王向陽

(寧波市軌道交通集團有限公司，315101，寧波//高級工程師)

1 計軸系統(tǒng)在CBTC系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀

近年來，隨著移動閉塞列車控制技術的穩(wěn)步發(fā)展，CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)已經(jīng)成為各個城市軌道交通的絕對主流信號系統(tǒng)，其技術優(yōu)勢也得到了充分的證明。但是鑒于信號系統(tǒng)對于保證安全、高效運營的重要性，目前國內(nèi)城市軌道交通中應用的CBTC系統(tǒng)絕大多數(shù)都配置輔助列車檢測設備和具備完善的基于固定閉塞模式的降級運行模式，并在降級模式下也對系統(tǒng)性能及追蹤間隔有一定要求。

計軸系統(tǒng)是軌道交通信號系統(tǒng)區(qū)段防護方案中的重要檢測手段。在CBTC系統(tǒng)中，計軸設備仍然為SIL4級安全設備，作為聯(lián)鎖系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要依據(jù)，在實際運營中仍然起到重要作用。計軸設備不應影響CBTC系統(tǒng)的安全及效率，但考慮到車載設備故障后降級模式運行和混合運行、工程車運行等都需要聯(lián)鎖設備和計軸設備的支持，因此，雖然降級模式會很少用到，但所有項目都仍然考慮降級模式，系統(tǒng)中均存在計軸設備。如果計軸設備發(fā)生故障，而又有非通信障礙物存在，ATP(列車自動保護)設備不能確定區(qū)段占用狀態(tài)的實際情況，就會對后續(xù)的CBTC模式下運行的列車造成影響。

計軸設備故障或計軸數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯誤，應有安全和切實可行的故障恢復措施，或通過安全操作予以恢復，系統(tǒng)能確定的計軸設備故障不應影響軌道交通的正常運營。不同信號系統(tǒng)由于其系統(tǒng)原理和架構的差異性，在CBTC模式下容忍其計軸設備故障的具體處理方式也不盡相同，尤其是道岔區(qū)段發(fā)生故障后，需要改變道岔位置，對這一情況的處理尤為復雜。

根據(jù)實際運營經(jīng)驗和分析，對計軸設備故障影響分析、處理機制，以及對運營影響較大的折返區(qū)計軸設備故障提出解決方案有較強的實際意義。其中，故障影響和處理機制是CBTC系統(tǒng)設計原理中對計軸設備故障處理方式的統(tǒng)一；冗余配置方案是新提出的一種設計思路，仍然需要認真評估和驗證，以確保其設計安全性和滿足可靠性、可用性。

2 計軸設備故障影響分析

CBTC系統(tǒng)中，通過結合使用兩種不同的定位方法來支持通信列車、裝備故障列車及非裝備列車的混合運營模式：

(1)一級列車定位：車載設備通過讀取軌旁信標并利用車載速度傳感器跟蹤通信列車的具體位置。

(2)二級列車定位：使用軌旁計軸區(qū)段的占用狀態(tài)，按照固定區(qū)段方式來確定列車位置。

軌旁ATP子系統(tǒng)根據(jù)通信列車報告的準確位置來追蹤列車，并與計軸設備報告的固定區(qū)段占用/空閑狀態(tài)進行必要的一致性判斷。在車地通信故障時，系統(tǒng)將基于計軸區(qū)段占用進行列車定位，保持列車運行。

2.1 計軸區(qū)段受擾對行車的影響

計軸設備故障的結果是計軸區(qū)段受擾，是指計軸系統(tǒng)因計軸設備本身硬件故障原因或外部干擾因素，使計軸區(qū)段出現(xiàn)非預期的占用狀態(tài)。

按照移動閉塞列車運行控制原理，軌旁ATP子系統(tǒng)根據(jù)計軸設備故障發(fā)生時的條件對區(qū)段的真實占用/空閑狀態(tài)進行安全邏輯分析。如果判斷結果為實際上無列車占用，則認為故障區(qū)段是“已清掃的非通信障礙物(Swept NCO)”，允許CBTC模式下的通信列車通過受擾區(qū)段。如果先前未占用的區(qū)段報告占用，此時相鄰區(qū)段都沒有列車，或者此時在相鄰區(qū)段只有通信列車占用，受擾區(qū)段不會對CBTC模式下的通信列車運行造成影響。

受擾區(qū)段將影響CBTC模式下列車運行的場景為：先前未占用的區(qū)段報告占用，此時有非通信列車占用相鄰區(qū)段。即使非通信列車占用受擾區(qū)段的相鄰區(qū)段，由于兩個區(qū)段都報告占用，系統(tǒng)不能檢測非通信列車的準確位置，因此受擾區(qū)段將被認為是“未清掃的非通信障礙物(Unswept NCO)”，成為移動授權的限制。此時，一旦受擾區(qū)段的相鄰區(qū)段變?yōu)榭臻e，在通信列車清掃受擾區(qū)段后，將出現(xiàn)兩種可能：

(1)區(qū)段出清：區(qū)段對CBTC模式下列車運行沒有影響。

(2)區(qū)段繼續(xù)報告受擾：說明ACE主機出現(xiàn)不可恢復的故障。只要非通信列車不進入此區(qū)段或者相鄰區(qū)段，系統(tǒng)將認為是“Swept NCO”，不會影響CBTC模式下的通信列車運行。

正線ATC(列車自動控制)系統(tǒng)會采集與之相鄰的非ATC區(qū)域的邊界相鄰計軸區(qū)段/軌道電路，比如車輛段/停車場內(nèi)方第一個區(qū)段，以及與其它線路接口的相鄰區(qū)段。在CBTC模式下，系統(tǒng)會根據(jù)外部相鄰區(qū)段/軌道電路的空閑狀態(tài)對ATC區(qū)域內(nèi)的計軸區(qū)段故障狀態(tài)進行處理，只要非通信列車不占用相鄰區(qū)段，則不會影響正線。

2.2 折返區(qū)域計軸設備故障影響

在折返區(qū)域，道岔區(qū)段受擾將導致聯(lián)鎖系統(tǒng)激活相應道岔的過岔鎖閉功能以防止道岔動作，限制道岔轉(zhuǎn)動到相反位置的進路將不能被辦理，以避免發(fā)生安全問題。在降級模式下，由于道岔被過岔鎖閉鎖定在計軸受擾前的位置上，進而影響在此折返區(qū)域進行折返的列車。

在CBTC模式下，軌旁ATP子系統(tǒng)同樣也可以根據(jù)邏輯判斷折返區(qū)域的故障道岔區(qū)段是否為“Swept NCO”，允許列車正常通過受擾區(qū)段。但由于聯(lián)鎖系統(tǒng)的限制，如果需要將道岔扳動到相反的位置，需ATS(列車自動監(jiān)控)操作員按照一定的安全流程進行操作，并結合計軸預復位的流程操作，快速恢復計軸設備故障和正常運營。

3 計軸設備故障處理操作

如何既能保證安全，又方便、快捷地復位計軸受擾區(qū)段，對于保證運營效率和線路安全意義重大。計軸受擾后的常規(guī)恢復手段是：對受擾區(qū)段先進行預復位；然后，通過列車清掃，或使用專用計軸清掃設備(車輪模擬器)，通過完成進入和離開計軸區(qū)段的相同輪軸數(shù)量的過程，來使受擾區(qū)段恢復正?？臻e。

預復位操作的具體實現(xiàn)方式可分為4種：計軸主機機柜鑰匙本地預復位，車控室按鈕盤預復位，ATS遠程預復位+車控室按鈕確認，ATS遠程預復位+聯(lián)鎖系統(tǒng)使能確認。其中，推薦采用第4種方式，在保證系統(tǒng)安全的前提下，不需要中央調(diào)度員下放操作權限和車站值班人員的配合操作，操作靈活、方便快捷，可提高運營中的故障處理效率。

在運營過程中，應根據(jù)不同的計軸設備故障發(fā)生的情況和區(qū)域進行適當?shù)牟僮魈幚怼?/p>

3.1 受擾區(qū)段為“Swept NCO”

計軸區(qū)段受擾發(fā)生時，如果本區(qū)段和相鄰區(qū)段無列車占用，或者系統(tǒng)判斷區(qū)段內(nèi)實際上無障礙物占用，則將其僅標記為受擾，為“Swept NCO”。為了恢復受擾區(qū)段，操作員需要遵行安全操作流程啟動計軸區(qū)段預復位以及清掃：

(1)授權的軌旁操作員確認計軸區(qū)段內(nèi)的列車已經(jīng)出清。

(2)對計軸區(qū)段進行預復位操作。如果支持遠程復位，可以由行調(diào)操作ATS命令對計軸區(qū)段進行預復位。

(3)計軸主機接受復位信號后執(zhí)行區(qū)段預復位。

(4)依據(jù)安全操作程序，安排列車駛過計軸區(qū)段兩端的計軸點。

(5)成功清掃后，計軸區(qū)段將報告“空閑”，恢復正常。

3.2 受擾區(qū)段為“Unswept NCO”

計軸區(qū)段受擾發(fā)生時，如果本區(qū)段和相鄰區(qū)段有列車占用，或者信號系統(tǒng)無法判斷區(qū)段內(nèi)是否有非通信障礙物存在，則將其標記為“Unswept NCO”。為了恢復受擾區(qū)段，操作員需要遵行安全操作流程啟動計軸區(qū)段預復位以及清掃：

(1)等待相鄰區(qū)段里的非通信列車離開，確認報告受擾區(qū)段的相鄰區(qū)段無非通信列車占用；授權的軌旁操作員確認計軸區(qū)段內(nèi)的列車已經(jīng)出清。

(2)對計軸區(qū)段進行預復位操作。如果支持遠程復位，可以由行調(diào)操作ATS命令對計軸區(qū)段進行預復位。

(3)計軸主機接受復位信號后執(zhí)行區(qū)段預復位。

(4)依據(jù)安全操作程序，安排列車駛過計軸區(qū)段兩端的計軸點。

(5)成功清掃后，計軸區(qū)段將報告“空閑”，恢復正常。

假設清掃后計軸區(qū)段仍報告受擾，則可能是預復位沒有成功，或者計軸出現(xiàn)不可恢復的故障。這種情況下，如果使用的是非通信列車清掃，受擾的計軸區(qū)段將繼續(xù)報告“Unswept NCO”，將影響列車的運行，需要使用通信列車再次清掃。如果使用的是通信列車進行清掃，計軸區(qū)段將報告“Swept NCO”，不影響通信列車的運行。這種情況下，要防止非通信列車進入受擾區(qū)段及其相鄰區(qū)段，否則將又再次產(chǎn)生“Unsept NCO”，再次影響通信列車運行。

3.3 折返區(qū)域受擾區(qū)段處理

對于折返區(qū)域的道岔區(qū)段，如果需要改變道岔位置以支持折返進路的辦理，除了常規(guī)的計軸區(qū)段預復位操作外，還需要適當進行相應的道岔安全操作。

如果在故障恢復之前需要將道岔扳動到相反的位置，需ATS操作員先執(zhí)行“取消過岔鎖閉”命令，當此命令被軌旁ATP子系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)接受后，過岔鎖閉將在一個預定的時間內(nèi)(如30 s)失效，道岔在這段時間內(nèi)將被允許單操。計時結束后，過岔鎖閉功能將恢復激活。如果計軸設備故障未被及時恢復，或未及時進行計軸區(qū)段預復位操作，當為下趟列車排進路需要再次扳動道岔時，行調(diào)需要再次執(zhí)行“取消過岔鎖閉”命令。

除非是不可恢復的故障，通常情況下在對道岔區(qū)段進行預復位操作后，只需要執(zhí)行一次“取消過岔鎖閉”命令，第一列列車通過該區(qū)段后即可恢復故障。但是，如果運營中發(fā)生了不可恢復的計軸設備持續(xù)故障，并且非通信列車進入了受擾區(qū)段及其相鄰區(qū)段，就將再次產(chǎn)生“Unsept NCO”，并影響通信列車運行。實際運營中，這樣的情況發(fā)生后就會大大降低運營能力。所以，如何能夠盡可能地降低折返區(qū)域的計軸設備故障概率是保證信號系統(tǒng)可用性的有效手段。

4 折返區(qū)域計軸冗余控制方案研究

目前，為減小單套計軸設備故障影響范圍，通常在每個聯(lián)鎖區(qū)均配置有兩臺ACE主機，按上下行分開，中間的兩個邊界計軸點共享數(shù)據(jù)連接(見圖1)。這種配置中，若其中有一臺主機宕機(如A宕機)，相關道岔區(qū)段(G1、G2)變?yōu)檎加脿顟B(tài)，相應的道岔將被激活的過岔鎖閉功能鎖定在道岔區(qū)段受擾前的位置，在特定情況下生成“Unswept NCO”后，就會對系統(tǒng)運營造成不利影響，甚至需要通過現(xiàn)場手搖道岔來維持運營。在CBTC技術逐漸成熟運用的情況下，這種情況發(fā)生的概率雖然不高，但一旦發(fā)生就很可能造成較嚴重的運營晚點。

圖1 典型折返站計軸配置示意圖

針對上述情況，對于折返區(qū)域單套計軸主機發(fā)生故障的場景，為保證不影響列車折返作業(yè)，提出了一種對計軸系統(tǒng)的改進方案。

4.1 關鍵區(qū)段冗余配置和計軸點復用

為提高計軸設備的可用性，將兩臺ACE主機對折返區(qū)域關鍵道岔區(qū)段(G1、G2、G3、G4)進行相互冗余控制，當其中一臺計軸主機出現(xiàn)故障時，因為另一臺主機正常工作，仍能正確輸出特定關鍵區(qū)段的狀態(tài)，保證道岔的可操作性，并支持折返作業(yè)正常進行。ATC系統(tǒng)可以正常檢測到區(qū)段的占用/出清狀態(tài)，不會影響系統(tǒng)的正常運行。對于故障的計軸主機，接收到ATS的預復位命令后，當檢測到列車通過相應的區(qū)段后，區(qū)段狀態(tài)完成清掃變?yōu)榭臻e，恢復正常。

此方案不會增加室內(nèi)計軸主機數(shù)量和室外計軸點數(shù)量(每個計軸點數(shù)據(jù)可由兩臺主機共享)，但室內(nèi)計軸機柜中需要分別增加需共享計軸點數(shù)量的串行板卡和兩個并行接口板。并行接口板輸出的占用/空閑狀態(tài)、受擾狀態(tài)和待清掃狀態(tài)可利用雙線圈繼電器冗余驅(qū)動(見圖2)。根據(jù)安全及可靠性評估情況，在關鍵區(qū)段，可由兩臺計軸主機內(nèi)的并口板分別驅(qū)動單獨的軌道繼電器，并經(jīng)硬件電路組合后輸入到聯(lián)鎖子系統(tǒng)設備，但其實現(xiàn)方式相對復雜。

在室外需要將關鍵區(qū)段相關聯(lián)的計軸點信息進行共享采集，對于下行計軸主機A需要增加冗余采集4個計軸點AC07、AC08、AC09和AC10的磁頭信息；對于上行計軸主機B需要增加冗余采集4個計軸點AC0、AC02、AC03和AC04的磁頭信息。

圖2 區(qū)段冗余控制示意圖(以G4為例)

4.2 冗余區(qū)段的復位

在冗余配置情況下，兩臺計軸主機應同時實現(xiàn)對特定區(qū)段的預復位功能。在ATS界面上操作遠程預復位后，ATS對計軸主機A和B中的冗余軌道區(qū)段對應的故障占用并口板發(fā)送預復位命令，完成對故障區(qū)段的預復位操作。只有相應區(qū)段故障的計軸主機會執(zhí)行預復位命令，而工作正常、區(qū)段無故障的計軸主機在收到預復位信息時會拒絕此命令，不影響其正常工作。同時，必須在復位操作前確保沒有任何一個冗余區(qū)段是正常的占用狀態(tài)，否則，不應對其進行預復位操作。

對同一區(qū)段的預復位命令，ATS需實現(xiàn)該命令能被分別發(fā)送給兩個計軸主機，以保證預復位命令能被兩套主機執(zhí)行。

5 結語

在CBTC系統(tǒng)中，原則上計軸設備故障不影響通信列車的正常運行，但計軸區(qū)段設備故障的快速、及時恢復對完善整體運營管理和提高故障處理水平至關重要，處理過程不僅要考慮系統(tǒng)安全，同時也要兼顧運營效率。在CBTC系統(tǒng)仍不能擺脫降級模式和軌旁占用監(jiān)測設備的現(xiàn)狀下，探討和研究計軸設備故障和應用設計對所有地鐵運營項目和單位都有實際意義。本文提出的折返區(qū)域關鍵計軸區(qū)段冗余配置方案，只需在原有設計基礎上增加少量的板卡，便可提高折返區(qū)域計軸設備的可用性，對運營管理實踐有一定參考和借鑒意義。

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