列车占用检测设备在信号系统中的应用及取消的可行性研究

朱仰瑞

摘要：列车占用检测设备是信号控制系统中的重要组成部分。在目前已经运营的线路中，采用计轴设备和轨道电路设备检测列车位置。本文分析了信号系统中列车占用检测设备的使用范围，并对其优劣势进行了比较，此外，对取消列车占用检测设备的可行性及处理方案进行了阐述，旨在优化轨道交通信号系统的结构，并对未来轨道交通新的运营方式进行了可行性分析。

关键词：信号系统；CBTC；计轴；轨道电路；取消计轴

在信号系统中，列车占用检测设备是其中重要的组成部分之一。无论是国铁、市域/城际铁路还是地铁（城市轨道交通），从早期的6502电气集中控制联锁、数字轨道电路到目前已经成为主流的移动闭塞信号系统，以及地铁、轻轨和跨座式单轨，都配备了列车占用检测设备。这表明，作为基础设备，列车占用检测设备对于信号系统来说是必不可少的。然而，随着CBTC信号系统的广泛应用，是否仍然需要在信号系统中配备列车检测设备呢？如果取消了列车检测设备，信号系统的方案又将如何设计呢？

一、列车占用检测设备的分类及应用

目前正在运营或在建的地铁线路中主要采用的列占用检测设备主要是轨道电路和计轴。早期建设的地铁线路以轨道电路为主，当CBTC技术引进国内后，地铁线路正线段的列车检测设备则开始向计轴转化。近十年来，已完全采用计轴设备。车辆段和停车场仍然沿用轨道电路的配置，直至近几年用户对ATC车辆段的需求提出，车辆段和停车场的计轴检测设备逐步向计轴设备转化，例如在关键区域采用计轴设备，其他区域采用轨道电路设备，或者全线（正线、车辆段/停车场）均采用计轴设备布置。

形成这一配置方案的原因有以下几个：

（一）两种类型设备优缺点对比对线路部署的影响。

相对于轨道电路，计轴设备具备如下几点优势：

①更适用于道床状态差、道床泄漏电阻过低的轨道区段；

②可以检测钢轨生锈及轻车情况下的轨道区段占用/空闲；

③可以避免轨道电路由传输距离的限制而设置的多个轨道电路。

对于轨道电路而言，则在以下几个方面更占优势：

①如果站内设置多个轨道区段，轨道电路的投资较小，成本更低；

②电源部分如不可靠，电源瞬间中断后将造成车轴信息的丢失而导致大面积轨道区段无法立即获取列车占用状态，轨道电路则可以在电源丢失恢复供电后，立即获取相关轨道区段的占用状态信息。

对比了各自的优缺点后，可以看出，轨道电路从组成、现场布置以及对环境的特殊要求都比计轴设备要更高，使得计轴设备的应用范围较轨道电路的更广。

从可维护性角度来说，虽然轨道电路也开发出了无绝缘节的相关产品，对传输距离也有了提升，但是轨道电路设备较复杂依旧造就了其可维护性较差。一旦发生故障，由于故障点较多，判断故障原因和恢复故障的时间较计轴系统时间更长，对于正线维护时间短、运营要求高等特点，决定计轴系统更适用于正线的运营条件。

相比较而言，由于车辆段/停车场的站场较正线更复杂，道岔数量和正线所有道岔数量之和相当，轨道区段的数量也较大。站场设备故障对正线运营的影响有限，为了减少整个工程项目的前期投入，相对而言，轨道电路的价格优势明显，对于业主而言，轨道电路的方案更优。站场由于人工作业量较大，工况相较于正线运营更为复杂，车辆类型的种类也较多，尤其是各类特种车辆的运行方式不同，是否具备动力不同，导致了段/场和正线的运营场景差异较大。

由于列车停车时，车头和车尾位置差异多变，段/场司机无法精准掌握列车车轮停靠的位置，导致计轴受扰的概率较正线大大提高。站场采用的道岔大都为7#道岔，在站场区域内，由于计轴设备的安装要求相较轨道电路绝缘节距离叉尖的位置要长，采用计轴设备的话，计轴点侵限的概率增加，这个情况和正线正好相反。基于这两点，采用计轴设备则变得不再合适，反而对场段运营产生影响。这也是对于车辆段/停车场，基于地域范围小，作业人员范围可控的前提下，轨道电路的使用更为广泛。

但是从安全角度来说，车辆段/停车场中存在非装备列车（如平板车和小车），对于安装了轨道电路的设备的线路，当列车在跨压两个轨道区段时，有概率会产生“死区段”。当列车、车辆、小车停留在“死区段”时，由于轨道电路的特性，无法检测到列车，此时存在错误转换道岔或开放信号、牵引回流干扰相邻区段闪红光带的问题[1]，对运营来说，也会造成一定的影响以及安全隐患，使得段/场设计会使用哪种类型的计轴检测设备存在一定的疑虑。

（二）安全认证

由于轨道电路设备对环境的要求较高，环境的不确定因素导致了轨道电路无法通过安全認证。轨道区段占用是系统的基础信息，占用检测功能的安全等级定义为SIL4级别，也是最高级别。对于硬件方面，轨道电路的先天不足影响了选用的范围。近年来，安全认证的要求越来越受到重视，在安全第一的理念中，计轴设备具备SIL4等级的安全认证，比轨道电路更具备优势。如采用轨道电路，考虑到轨道电路的特殊故障特性，如分路不良，轻车跳动等，相比较计轴设备来说，信号系统需要进行额外的功能设计和防护来确保系统的运营安全。这些额外的防护并不能完全解决轨道电路特性导致的“飞车”。对运营来说，使用轨道电路需要承担一定的风险，如“飞车”情况下需要人为确认，这对运营也会产生影响。

随着地铁信号系统的逐步发展，地铁运营公司的安全意识加强，对运营的安全也越来越重视。对于系统供应商来说，安全的需求也逐步提高，尤其是近年来对自动化车辆段的需求的提出，对供应商也是一大挑战。相比较无法达到安全等级SIL4级的轨道电路，计轴设备成为供应商的首选。

二、轨道区段的划分及进路的设置

对于CBTC系统来说，轨道占用检测设备并不是必需的，在大部分情况下，轨道占用检测设备都应用于系统降级模式下的点式运营。

即使在CBTC模式下，系统的运营并不依赖列车占用检测设备，但基于系统架构及信号功能分配的不同，大部分信号系统供应商的系统线路布置依然需要配备计轴设备以在区间上划分轨道区段。这是因为，大部分信号系统供应商的系统架构中，联锁设备仍然是重中之重，所有的CBTC系统都是基于联锁设备进行相关的进路管理。列车的移动闭塞的实现前提是基于联锁进路首先授权，在此基础上叠加区域控制器计算的移动授权。区域控制器将该移动授权发送给列车，列车进行相应的控制。也就是说，没有联锁进路，区域控制机无法进行相关的联锁判断，也无法实现移动闭塞的移动授权计算。而联锁系统进行相关联锁条件判断的基础是系统中配置相关的进路并定义正确的联锁表，联锁表中清晰地定义了联锁关系，以此来保证系统的安全防护。因此，为了确保区域控制器的正常工作，联锁系统是必需的。联锁系统正常工作的前提是系统中必须配备进路，而进路的配置前提是所有的进路起点必须为始端信号机，终点为终端信号机。

从图1中可以看出，进路的主体是轨道区段，在目前的大部分信号供应商的系统中，轨道区段的存在仍然是必需的。

三、取消轨道占用检测设备的可行性研究

对于信号系统来说，取消轨道占用检测设备的前提是：

（一）系统设备对轨道区段的依赖性较低

目前大部分信号系统供应商的CBTC模式都是基于联锁设备对进路的授权为前提，在此基础上叠加相关的CBTC功能，才能够实现移动闭塞。

目前能够做到不依赖于轨道区段的进路建立方式仅有SelTrac信号系统以及车车通信的TACS系统。因为它们是纯粹的CBTC系统，进路的建立方式是基于列车和目标点，而不是基于联锁进路，所以其系统中基本没有“固定的”进路。这也使得系统对轨道区段的依赖性较低。尤其是早期使用SelTrac环线系统的项目，如武汉轨道交通1号线和3号线，则完全不依赖于轨道区段。对于目前在已经开通的武汉线路和深圳线路中，计轴设备都未纳入信号系统管理中。

（二）运营的方式对轨道区段依赖性低

在现有的地铁线路中，运营公司对轨道区段的依赖性较大。无论在何种情况下，运营人员主要依赖通过轨道的占用来判断列车的位置，主要原因包括：

第一，目前的学校教学教材都是基于传统的信号系统逐步迭代的，因此运营人员在学校里学习的知识体系是以轨道区段为基础的。

第二， 许多经验丰富的运营人员都是多年前开始工作的，当时大部分的系统也是基于轨道区段的。目前，虽然有一些系统已经有所改变，但大部分系统仍然依赖于轨道区段。

这些原因决定了运营人员对轨道区段的依赖性较大。轨道区段就类似于运营人员的“眼睛”，如果取消了轨道区段，运营人员将如同“盲人”一样，无法确定列车的确切位置。

为了解决这个问题，首先需要降低运营人员对轨道占用检测设备的依赖性。可以通过加强车地通信系统的可靠性和可用性，使运营人员更多地依赖于列车的位置汇报，而不是轨道占用情况来追踪载客列车。其次，需要解决如何定位那些未装备车载设备的列车（主要是工程车）或故障车的问题。目前，大部分线路的工程车都没有配备车载设备，而故障列车大多数也没有装备通信系统。在这种情况下，运营调度只能通过轨道占用来追踪这些列车的位置。此外，对于这两类车，原来的轨旁防护是基于列车占用区段的情况来进行的。在取消了列车占用检测设备的地铁线路中，由于系统无法“感知”非通信列车的位置，因此也无法进行相关的防护。对于非通信列车的防护方式需要通过运营人员基于列车原来的位置进行人工进路预留的方式来运营列车。列车操作人员必须严格遵守调度人员的指挥，严禁行驶至未人工预留的区域，才能确保安全。

（三）取消轨道占用检测设备的意义

目前在运营的线路中，不论是计轴设备还是轨道电路，故障的概率仍然存在，这包括因夜间施工不注意导致的计轴设备受扰，以及轨道电路对环境特性要求较高导致的红光带现象。在已经运营的地铁线路中，设备故障的概率相对较高，尤其是对于客流量大的线路，一旦发生故障，将会对运营造成极大影响。取消轨道占用检测设备的意义在于，一旦取消了轨道区段，这类故障不复存在，对运营的影响大大降低。特别是在地铁线路的15年运营生命周期中，这类故障都将不再存在，从而大大降低对维护的需求量。

四、结束语

综上所述，在轨道交通系统中，列车占用檢测设备的存在仍然十分必要。只有当大部分设备供应商都能够解决联锁进路的问题，并且运营部门能够接受此类运营方式，列车占用检测系统才能够进一步取消。而取消后对于运营人员也将会是一大挑战，对运营方式和理念也需要进一步改变，才能适应新的运营方式。运营理念上以进路为主体向以车为主体的运营理念转变，也是需要一定时间的消化和适应。这样，在新的运营过程中，一旦碰到列车丢失通信的故障，才不会“两眼一抹黑”。

参考文献

[1]陈波.轨道电路“死区段”成因分析及对策[J].铁路通信信号工程技术，2023，20（5）：86-91.

[2]马伟杰，邢艳阳.城市轨道交通信号系统次级列车检测方法优化方案[J].城市轨道交通研究，2022，25（09）：177-180.

[3]郑京生.列车占用检测延时对CBTC信号系统安全影响研究[J].铁道通信信号，2018，54（10）：9-11.

[4]周留运.计轴设备与JTC轨道电路在列车占用检测中的对比分析[J].天津科技，2010，37（01）：42-43.