任善虎

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

CBTC后備模式計(jì)軸設(shè)備工作原理和復(fù)位方式簡(jiǎn)介

任善虎

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

后備模式是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)在設(shè)備故障時(shí)降級(jí)運(yùn)行、保證故障列車(chē)安全退出運(yùn)營(yíng)、保持運(yùn)營(yíng)效率的一種手段。介紹基于通信的列車(chē)控制（CBTC）信號(hào)系統(tǒng)的3種常用后備模式。計(jì)軸作為列車(chē)占用檢測(cè)設(shè)備，是后備模式下的關(guān)鍵設(shè)備，重點(diǎn)介紹應(yīng)用于上海地鐵線路的2種計(jì)軸產(chǎn)品。

CBTC；后備模式；計(jì)軸設(shè)備

在IEEE1474國(guó)標(biāo)中，是這樣定義CBTC系統(tǒng)的：“一種以列車(chē)定位為基礎(chǔ)的車(chē)輛和地面數(shù)據(jù)交互安全管理控制系統(tǒng)”。應(yīng)該看到，由于高水平的無(wú)線通信技術(shù)在列車(chē)自動(dòng)控制（ATC）系統(tǒng)中的有效應(yīng)用，使得該系統(tǒng)具有支持車(chē)-地之間實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)通信的能力。其中的車(chē)載系統(tǒng)能夠肩負(fù)更多的信息處理責(zé)任，具有制動(dòng)曲線快速計(jì)算功能，為列車(chē)間隔的進(jìn)一步縮短提供有效的數(shù)據(jù)支持，已經(jīng)成為當(dāng)前軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的熱點(diǎn)課題之一。

基于運(yùn)營(yíng)安全及項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際情況考慮，目前各個(gè)城市的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)均采用CBTC系統(tǒng)加后備模式的系統(tǒng)制式。后備模式的設(shè)置主要是出于以下應(yīng)用場(chǎng)景的考慮:1）線路初始階段，在尚未形成完備的CBTC環(huán)境情況下，在過(guò)渡階段采用后備模式來(lái)保障車(chē)輛運(yùn)行的安全性；2）針對(duì)部分尚未安裝車(chē)載設(shè)備的列車(chē)，需要通過(guò)站臺(tái)值班員來(lái)重新觀察、界定其運(yùn)行的區(qū)間的占用情況，為作業(yè)效率的提升提供必要支持；3）車(chē)-地通信設(shè)備故障(如：軌旁區(qū)域控制器ZC故障或車(chē)載控制單元OBCU故障)，而并沒(méi)有破壞原有聯(lián)鎖狀態(tài)的情況下，客觀上要求有必要的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)保證運(yùn)行安全，提供良好性能水平的系統(tǒng)來(lái)使故障盡快排除，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)。

1 后備模式的制式

當(dāng)前階段，在我國(guó)城市軌道交通中較為常見(jiàn)的后備模式包括如下3種類(lèi)型。

1.1 輔助的列車(chē)位置檢測(cè)系統(tǒng)

此種類(lèi)型在劃分計(jì)軸區(qū)段，用于保障未安裝車(chē)載設(shè)備及車(chē)-地通信故障列車(chē)的占用檢測(cè)方面應(yīng)用較為常見(jiàn)。調(diào)度及車(chē)站值班人員可以從ATS界面上直觀的確認(rèn)該列車(chē)的占用、出清情況，通過(guò)站間電話閉塞方式，指揮故障列車(chē)退出運(yùn)營(yíng)及晚間施工工程車(chē)作業(yè)。

該制式簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少，成本低；但不具備超速防護(hù)功能，完全靠人工指揮調(diào)度列車(chē)運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)效率低。

1.2 站間自動(dòng)閉塞系統(tǒng)

該制式在全線配置計(jì)軸設(shè)備和信號(hào)機(jī)，由計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）及計(jì)軸區(qū)段組成區(qū)間自動(dòng)閉塞系統(tǒng)，通過(guò)聯(lián)鎖控制來(lái)保障固定閉塞狀態(tài)下的有效控制。

由于增加了地面信號(hào)機(jī)，列車(chē)運(yùn)行以地面信號(hào)顯示為主體信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)非通信列車(chē)與正常通信列車(chē)的混合運(yùn)營(yíng)，相比制式1，提高了運(yùn)營(yíng)效率。不過(guò)由于此類(lèi)型實(shí)際上并未涵蓋ATP設(shè)備，因此在超速防護(hù)方面并不能起到應(yīng)有的作用，只能通過(guò)人工控制的方式來(lái)保證故障車(chē)的運(yùn)行安全?；谏鲜銮闆r，這一類(lèi)型系統(tǒng)也不應(yīng)作為一種常態(tài)的運(yùn)營(yíng)制式使用，只能作為一種應(yīng)急的降級(jí)備用模式使用。

1.3 點(diǎn)式ATP防護(hù)系統(tǒng)

該制式在全線配置計(jì)軸設(shè)備、信號(hào)機(jī)及點(diǎn)式ATP設(shè)備（包括地面應(yīng)答器和車(chē)載查詢應(yīng)答器）。地面應(yīng)答器為車(chē)載控制模塊提供地面行車(chē)信息，并結(jié)合列車(chē)自身的實(shí)際運(yùn)作信息，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算獲得速度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為信號(hào)機(jī)之間速控功能的實(shí)現(xiàn)提供必要數(shù)據(jù)支持。司機(jī)按照司機(jī)操作面板上指示的最大允許速度來(lái)行車(chē)，當(dāng)出現(xiàn)超速情況時(shí)，列車(chē)實(shí)行緊急制動(dòng)，從而保障列車(chē)運(yùn)行安全。

圖1為速度監(jiān)控曲線在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的實(shí)例，在非感應(yīng)環(huán)線的限速區(qū)列車(chē)行車(chē)速度監(jiān)控工作中可經(jīng)常性見(jiàn)到。通過(guò)對(duì)圖1中間段的分析可以發(fā)現(xiàn)，該曲線提供了如下4個(gè)方面的信息。

v0：所允許的最高列車(chē)速度。

圖1 點(diǎn)式列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng)的速度監(jiān)控曲線

v2：在該狀態(tài)下，車(chē)載中央控制單元將會(huì)給出聲頻報(bào)警信號(hào)，如果司機(jī)按照規(guī)定對(duì)列車(chē)的行車(chē)速度進(jìn)行控制，那么將恢復(fù)正常。

v3：在該狀態(tài)下，控制單元將會(huì)主動(dòng)制動(dòng)，將車(chē)速直接降低到v0狀態(tài)。如果該型號(hào)車(chē)載設(shè)備具備自動(dòng)緩解功能，那么減速后將會(huì)恢復(fù)到正常狀態(tài)。反之，則將在繼續(xù)緩行一段時(shí)間后停車(chē)，經(jīng)過(guò)駕駛?cè)藛T人工手動(dòng)啟動(dòng)重新開(kāi)車(chē)。

V5：在該狀態(tài)下，將會(huì)直接進(jìn)入緊急制動(dòng)狀態(tài)，車(chē)載設(shè)備發(fā)出緊急制動(dòng)信號(hào)，短時(shí)間內(nèi)完成列車(chē)的停車(chē)操作，確保在危險(xiǎn)點(diǎn)之前完成這一系列動(dòng)作。

點(diǎn)式ATP防護(hù)系統(tǒng)，不僅可以當(dāng)做CBTC系統(tǒng)的后備模式，同樣也可直接作為一種運(yùn)營(yíng)模式投入使用，目前已被廣泛采用。

2 計(jì)軸設(shè)備在后備模式的應(yīng)用

由上分析可知，目前無(wú)論采用何種制式的后備模式，都離不開(kāi)計(jì)軸設(shè)備。眾所周知，計(jì)軸設(shè)備是鐵路信號(hào)系統(tǒng)中用來(lái)檢測(cè)列車(chē)位置的裝置，早在20世紀(jì)20年代開(kāi)始在歐洲鐵路使用。由于電氣化鐵路的牽引電流回流與軌道電路共用一個(gè)通道，強(qiáng)電流對(duì)弱電流的干擾是不可避免的。隨著電力機(jī)車(chē)變流控制技術(shù)的發(fā)展，牽引電流對(duì)軌道電路的干擾影響越來(lái)越大。此外，軌道電路的工作狀態(tài)還嚴(yán)重依賴于道床漏隙，在道床電阻很低的場(chǎng)合，無(wú)論何種軌道電路都無(wú)法正常工作。基于此，計(jì)軸設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。

2.1 計(jì)軸設(shè)備工作原理

作為當(dāng)前一種應(yīng)用范圍相對(duì)廣泛的區(qū)間占用計(jì)算設(shè)備，其基本原理是通過(guò)對(duì)傳感器所提供的區(qū)間軸數(shù)的計(jì)量和分析，通過(guò)計(jì)算出來(lái)的軌道區(qū)段內(nèi)車(chē)軸數(shù)來(lái)判斷軌道區(qū)段的實(shí)際狀態(tài)。當(dāng)駛?cè)胼S數(shù)和駛出軸數(shù)相同的情況下，該區(qū)段內(nèi)為空閑狀態(tài)，而當(dāng)這兩個(gè)數(shù)據(jù)不同時(shí)，這一區(qū)段實(shí)際上占用（區(qū)段內(nèi)軸數(shù)大于零）或受擾（區(qū)段內(nèi)軸數(shù)小于零）。下面對(duì)該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的2種常見(jiàn)方法進(jìn)行更為詳細(xì)的介紹。

2.2 輪輻式計(jì)軸

下面以上海地鐵6、7、8、9、11號(hào)線的泰雷滋AzLM輪幅式計(jì)軸為例作簡(jiǎn)要介紹。

輪幅式計(jì)軸的拾取采用調(diào)相、調(diào)幅方式，室外鋼軌上裝有發(fā)送、接收磁頭。如果出現(xiàn)通過(guò)列車(chē)，那么以鑄鐵為主要材料的車(chē)輪將會(huì)對(duì)此范圍內(nèi)的磁力線進(jìn)行往復(fù)切割，從而導(dǎo)致接收端所接收的磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)明顯改變，以此為基礎(chǔ)就可順利獲得輪對(duì)通過(guò)計(jì)軸磁頭的具體數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的主要部件包括發(fā)射和接收磁頭2個(gè)方面的內(nèi)容。一般情況下，行車(chē)過(guò)程將會(huì)按照SK1磁頭、SK2磁頭的順序進(jìn)行切割，而在包括回庫(kù)之類(lèi)的特殊狀態(tài)下，切割順序?qū)?huì)發(fā)生改變。計(jì)軸數(shù)量方法：在行車(chē)過(guò)程中，對(duì)高頻磁頭進(jìn)行切割的過(guò)程中，將會(huì)在系統(tǒng)中形成記錄。而磁頭和單元盒相連的EAK對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)后，傳輸信號(hào)給室內(nèi)控制設(shè)備和計(jì)軸評(píng)估機(jī)柜ACE的數(shù)據(jù)電源耦合單元PDCU，該單元將會(huì)對(duì)所接收到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，傳送到ACE機(jī)柜中，其中串口板所具有的兩個(gè)PDCU可提供2組磁頭信息的通信功能。串口板將所負(fù)責(zé)的每組磁頭的方向數(shù)據(jù)和輪對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)提交CPU模塊，然后核心CPU模塊就可以此為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算出各個(gè)軌道區(qū)段的軸數(shù)，然后將區(qū)段狀態(tài)（占用、空閑、受擾）信息發(fā)送給并口板。ACE再把所控區(qū)域內(nèi)的所有計(jì)軸區(qū)段狀態(tài)發(fā)送給聯(lián)鎖機(jī)柜CBI。

2.3 輪緣式計(jì)軸

下面以應(yīng)用于上海張江試驗(yàn)線的奧地利福豪盛公司生產(chǎn)的ACS2000產(chǎn)品為例作簡(jiǎn)要介紹。

輪緣式計(jì)軸在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，并不要求必需有電子盒作為輔助支持，可直接通過(guò)電磁振蕩的方式傳遞信號(hào)。此類(lèi)型傳感器所利用的基本原理是磁力線偏轉(zhuǎn)原理，通過(guò)對(duì)列車(chē)車(chē)輪邊緣的檢測(cè)來(lái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。而在該設(shè)備所使用的發(fā)送、接收磁頭方面，采用一體化設(shè)計(jì)方案，當(dāng)傳感器上方或者下方出現(xiàn)金屬物體時(shí)，傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，而以此為基礎(chǔ)可以對(duì)車(chē)輪輪緣進(jìn)行有效的檢測(cè)并形成完整數(shù)據(jù)用于對(duì)傳感器位置的檢測(cè)。在行車(chē)狀態(tài)下，車(chē)輪所對(duì)應(yīng)的線圈分別對(duì)應(yīng)室內(nèi)系統(tǒng)的時(shí)序，以此為基礎(chǔ)獲得列車(chē)的行車(chē)方向信息，而通過(guò)對(duì)系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的阻尼范圍數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行軸數(shù)的計(jì)算。當(dāng)出現(xiàn)傳感器松動(dòng)、脫落情況，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)持續(xù)阻尼的存在，這是檢測(cè)安裝有效性和設(shè)備完整度的重要依據(jù)。EB 板初步處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，向ACB板傳送。ACB板主體是一個(gè)二乘二取二計(jì)算板面，對(duì)所處區(qū)間的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和計(jì)算，為調(diào)度員提供調(diào)度信息。

2.4 輪緣式傳感器特點(diǎn)

1）具有很高的可靠性和良好的抗干擾性能，受干擾范圍小。采用電磁感應(yīng)，有源傳感器，檢測(cè)車(chē)輛輪緣引起的磁場(chǎng)變化，工作可靠；電磁傳感器采用恒流電源供電，電流環(huán)輸出方式傳輸磁場(chǎng)變化狀態(tài)，抗干擾能力極強(qiáng)；采用二取二微處理器進(jìn)行計(jì)數(shù)和邏輯運(yùn)算，采用校驗(yàn)、回采等方式，安全性高。

2）室外傳感器直接傳輸電流信號(hào)給室內(nèi)，傳感器和室內(nèi)主機(jī)采用電纜直接連接，鋼軌上的傳感器到室內(nèi)主機(jī)的傳輸距離可達(dá)10 km，檢測(cè)點(diǎn)無(wú)需地線，節(jié)約成本。不需要安裝EAK，這對(duì)降低檢修人員的工作強(qiáng)度有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3）卡具式安裝方式相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于降低后期維護(hù)、檢修工作量有一定的積極意義，同時(shí)檢修過(guò)程完全可在室內(nèi)完成，并不會(huì)對(duì)軌道本身進(jìn)行破壞性檢測(cè)。

4）系統(tǒng)具有故障弱化功能，每個(gè)區(qū)段的故障對(duì)于其他區(qū)段的正常運(yùn)行不會(huì)造成直接影響。

5）預(yù)復(fù)位和強(qiáng)制復(fù)位模式的應(yīng)用，有效提升系統(tǒng)的總體安全度水平，同時(shí)也可根據(jù)實(shí)際需求靈活操作。

2.5 計(jì)軸復(fù)位方式簡(jiǎn)介

計(jì)軸區(qū)段受擾情況在現(xiàn)階段計(jì)軸設(shè)備的應(yīng)用過(guò)程中較為常見(jiàn)，通常情況下需要進(jìn)行人工復(fù)位。而如歐洲的發(fā)達(dá)國(guó)家，當(dāng)前階段已經(jīng)廣泛實(shí)現(xiàn)了預(yù)復(fù)位的設(shè)計(jì)，值得我們學(xué)習(xí)。

計(jì)軸區(qū)段預(yù)復(fù)位后，區(qū)段內(nèi)軸數(shù)清零，狀態(tài)顯示為待清掃狀態(tài)，需要到室外進(jìn)行清掃（低速列車(chē)清掃或者人工用模擬輪清掃，清掃必須由區(qū)段一邊進(jìn)入，從另外一邊出去），清掃沒(méi)有問(wèn)題后，室內(nèi)待清掃計(jì)軸區(qū)段方可變?yōu)榭臻e狀態(tài)。

預(yù)復(fù)位可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：

*通過(guò)ACE并口板上鑰匙和復(fù)位按鈕實(shí)現(xiàn)。例如上海地鐵6、8、9號(hào)線，其操作方法為：按壓復(fù)位按鈕的同時(shí)把鑰匙開(kāi)關(guān)向右側(cè)旋轉(zhuǎn)2～10 s，并口板上會(huì)有相應(yīng)指示燈指示是否復(fù)位成功。該種預(yù)復(fù)位簡(jiǎn)單、安全可靠，由通號(hào)維護(hù)人員在信號(hào)機(jī)房?jī)?nèi)ACE面板上操作，但對(duì)于突發(fā)搶修的故障處理，會(huì)存在處理不及時(shí)的問(wèn)題。

*通過(guò)ATS軟件實(shí)現(xiàn)。例如上海地鐵7、11號(hào)線，擁有區(qū)域控制權(quán)的本地操作員通過(guò)ATS選取受擾的計(jì)軸區(qū)段，發(fā)送該計(jì)軸區(qū)段預(yù)復(fù)位命令給PLC，每個(gè)區(qū)域有一個(gè)PLC，安裝在ATS機(jī)柜或計(jì)軸機(jī)柜內(nèi)，通過(guò)以太網(wǎng)與ATS進(jìn)行通信。每個(gè)PLC由1個(gè)CPU和3個(gè)輸出模塊組成，對(duì)于ATS的預(yù)復(fù)位命令請(qǐng)求，PLC激活兩路輸出，驅(qū)動(dòng)ACE相關(guān)計(jì)軸區(qū)段繼電器，使相關(guān)計(jì)軸區(qū)段軸數(shù)清零。由于ATS系統(tǒng)是非安全的，PLC本身也是非安全的設(shè)備，因此該種預(yù)復(fù)位方式存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)，只能作為一種權(quán)宜之計(jì)，而非長(zhǎng)久之計(jì)。

*通過(guò)車(chē)控室的IBP盤(pán)硬件實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)每個(gè)區(qū)段（并行I/O板）連接外設(shè)在車(chē)控室IBP盤(pán)上的復(fù)零按鈕，當(dāng)需要進(jìn)行預(yù)復(fù)零時(shí)，操作人員在IBP盤(pán)上按壓“總預(yù)復(fù)零”+“相應(yīng)故障區(qū)段”按鈕，執(zhí)行相應(yīng)區(qū)段預(yù)復(fù)零命令。復(fù)位按鈕加鉛封，這種做法類(lèi)似6502中的故障區(qū)段解鎖按鈕盤(pán)。這一方案在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，不僅能夠保證故障狀態(tài)下預(yù)復(fù)位工作及時(shí)進(jìn)行，同樣也對(duì)非安全器件的種種隱患有效防護(hù)。目前，該方案還沒(méi)有在上海地鐵已運(yùn)營(yíng)線路上實(shí)施，將來(lái)可以考慮。

考慮計(jì)軸故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，尤其是在后備模式下對(duì)運(yùn)營(yíng)影響相當(dāng)大。因此，信號(hào)維護(hù)人員可以申請(qǐng)登記強(qiáng)制復(fù)零操作，行車(chē)人員在確認(rèn)故障區(qū)段無(wú)車(chē)占用的情況下，信號(hào)維護(hù)人員在計(jì)軸機(jī)柜內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)區(qū)段的強(qiáng)制復(fù)零操作，將系統(tǒng)恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。

ACS2000計(jì)軸設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用歐標(biāo)，從故障的實(shí)際情況出發(fā)，設(shè)置了不同的安全等級(jí)， “預(yù)復(fù)位”和“復(fù)位”2 擋的設(shè)置，極大地提高了設(shè)備的管理靈活性。在軌道區(qū)間行駛過(guò)程中，由于安全等級(jí)相對(duì)較高，因此必須“預(yù)復(fù)位”，再“復(fù)位”才能夠?yàn)橄到y(tǒng)功能的正常發(fā)揮提供支持；而在機(jī)車(chē)車(chē)輪駛出軌道區(qū)段時(shí)，安全等級(jí)就會(huì)相對(duì)降低一些，只要進(jìn)行“復(fù)位”操作即可完成對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位。對(duì)應(yīng)每個(gè)區(qū)段，在計(jì)軸主機(jī)柜正面都設(shè)置有鑰匙開(kāi)關(guān)，信號(hào)維護(hù)人員可通過(guò)該鑰匙開(kāi)關(guān)執(zhí)行強(qiáng)制復(fù)零命令。鑰匙插入孔位后，鑰匙先轉(zhuǎn)向左邊停留500 μs以上；再倒回中間，停留500 μs以上；再轉(zhuǎn)向右邊，停留500 μs以上；最后鑰匙回到中間位置。拔出鑰匙后，完成對(duì)該區(qū)段強(qiáng)制復(fù)位。在計(jì)軸設(shè)備恢復(fù)正常后，故障消除，調(diào)度可正常組織行車(chē)。

3 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前鐵路信號(hào)設(shè)備快速發(fā)展過(guò)程中，CBTC及其后備模式得到極大提升，整體性能和適用性也被極大的加強(qiáng)。在城市軌道交通的發(fā)展過(guò)程中，對(duì)此類(lèi)型設(shè)備的依賴性日益加強(qiáng)。但是其整體運(yùn)行效率、技術(shù)水平、穩(wěn)定程度和性能指標(biāo)并不能從真正意義上滿足實(shí)際使用需求，因此成為當(dāng)前信號(hào)領(lǐng)域亟待完善的一項(xiàng)重要課題，得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和重視。通過(guò)對(duì)后備模式的深入分析，可從實(shí)際的運(yùn)營(yíng)需求出發(fā)，采用不同的策略。從功能需求和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，而不能過(guò)度地強(qiáng)調(diào)性能指標(biāo)。如果后備式系統(tǒng)的整體復(fù)雜度過(guò)高，不僅不利于軌旁設(shè)備的減少，同樣會(huì)導(dǎo)致初期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的大幅度提升，失去其原有優(yōu)勢(shì)。

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When signal equipment faults in urban rail transit, the fallback mode of CBTC system will be used in degraded operation to ensure the failed train to exit safely and keep certain operation ability. The paper presents three kinds of common fallback modes of the CBTC system. The axle counter, as train detection equipment, is key equipment in fallback mode. The paper mainly introduces two kinds of axle counter products used in Shanghai metro lines.

CBTC; fallback mode; axle counter

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.016

2014-12-02）