后续的CBTC模式下运行的列车造成影响。

计轴设备故障或计轴数据传输发生错误，应有安全和切实可行的故障恢复措施，或通过安全操作予以恢复，系统能确定的计轴设备故障不应影响轨道交通的正常运营。不同信号系统由于其系统原理和架构的差异性，在CBTC模式下容忍其计轴设备故障的具体处理方式也不尽相同，尤其是道岔区段发生故障后，需要改变道岔位置，对这一情况的处理尤为复杂。

根据实际运营经验和分析，对计轴设备故障影响分析、处理机制，以及对运营影响较大的折返区计轴设备故障提出解决方案有较强的实际意义。其中，故障影响和处理机制是CBTC系统设计原理中对计轴设备故障处理方式的统一；冗余配置方案是新提出的一种设计思路，仍然需要认真评估和验证，以确保其设计安全性和满足可靠性、可用性。

2 计轴设备故障影响分析

CBTC系统中，通过结合使用两种不同的定位方法来支持通信列车、装备故障列车及非装备列车的混合运营模式：

(1)一级列车定位：车载设备通过读取轨旁信标并利用车载速度传感器跟踪通信列车的具体位置。

(2)二级列车定位：使用轨旁计轴区段的占用状态，按照固定区段方式来确定列车位置。

轨旁ATP子系统根据通信列车报告的准确位置来追踪列车，并与计轴设备报告的固定区段占用/空闲状态进行必要的一致性判断。在车地通信故障时，系统将基于计轴区段占用进行列车定位，保持列车运行。

2.1 计轴区段受扰对行车的影响

计轴设备故障的结果是计轴区段受扰，是指计轴系统因计轴设备本身硬件故障原因或外部干扰因素，使计轴区段出现非预期的占用状态。

按照移动闭塞列车运行控制原理，轨旁ATP子系统根据计轴设备故障发生时的条件对区段的真实占用/空闲状态进行安全逻辑分析。如果判断结果为实际上无列车占用，则认为故障区段是“已清扫的非通信障碍物(Swept NCO)”，允许CBTC模式下的通信列车通过受扰区段。如果先前未占用的区段报告占用，此时相邻区段都没有列车，或者此时在相邻区段只有通信列车占用，受扰区段不会对CBTC模式下的通信列车运行造成影响。

受扰区段将影响CBTC模式下列车运行的场景为：先前未占用的区段报告占用，此时有非通信列车占用相邻区段。即使非通信列车占用受扰区段的相邻区段，由于两个区段都报告占用，系统不能检测非通信列车的准确位置，因此受扰区段将被认为是“未清扫的非通信障碍物(Unswept NCO)”，成为移动授权的限制。此时，一旦受扰区段的相邻区段变为空闲，在通信列车清扫受扰区段后，将出现两种可能：

(1)区段出清：区段对CBTC模式下列车运行没有影响。

(2)区段继续报告受扰：说明ACE主机出现不可恢复的故障。只要非通信列车不进入此区段或者相邻区段，系统将认为是“Swept NCO”，不会影响CBTC模式下的通信列车运行。

正线ATC(列车自动控制)系统会采集与之相邻的非ATC区域的边界相邻计轴区段/轨道电路，比如车辆段/停车场内方第一个区段，以及与其它线路接口的相邻区段。在CBTC模式下，系统会根据外部相邻区段/轨道电路的空闲状态对ATC区域内的计轴区段故障状态进行处理，只要非通信列车不占用相邻区段，则不会影响正线。

2.2 折返区域计轴设备故障影响

在折返区域，道岔区段受扰将导致联锁系统激活相应道岔的过岔锁闭功能以防止道岔动作，限制道岔转动到相反位置的进路将不能被办理，以避免发生安全问题。在降级模式下，由于道岔被过岔锁闭锁定在计轴受扰前的位置上，进而影响在此折返区域进行折返的列车。

在CBTC模式下，轨旁ATP子系统同样也可以根据逻辑判断折返区域的故障道岔区段是否为“Swept NCO”，允许列车正常通过受扰区段。但由于联锁系统的限制，如果需要将道岔扳动到相反的位置，需ATS(列车自动监控)操作员按照一定的安全流程进行操作，并结合计轴预复位的流程操作，快速恢复计轴设备故障和正常运营。

3 计轴设备故障处理操作

如何既能保证安全，又方便、快捷地复位计轴受扰区段，对于保证运营效率和线路安全意义重大。计轴受扰后的常规恢复手段是：对受扰区段先进行预复位；然后，通过列车清扫，或使用专用计轴清扫设备(车轮模拟器)，通过完成进入和离开计轴区段的相同轮轴数量的过程，来使受扰区段恢复正常空闲。

预复位操作的具体实现方式可分为4种：计轴主机机柜钥匙本地预复位，车控室按钮盘预复位，ATS远程预复位+车控室按钮确认，ATS远程预复位+联锁系统使能确认。其中，推荐采用第4种方式，在保证系统安全的前提下，不需要中央调度员下放操作权限和车站值班人员的配合操作，操作灵活、方便快捷，可提高运营中的故障处理效率。

在运营过程中，应根据不同的计轴设备故障发生的情况和区域进行适当的操作处理。

3.1 受扰区段为“Swept NCO”

计轴区段受扰发生时，如果本区段和相邻区段无列车占用，或者系统判断区段内实际上无障碍物占用，则将其仅标记为受扰，为“Swept NCO”。为了恢复受扰区段，操作员需要遵行安全操作流程启动计轴区段预复位以及清扫：

(1)授权的轨旁操作员确认计轴区段内的列车已经出清。

(2)对计轴区段进行预复位操作。如果支持远程复位，可以由行调操作ATS命令对计轴区段进行预复位。

(3)计轴主机接受复位信号后执行区段预复位。

(4)依据安全操作程序，安排列车驶过计轴区段两端的计轴点。

(5)成功清扫后，计轴区段将报告“空闲”，恢复正常。

3.2 受扰区段为“Unswept NCO”

计轴区段受扰发生时，如果本区段和相邻区段有列车占用，或者信号系统无法判断区段内是否有非通信障碍物存在，则将其标记为“Unswept NCO”。为了恢复受扰区段，操作员需要遵行安全操作流程启动计轴区段预复位以及清扫：

(1)等待相邻区段里的非通信列车离开，确认报告受扰区段的相邻区段无非通信列车占用；授权的轨旁操作员确认计轴区段内的列车已经出清。

(2)对计轴区段进行预复位操作。如果支持远程复位，可以由行调操作ATS命令对计轴区段进行预复位。

(3)计轴主机接受复位信号后执行区段预复位。

(4)依据安全操作程序，安排列车驶过计轴区段两端的计轴点。

(5)成功清扫后，计轴区段将报告“空闲”，恢复正常。

假设清扫后计轴区段仍报告受扰，则可能是预复位没有成功，或者计轴出现不可恢复的故障。这种情况下，如果使用的是非通信列车清扫，受扰的计轴区段将继续报告“Unswept NCO”，将影响列车的运行，需要使用通信列车再次清扫。如果使用的是通信列车进行清扫，计轴区段将报告“Swept NCO”，不影响通信列车的运行。这种情况下，要防止非通信列车进入受扰区段及其相邻区段，否则将又再次产生“Unsept NCO”，再次影响通信列车运行。

3.3 折返区域受扰区段处理

对于折返区域的道岔区段，如果需要改变道岔位置以支持折返进路的办理，除了常规的计轴区段预复位操作外，还需要适当进行相应的道岔安全操作。

如果在故障恢复之前需要将道岔扳动到相反的位置，需ATS操作员先执行“取消过岔锁闭”命令，当此命令被轨旁ATP子系统和联锁系统接受后，过岔锁闭将在一个预定的时间内(如30 s)失效，道岔在这段时间内将被允许单操。计时结束后，过岔锁闭功能将恢复激活。如果计轴设备故障未被及时恢复，或未及时进行计轴区段预复位操作，当为下趟列车排进路需要再次扳动道岔时，行调需要再次执行“取消过岔锁闭”命令。

除非是不可恢复的故障，通常情况下在对道岔区段进行预复位操作后，只需要执行一次“取消过岔锁闭”命令，第一列列车通过该区段后即可恢复故障。但是，如果运营中发生了不可恢复的计轴设备持续故障，并且非通信列车进入了受扰区段及其相邻区段，就将再次产生“Unsept NCO”，并影响通信列车运行。实际运营中，这样的情况发生后就会大大降低运营能力。所以，如何能够尽可能地降低折返区域的计轴设备故障概率是保证信号系统可用性的有效手段。

4 折返区域计轴冗余控制方案研究

目前，为减小单套计轴设备故障影响范围，通常在每个联锁区均配置有两台ACE主机，按上下行分开，中间的两个边界计轴点共享数据连接(见图1)。这种配置中，若其中有一台主机宕机(如A宕机)，相关道岔区段(G1、G2)变为占用状态，相应的道岔将被激活的过岔锁闭功能锁定在道岔区段受扰前的位置，在特定情况下生成“Unswept NCO”后，就会对系统运营造成不利影响，甚至需要通过现场手摇道岔来维持运营。在CBTC技术逐渐成熟运用的情况下，这种情况发生的概率虽然不高，但一旦发生就很可能造成较严重的运营晚点。

图1 典型折返站计轴配置示意图

针对上述情况，对于折返区域单套计轴主机发生故障的场景，为保证不影响列车折返作业，提出了一种对计轴系统的改进方案。

4.1 关键区段冗余配置和计轴点复用

为提高计轴设备的可用性，将两台ACE主机对折返区域关键道岔区段(G1、G2、G3、G4)进行相互冗余控制，当其中一台计轴主机出现故障时，因为另一台主机正常工作，仍能正确输出特定关键区段的状态，保证道岔的可操作性，并支持折返作业正常进行。ATC系统可以正常检测到区段的占用/出清状态，不会影响系统的正常运行。对于故障的计轴主机，接收到ATS的预复位命令后，当检测到列车通过相应的区段后，区段状态完成清扫变为空闲，恢复正常。

此方案不会增加室内计轴主机数量和室外计轴点数量(每个计轴点数据可由两台主机共享)，但室内计轴机柜中需要分别增加需共享计轴点数量的串行板卡和两个并行接口板。并行接口板输出的占用/空闲状态、受扰状态和待清扫状态可利用双线圈继电器冗余驱动(见图2)。根据安全及可靠性评估情况，在关键区段，可由两台计轴主机内的并口板分别驱动单独的轨道继电器，并经硬件电路组合后输入到联锁子系统设备，但其实现方式相对复杂。

在室外需要将关键区段相关联的计轴点信息进行共享采集，对于下行计轴主机A需要增加冗余采集4个计轴点AC07、AC08、AC09和AC10的磁头信息；对于上行计轴主机B需要增加冗余采集4个计轴点AC0、AC02、AC03和AC04的磁头信息。

图2 区段冗余控制示意图(以G4为例)

4.2 冗余区段的复位

在冗余配置情况下，两台计轴主机应同时实现对特定区段的预复位功能。在ATS界面上操作远程预复位后，ATS对计轴主机A和B中的冗余轨道区段对应的故障占用并口板发送预复位命令，完成对故障区段的预复位操作。只有相应区段故障的计轴主机会执行预复位命令，而工作正常、区段无故障的计轴主机在收到预复位信息时会拒绝此命令，不影响其正常工作。同时，必须在复位操作前确保没有任何一个冗余区段是正常的占用状态，否则，不应对其进行预复位操作。

对同一区段的预复位命令，ATS需实现该命令能被分别发送给两个计轴主机，以保证预复位命令能被两套主机执行。

5 结语

在CBTC系统中，原则上计轴设备故障不影响通信列车的正常运行，但计轴区段设备故障的快速、及时恢复对完善整体运营管理和提高故障处理水平至关重要，处理过程不仅要考虑系统安全，同时也要兼顾运营效率。在CBTC系统仍不能摆脱降级模式和轨旁占用监测设备的现状下，探讨和研究计轴设备故障和应用设计对所有地铁运营项目和单位都有实际意义。本文提出的折返区域关键计轴区段冗余配置方案，只需在原有设计基础上增加少量的板卡，便可提高折返区域计轴设备的可用性，对运营管理实践有一定参考和借鉴意义。

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