CBTC系统中正线信号机点灯方案的研究

2021-04-20杨平秦凤杰

电子技术与软件工程 2021年3期

杨平秦凤杰

（卡斯柯信号有限公司上海市 200070）

随着城市轨道交通的不断发展，目前CBTC 技术已经相当普及，普遍运用于各城市的轨道交通信号系统中。基于通信的列车自动控制系统（Communication Based Train Control system，CBTC），CBTC 系统不同于传统的固定闭塞技术，是通过采用移动闭塞技术来实现了列车的紧追踪，显著缩短了列车的安全间隔，极大地提高了运营效率，满足当今城市轨道交通信号系统“小编组，高密度”这个最先进的设计理念。CBTC 系统在正常情况下采用CBTC 模式，在降级运营情况下采用点式后备或是联锁后备模式。CBTC 系统中，CBTC 列车和非CBTC 列车可以在线路上安全高效地自动混跑运营。非CBTC 列车在线路上运行，需依靠传统的固定闭塞技术来保证安全运行间隔。为了管理非CBTC 列车，正线需配置信号机。

1 CBTC系统中相关概念

1.1 固定闭塞

固定闭塞,是把次级检测设备划分成多个分区，且一个闭塞分区只允许有一列列车，这种技术以固定的闭塞分区为单位来追踪列车间的安全间隔[1]。轨旁信号机设置在各分区，用来防护前后追踪列车之间的安全距离，根据列车运行时对轨道区段分区的占用状态、以及列车的运行方向，轨旁信号机来确定其对应的显示。在固定闭塞技术下，列车则需要根据轨旁信号机的显示行车。

在CBTC 系统不具备ATP 功能或者车载设备通信完全故障的情况下，线路值班员可选择使用点式后备或纯联锁后备模式作为降级模式来指挥列车运行。在点式后备和联锁后备模式中，列车用以信号机为间隔的固定闭塞模式，一条进路里只允许运行一列列车。降级模式下系统采用的是固定闭塞技术，故列车需根据正线上的轨旁信号机显示来运行。

1.2 移动闭塞

移动闭塞没有了物理层次上的分区划分，取而代之的是逻辑闭塞分区，一个逻辑闭塞分区中只能有一列列车[2]。移动闭塞是实时动态地追踪列车间隔，前后列车之间的运行间隔不是固定的，是动态变化的。后车移动授权终点可以连续追踪到前车尾部虚拟占用边界，能实现多列列车运行在一条联锁进路中，故而实现了列车安全运行间隔的缩短，实现了运营效率的极大提高，也符合当今城市轨道交通信号系统“小编组，高密度”这个最先进的设计理念。

移动闭塞能够确保线路上所有列车的安全间隔，其原理如图1。与基于确定间隔的固定闭塞相比，移动闭塞通过区域控制器（ZC）根据列车的移动建立一个虚拟安全区域，该安全区域通常被称为自动防护（AP）。其他列车无法接近此AP，从而防止列车的碰撞。

区域控制器（ZC）为轨道上每辆列车分配一个被称为自动防护（AP）的安全范围。自动防护AP 能有效阻止附近其他列车的接近，因为轨道上一个列车的AP 是不允许其他列车进入的

列车车载周期性地将位置信息发送给区域控制器（ZC），区域控制器（ZC）将移动授权终点发送给列车车载，区域控制器（ZC）根据列车的位置信息来建立列车的自动防护AP 并给出移动授权终点。

1.3 混跑

CBTC 系统具有灵活的控制模式，它有点式后备及联锁后备等降级运营模式。系统可安全高效地管理CBTC 列车以及非CBTC 列车在线路上自动混跑运营。CBTC 列车指的是在系统正常运行模式即CBTC 模式下的列车，非CBTC 列车指的是系统故障后运行在降级模式即点式后备或联锁后备模式下的列车。

正常情况下，工程车只能在非运营时段上线运行。工程车是不装备车载ATP 设备的，运行模式为联锁后备模式，司机以地面信号的显示作为依据来驾驶列车，列车运行的安全由联锁设备和司机等共同保证。

当线路上某个区域由于某种原因的故障只能以点式后备或是联锁后备模式来进行运营时，线路上的无故障区域仍然可按照CBTC模式来正常运营。列车在无故障区域采用CBTC 下的驾驶模式正常运行，在故障区域采用点式后备或是联锁后备下的驾驶模式运行，因此全线具备良好的混合运营能力。

当某辆车因故障只能以后备模式来进行运营时，线路上的无故障车辆仍然可以继续按CBTC 模式正常运营。故障车的车载设备在后备模式下是按照轨旁信号机的显示信息以及中心调度员的命令来驾驶列车运行。故障车的安全防护由司机、联锁设备、以及调度员等共同保证。对于无故障车辆，车载控制器从区域控制器接收到的移动授权信息，其中已包含从联锁得到的故障车辆占用的区段信息，其安全防护和正常运营情况下是一样，由联锁和区域控制器共同负责。

2 车载信号显示的含义

正常情况下，CBTC 列车根据车载信号来运行，轨旁信号机不作为其行车依据。

车载信号显示，通常是驾驶员车载人机界面，这是液晶触摸屏，其主要作用是显示相关信息，必要情况下可供驾驶员操作，如图2所示。人机界面上会显示推荐速度（黄色三角所示速度）和紧急制动触发速度（红色三角所示速度）以及列车的操作指示，司机可按照人机界面上的推荐速度来运行列车，并可依据列车的操作指示来控制列车。列车的速度不能超过界面上的紧急制动触发速度，当列车驾驶速度已经超过车载的推荐速度但并未到达紧急制动触发速度时（即速度在黄色三角与红色三角之间），系统就会发出告警声音并伴有提示。所以，列车司机必须严格遵守车载信号显示，执行车载信号的紧急制动触发速度，使列车速度保持在紧急制动触发速度以下，以保证不超速行驶，来确保安全。

3 正线信号机的点灯方案

CBTC 系统中，正线信号机的点灯方案有两种：灭灯、点灯。这两种方案下，对于正线上的特殊位置包括从停车场或是车辆段/进入正线的第一架信号机、联络线进入正线的第一架信号机，都需要在正常情况下点灯，因为这些信号机用来防护从外面非CBTC 区域进入CBTC 区域边界的非通信车；以及轨道末端的阻挡信号机，也需要在正常情况下点亮，因为阻挡信号机用来防护车档[3]。对于正线上其他非特殊位置的信号机，下面分别介绍这两种点灯方案。

3.1 灭灯方案

该方案下对于CBTC 列车，轨旁信号机采用灭灯方案，有两种形式：

（1）常态灭灯非CBTC 车接近点灯方式；

（2）常态点灯CBTC 车接近灭灯方式。

3.1.1 常态灭灯非CBTC 车接近点灯方式

此种点灯方案下，对于CBTC 列车，正线轨旁信号机的常态显示为灭灯，列车根据车载信号来运行。对于非CBTC 列车，其接近信号机时，正线轨旁信号机会点亮，司机根据地面信号显示行车[4]。

（1）CBTC 模式下信号机的显示方案。CBTC 模式下，正线轨旁信号机的常态显示为灭灯，列车按车载信号行车。

（2）后备模式下信号机的显示方案。后备模式下，不管是点式后备还是联锁后备，正线轨旁信号机的显示状态为点亮，列车用以信号机为间隔的固定闭塞模式，即一条进路内只允许一列列车运行，司机根据地面信号显示行车。

（3）混合运营模式下信号机的显示方案：

1.在混合运营模式下，信号机显示方案为点灯和灭灯相结合的方式。

2.在降级模式下，系统具备室外自动点灯功能。如果某个区域轨旁设备故障，那么该区域内信号机将被点亮，轨旁信号机作为主体信号，运行在该区域的列车则根据信号机的显示运行。

3.如果某列车故障，当运行在后备模式下的该列车进入某个信号机的接近范围距离内时，信号机将自动点亮，故障列车按照信号机的显示行车。

4.当CBTC 列车的前方为非CBTC 列车时，所有处于这两个列车之间的轨旁信号机均灭灯。

5.在CBTC 列车与非CBTC 列车混合运行时，非CBTC 列车前方的信号机的显示根据前方轨道区段的列车占用/空闲情况采用点灯方式，CBTC 列车前方的相应信号机的显示为灭灯状态,如图3 所示。

3.1.2 常态点灯CBTC 车接近灭灯方式

此种点灯方案下，正线轨旁信号机的常态显示为点灯，对于CBTC 列车，其接近信号机时，正线轨旁信号机会灭灯，列车根据车载信号来运行。对于非CBTC 列车，正线轨旁信号机会点灯，司机根据地面信号显示行车[4]。

（1）CBTC 模式下信号机的显示方案。正线轨旁信号机的常态显示为点灯，当CBTC 列车接近信号机时，位于其移动授权距离范围内的轨旁信号机自动灭灯，在车子越过信号机后，信号机又会继续点红灯，若后续列车为通信故障列车或未装备列车等非CBTC列车时，室外信号机保持亮灯，司机根据地面信号显示行车；若后续列车又是CBTC 车时，当后续列车接近信号机时信号机会再次灭灯，司机根据车载信号行车。

（3）混合运营模式下信号机的显示方案：

1.在混合运营模式下，信号机的显示方案为点灯和灭灯相结合的方式。

2.在降级模式下，系统具备室外自动点灯功能。如果某个区域的轨旁设备故障故障，那么该区域内信号机将被点亮，信号机且作为主体信号，运行在该区域的列车根据信号机的显示来运行。

3.如果某列车故障，当运行在后备模式下的该列车进入某个信号机的接近范围距离时，信号机将自动点亮，故障列车按照信号机的显示。

4.在CBTC 列车与非CBTC 列车混合运行时，非CBTC 列车前方的信号机的显示根据前方轨道区段的列车占用/空闲情况采用点灯方式，CBTC 列车前方的相应信号机的显示为灭灯状态，如图4 所示。

3.2 点灯方案

该方案下对于CBTC 列车，轨旁信号机采用点灯方案，有两种形式：没有特殊灯位的点灯方式和有特殊灯位的点灯方式。

此种方案下，正线轨旁信号机的常态显示为点灯，CBTC 列车根据车载信号来运行。

（1）CBTC 模式下信号机的显示方案：

1.CBTC 模式下轨旁信号机采用点灯方案，车载信号为主体信号，车载信号作为列车的行车凭证，并应与轨旁信号显示保持一致，轨旁红灯信号为禁止信号。

2.轨旁信号显示与车载信号保持一致，当CBTC 列车的移动授权终点跨过信号机时，表示允许列车通过，该信号机开放允许信号，否则显示禁止信号。司机按照车载信号的指示驾驶列车(包括按照车载信号的建议速度、控制列车在停车点停车等)。系统提供列车的全部ATP 防护来保证行车的安全。

3.因为CBTC 车以车载信号作为主体信号，故此方案下可以信号的开放不检查灯丝是否完好。即使信号灯丝断丝，也可不改点红灯。当轨旁信号机显示允许信号时，列车的移动授权可穿越该信号机。信号机灭灯不会影响列车行车，但通常为了让车载信号与轨旁信号保持一致，不至于让司机产生错觉，当轨旁信号机显示禁止信号时，或是禁止信号的信号机因故灭灯，该信号机应视为禁止信号，列车的移动授权不可穿越该信号机。

4.信号机允许和禁止，在CBTC 模式下和后备模式下分别代表不同的含义[2]。CBTC 模式下信号允许开放状态不代表区段空闲的含义，只表示进路处于锁闭状态，在没有其它限制点（如屏蔽门、紧急停车区域等）的情况下，列车的移动授权终端可延伸至前车包络的尾部，允许信号指的是列车前方移动授权范围内的信号机可以开放绿灯。后备模式下的信号允许代表区段空闲的含义。如图5，CBTC 模式下的点灯方案中，区间的计轴区段BC 被列车1 所占用，因为列车2 的车尾位置B 点是列车1 的移动授权点，所以列车1 的车载信号为允许状态，这时S2-S3 的进路建立，信号机S2 可以开放绿灯即允许信号，从而列车1 可以越过S2 往前行驶[2]。

在后备降级模式下，列车1 占用BC 区段，根据一个固定闭塞区间只能有一列列车的原理，这时信号机S2 显示红灯即禁止信号，列车1 的车载信号也为禁止，S2-S3 的进路无法建立，从而列车1不可以越过S2 往前行驶，只有当列车2 越过S3 之后，信号机S2才能开放绿灯[2]。

（3）混合运营模式下信号机的显示方案：

首先,通过几何画板的动态演示,组织学生探讨二次函数y=ax2+bx+c(a≠0)的图象与x轴的交点问题,由此建立它与相应方程ax2+bx+c=0根的联系,得出下表：

1.在混合运营模式下，当接近信号机的列车为CBTC 列车时，信号机的显示方案为点灯方式，当接近信号机的列车为非CBTC 列车时，信号机也是点灯[5]。

2.在降级模式下，如果某个区域的轨旁设备故障，信号机且作为主体信号，运行在该区域的列车根据信号机的显示来运行。

3.如果某列车故障，当运行在后备模式下的该列车接近某个信号机时，信号机将自动点亮，故障列车按照信号机的显示。

4.运行在CBTC 模式下列车，车载信号为其主体信号。

5.在混合运营模式下，即当CBTC 列车与非CBTC 列车混合运行时，列车的前方信号机均为点灯，但是其点灯逻辑和含义是不同的。对于非CBTC 列车，前方信号机的点亮绿灯允许表示区段是空闲的，否则若区段被占用则应点禁止信号红灯。对于CBTC 列车，信号允许开放状态不代表区段空闲的含义，只表示进路处于锁闭状态[6]。如图6 所示。

3.2.2 有特殊灯位的点灯方式

为了区分列车是运行在CBTC 模式还是后备模式，在原有的灯位上增加一个特殊灯位，例如点蓝灯。当系统运行在CBTC 模式下，该特殊灯位（如蓝灯）一直点亮，在列车的运行过程中保持点灯状态不变。此特殊灯位不允许非CBTC 车经过，只允许CBTC 列车经过，车载信号作为CBTC 列车的行车凭证[5]。

图1：移动闭塞的原理

图2：车载人机界面

图3：混跑场景下的信号机显示

图4：混跑场景下的信号机显示

图5：两种模式下的信号机显示场景

图6：混跑场景下的信号机显示

（1）CBTC 模式下信号机的显示方案。正常运行模式下，正线室外信号机特殊灯位如蓝灯点亮，其他灯位不点亮，正线区段列车以车载信号作为行车凭证。

（2）后备模式下信号机的显示方案：

1.系统在CBTC 通信故障情况下具备自动室外点灯功能，当故障恢复后，室外自动恢复特殊灯位如蓝灯。

2.在后备模式下，轨旁信号机为主体信号。CBTC 通信故障车、救援车、工程车等无车载信号的列车以及地面轨旁通信故障情况下，系统降级运行，即列车运行在点式后备模式或是联锁后备模式。列车则根据轨旁信号机的显示来运行。

3.后备模式下，不管是点式后备还是联锁后备，正线轨旁信号机的显示状态为点亮，列车用以信号机为间隔的固定闭塞模式，即一条进路内只允许一列列车运行，司机根据地面信号显示行车。

（3）混合运营模式下信号机的显示方案：

1.在混合运营模式下，信号机的显示方案为点灯方式（特殊灯位点灯和普通灯位点灯）。

2.在降级模式下，系统信号机的特殊灯位如蓝灯灭灯，具备室外自动点灯（普通灯位）功能。如果某个区域的轨旁设备故障，那么该区域内信号机将被点亮，特殊灯位如蓝灯灭灯，信号机且作为主体信号，运行在该区域的列车根据信号机的显示来运行。

3.如果某列车故障，当运行在后备模式下的列车接近某个信号机时，信号机将自动点亮，特殊灯位如蓝灯灭灯，故障列车按照信号机的显示。

4.运行在CBTC 模式下列车与其追踪前方的降级模式下列车之间的所有轨旁信号机的显示为点特殊灯位（如蓝灯）状态。

5.在CBTC 列车与非CBTC 列车混合运行时，非CBTC 列车前方的信号机的显示根据前方轨道区段的列车占用/空闲情况采用点灯（普通灯位）方式，CBTC 列车前方的相应信号机的显示为点特殊灯位（如蓝灯）状态，如图7 所示。

图7：混跑场景下的信号机显示

4 方案优缺点对比

4.1 常态灭灯非CBTC车接近点灯方式优缺点

此方案优点是正常情况下列车以车载信号作为其行车信号，司机操作简单，只需要关注车载信号即驾驶员人机界面即可，不用关注轨旁信号机；不会出现由于地面轨旁信号显示与车载信号显示不一致而给司机造成不必要的干扰的情况；不会因为轨旁信号机灯丝断丝的故障而影响列车正常运行；由于常态灭灯，系统可以减少大量的热量排放，从而节能；列车司机可以通过信号机显示来区分系统是处于CBTC 模式还是后备模式。

此方案的缺点是不能及时检查信号机灯丝状态因平时信号机都处于灭灯状态，故需要通过夜间停运时借助强制点灯来检查灯丝是否良好正常；司机若是一直习惯了灭灯驾驶，会导致其无法迅速准确地判断出信号机的位置；当系统降级为后模模式或是驾驶非装备列车时，在轨旁信号机因故障原因无法正常点亮的情况下，司机有可能会错误地判断为系统仍然处于CBTC 模式下，故需制定相关规程来保证此种故障情况下的安全：非CBTC 列车遇到信号机故障不能点亮时应视为禁止信号

4.2 常态点灯CBTC车接近灭灯方式优缺点

此方案下由于信号机常态点灯，故可以及时监测灯丝状态，及时发现灯丝断丝等故障；其他优点同常态灭灯非CBTC 车接近点灯方式。

缺点同常态灭灯非CBTC 车接近点灯方式。

4.3 没有特殊灯位的点灯方式优缺点

此方案优点是能及时检查信号机灯丝状态，因信号机平时都处于点灯状态[4]；有助于司机熟练了解轨旁信号机的位置，当系统降级为后模模式或是驾驶非装备列车时司机能根据熟悉的信号机位置遵守信号机显示来行车；司机可及时分析出道岔是处于直向还是侧向位置，因道岔防护信号机会用不同颜色的灯光来区分[6]。

此方案缺点是会出现车地信号不一致的情况，即车载信号显示与地面轨旁信号显示不一致，从而对司机驾驶列车造成一定干扰；信号机正常情况下一直点亮很费电会散发很多量，不环保不节能；司机需要同时关注轨旁信号机显示状态和驾驶员人机驾驶界面，操作不太方便，容易增加司机的疲劳感；信号机故障会导致CBTC 列车不能正常运行；系统不能根据信号机的显示状态来区分出列车是处于CBTC 模式还是后备模式。