城轨信号系统接触网禁停区防护技术研究

沈家明

传统接触网禁停区一般是在线路上安装停车指示牌或设立标识，通过司机辨认标识人工防护［1］。列车非预期迫停在禁停区时，司机需要降双弓后，手动逐个升单弓并驾驶列车驶出禁停区。由于目前城轨线路大多采用自动运行模式（ATO）或全自动运行模式（FAO）运营［2-3］，因此当发生列车迫停在禁停区时，需要司机或运营人员先将列车转换到手动驾驶模式，再操作升降弓驾驶列车驶出禁停区。复杂的操作会使得列车长时间停留在禁停区内，容易发生受电弓与接触网间拉弧放电，甚至烧断接触线导致断电的故障，造成大量乘客滞留需要疏散［4］，运营中断可长达数小时。为防止此类重大运营故障的发生，若由供电专业进行接触网改造，工程规模巨大且成本过高，因此地铁运营方提出由信号专业基于列车自动防护技术对接触网禁停区进行防护。本文阐述接触网禁停区的设置原则，深入研究信号系统在不同场景下的接触网禁停区防护方案。

1 接触网禁停区设置原则

一个典型的接触网禁停区示例见图1。根据供电专业提供的绝缘锚段关节相关信息，定义从A点到B点为绝缘锚段关节区域。信号系统在设置接触网禁停区时，需考虑列车前弓和后弓均不在绝缘锚段关节区域内且包含一定的设计余量。以前弓为例，前弓在A 点进入锚段关节区域时，计算前弓到车钩距离再加3 m 为禁停点C。列车继续从A 点往B点行驶，前弓在B点离开锚段关节区域时，计算前弓到车钩距离再加3 m 为禁停点D。C 点到D点为前弓的禁停区域。以同样方法计算出后弓的禁停区域为E 点到F 点。结合目前运营规程，列车仍需在接触网停车牌T 点前停车，最终确定信号系统数据库中该处接触网禁停区范围为T 点到F 点。信号系统对数据库中设定的接触网禁停区，通过移动授权管理，提供列车自动防护功能。

图1 接触网禁停区示例

2 不同区域接触网禁停区防护

2.1 区间接触网禁停区防护

列车在区间运行时，车载控制器（VOBC）将判断前方移动授权范围。若移动授权超过接触网禁停区加上车钩到后弓的距离（见图2），即VOBC判断可以不停车经过接触网禁停区，则控制2 车继续运行。如果上述距离不满足（见图3），列车将停在接触网禁停区边界处。VOBC 计算2 车的停车位置时，将考虑定位误差，并计算出最不利情况下的停车距离［5-6］，在该距离前触发制动命令，保证列车可以在接触网禁停区外的停车点停车。实际列车停车时，车头可能停在距接触网禁停区边界更远的位置。

图2 列车越过接触网禁停区

图3 列车在接触网禁停区前停车

2.2 站台接触网禁停区防护

2.2.1接触网停车点离站台较近

当接触网停车点离站台较近且接触网禁停区较短，而站台区域有车时，见图4（a），2 车VOBC在计算移动授权时将考虑前车的回退防护距离、后溜防护距离和授权余量等因素［7］，导致移动授权终点在接触网停车点外方，列车将在距离接触网禁停区外更远的位置停车。

图4 站台停车

2.2.2接触网停车点离站台较远

当接触网停车点离站台较远且接触网禁停区较长，而站台区域有车且移动授权终点在接触网停车点内方时，见图4（b），2 车VOBC 根据移动授权停车点位置，判断在移动授权内有接触网停车点，将以接触网停车点位置作为当前停车依据。

当站台区域没有列车占用，列车进站还未进入接触网禁停区时，若此时站台门故障或紧急停车按钮激活［8］，将导致站台轨道关闭，移动授权回撤。VOBC 根据回撤后的移动授权计算停车点，当判断接触网停车点更接近列车位置，列车将在接触网停车点位置停车。

3 不同列车模式下的接触网禁停区防护

3.1 列车自动运行模式

当列车在自动运行模式（Automatic Train Operation， ATO）下移动授权越过接触网禁停区时，VOBC 需要根据移动授权计算停车点。如图5 所示，如果计算的停车点不能使列车完全通过接触网禁停区，则VOBC 将停车点设置在接触网禁停区外方，列车将不会进入接触网禁停区。列车自动监控系统 （Automatic Train Supervision，ATS）将显示对应的接触网禁停区域来提醒调度人员。司机显示单元（Train Operator Display，TOD）将弹出信息提示［9］，告知司机当前列车停车点为接触网停车点。

图5 ATO模式列车在禁停区外停车示意

移动授权延伸可以满足列车后弓完全越过禁停区或列车已经进入禁停区域时，VOBC 将不再考虑接触网停车点，列车按正常行驶速度越过禁停区，TOD将不显示接触网停车点信息。

ATO 模式下系统判断列车能够越过接触网禁停区并已经动车时，如前方发生紧急停车按钮激活、站台门非安全状态、调度人工关闭轨道、道岔失表故障等导致移动授权回撤的场景［9］，此时已经启动的列车将会施加紧急制动，可能会停留在接触网禁停区域内，从而导致预期的防护功能失效。在这种情况下，司机必须与调度员取得联系，获得调度员授权后以手动模式驾驶列车离开禁停区域［10］。

3.2 列车自动防护手动驾驶模式

在列车自动防护手动驾驶模式（Automatic Train Protection Manual，ATPM）下，VOBC 仍会根据接触网禁停区数据并结合移动授权终点，实时计算列车的停车点。列车接近接触网停车点时，若VOBC 判断列车受电弓无法完全出清接触网禁停区，需要在接触网禁停区外方停车时，将通过ATS 线路概览显示和TOD 弹出信息提示调度员和司机。同时TOD 将显示车头到接触网停车点的距离，司机需要按照TOD 显示的接触网停车点距离手动控制列车在接触网禁停区外停车。

ATPM 模式下列车在接触网停车点外方停车后，TOD 上目标距离显示为0 m，但显示保持最大速度［11］，司机仍然可以按ATPM 模式驾驶列车进入接触网禁停区。该类操作司机必须和调度员确认并获得调度员授权后再进行动车。

4 接触网禁停区防护的影响分析

4.1 信号系统降级后的禁停区防护方式

在信号系统故障或者降级模式下，禁停区设置将影响非通信列车的运行效率。CBTC 模式降级后，通信列车降级成非受控列车，并以点式人工模式［12］或受限的人工模式运行。非受控列车只能遵循固定闭塞的原则动车，司机将信号机显示作为动车凭证。由于VOBC 无法获取移动授权信息，只能通过轨旁设备获取基于信号机防护的区段授权。列车无法判断接触网禁停区和当前授权停车点的准确位置。因此信号系统降级模式下司机仍按辨识接触网禁停区标识的方式进行人工防护。

4.2 高密度运营间隔的影响评估

对于接触网停车点离站台较近且禁停区域较短的情况，后车接近时速度较低，需要前车车尾包络出清接触网禁停区加后车车钩到后弓的距离，后车才能越过禁停区。两车紧密追踪时，相比于无禁停区设置的情况，前车出清站台后，后车需要运行更长的距离才能到站，这对于高密度运营线路将会增加运营间隔。ATPM 模式下由于采用手动方式驾驶列车，司机可能将列车停在更远的位置，相比ATO模式列车，对运营间隔的影响更大。

根据实际接触网禁停区的长度及禁停区距车站的距离等数据计算发车间隔时间［13］。禁停区的设置将增加区间追踪间隔5~10 s 左右。经过评估，该数量级的区间追踪间隔增加可通过ATS 的运营调整策略进行修正，因此禁停区设置对区间运行的影响基本可忽略不计。而正常运营场景下决定交路能力的瓶颈是折返、分叉汇合、折返站追踪间隔等。根据新的发车间隔模型在线路行车能力仿真系统上进行上海地铁6 号线、8 号线和9 号线运营模拟，结果显示折返间隔符合交路要求，对折返站间隔没有影响。折返站间隔影响分析见表1。

表1 上海地铁部分线路折返站间隔影响分析

5 结束语

本文阐述了城轨交通接触网禁停区设置原则，结合运营场景和运行模式提出多种接触网禁停区防护方案，并分析了接触网禁停区设置对既有系统的影响。目前接触网禁停区防护功能已在上海地铁6号、8号、9号线等线路中应用，且运行稳定。从工程项目角度考虑，通过信号专业实现对接触网禁停区的防护，为跨专业的供电系统提供了一个可靠且改造成本相对较低的解决方案。但需要注意的是，信号系统仅能尽量减小列车在禁停区停车的概率，而不能完全避免该类场景发生。要想彻底解决接触网禁停区问题，还需要供电和车辆等专业共同对接触网绝缘锚段关节设置［14］、受电弓、接触线材质等要素进行深入研究。