馬偉杰 邢艷陽

(1.上海地鐵第一運(yùn)營有限公司，200080，上海;2.卡斯柯信號有限公司,200071,上?！蔚谝蛔髡?高級工程師)

CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)通常包括主用CBTC系統(tǒng)和點(diǎn)式ATP/ATO(列車自動保護(hù)/列車自動運(yùn)行)系統(tǒng)。而隨著CBTC系統(tǒng)的日漸成熟，越來越多的用戶不再將點(diǎn)式ATP/ATO系統(tǒng)作為必選項(xiàng)。在既有城市軌道交通信號系統(tǒng)中，降級列車或未裝備車載ATP設(shè)備的車輛需要采用軌道電路、計軸、RFID(射頻識別)等設(shè)備來檢測車輛位置，相較于車載ATP主動列車定位設(shè)備，這些軌旁設(shè)備被稱為次級列車檢測設(shè)備。次級列車檢測設(shè)備在信號系統(tǒng)供貨份額中占比較大。從早期的模擬軌道電路，到數(shù)字軌道電路，再到計軸設(shè)備，列車占用的檢測設(shè)備正逐步減少，從幾十米至三四百米配置一段軌道電路減少到一個區(qū)間配置一個計軸區(qū)段。這使信號系統(tǒng)的故障點(diǎn)得以大幅減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性得以提高。但在目前新建或改造項(xiàng)目中，仍需配置較多的次級列車檢測設(shè)備，存在一定的優(yōu)化空間。本文探討了CBTC系統(tǒng)中次級列車檢測設(shè)備的作用，介紹了無次級列車檢測設(shè)備但可實(shí)現(xiàn)其功能的信號系統(tǒng)方案。

1 CBTC系統(tǒng)的次級列車檢測設(shè)備作用

CBTC系統(tǒng)的次級列車檢測設(shè)備主要用于ATP防護(hù)列車的篩選、各種車輛的占用檢測、聯(lián)鎖進(jìn)路控制等。

1.1 ATP防護(hù)列車的篩選

當(dāng)降級列車重新恢復(fù)定位后，信號系統(tǒng)無法判斷列車前方或后方是否存在其它車輛，暫不能授權(quán)列車進(jìn)入ATP防護(hù)駕駛模式運(yùn)行。為恢復(fù)自動駕駛模式運(yùn)行，在信號系統(tǒng)中設(shè)計了一系列由特定長度次級列車檢測區(qū)段組成的安全防護(hù)識別區(qū)。當(dāng)列車進(jìn)入該安全防護(hù)識別區(qū)，信號系統(tǒng)判斷該車頭部和尾部不存在其它車輛后，完成車頭車尾篩選，此時列車具備升級至ATP/ATO駕駛模式的條件。圖1為ATP防護(hù)列車自動篩選示意圖。

圖1 ATP防護(hù)列車自動篩選示意圖Fig.1 Diagram of auto sweeping for ATP protected train

圖1中的站臺區(qū)布置了次級檢測設(shè)備，該區(qū)段長度小于一列列車和信號系統(tǒng)定義最小車長的長度之和。當(dāng)列車在站臺?？繒r，信號系統(tǒng)自動完成對該車的篩選。

1.2 列車占用檢測

在CBTC系統(tǒng)中，CBTC系統(tǒng)正常工作時，采用ATP主動列車定位進(jìn)行列車的移動授權(quán)計算和列車占用顯示，并不依賴于次級列車檢測設(shè)備。僅在降級運(yùn)行模式下，通過次級檢測設(shè)備劃分固定閉塞分區(qū)，每個閉塞分區(qū)同時僅允許1列列車進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)列車之間的間隔防護(hù)。圖2為次級列車檢測設(shè)備布置示意圖。

圖2 次級列車檢測設(shè)備布置示意圖

圖2中，在站臺、道岔區(qū)及列車正向出站方向都布置了次級列車檢查設(shè)備，組成固定閉塞分區(qū)，僅當(dāng)降級列車前方閉塞分區(qū)空閑后，信號系統(tǒng)才授權(quán)降級列車向下一站發(fā)車。為滿足點(diǎn)式后備模式運(yùn)營間隔要求，部分信號系統(tǒng)中增設(shè)了出站方向的次級檢測設(shè)備。

1.3 聯(lián)鎖進(jìn)路控制

當(dāng)列車行駛到道岔區(qū)域且車載CBTC系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時，列車將失去主動列車定位，信號系統(tǒng)無法判斷列車是否出清道岔，道岔仍保持鎖閉狀態(tài)，這將導(dǎo)致列車無法折返。在配置次級檢測設(shè)備時，聯(lián)鎖子系統(tǒng)將綜合ATP主動列車定位和次級列車檢測信息判斷道岔區(qū)域的出清狀態(tài)。由于主動列車定位和次級列車檢測均為SIL4級安全信息，只要次級檢測設(shè)備占用狀態(tài)為空閑則可判斷道岔出清，從而可以安全解鎖進(jìn)路，并為列車辦理折返進(jìn)路。

非裝備車夜間上線維護(hù)作業(yè)期間，次級列車檢測設(shè)備可以正常檢測車輛的位置，可為其辦理聯(lián)鎖進(jìn)路，當(dāng)車輛出清道岔后信號系統(tǒng)自動解鎖進(jìn)路。

2 無次級列車檢測設(shè)備但可實(shí)現(xiàn)其功能的信號系統(tǒng)方案

由上述分析可知，在CBTC系統(tǒng)的降級模式下，次級列車檢測設(shè)備發(fā)揮著重要作用。如欲優(yōu)化次級列車檢測設(shè)備配置，則必須尋找到能夠提供上述功能的替代方案，達(dá)到既優(yōu)化了次級列車檢測設(shè)備配置，信號系統(tǒng)功能又不受影響。

2.1 不依賴于次級檢測設(shè)備的列車篩選

對于無次級列車檢測設(shè)備的信號系統(tǒng)，可在列車停車后，經(jīng)司機(jī)和調(diào)度員雙重確認(rèn)，人工完成篩選操作。對于有人駕駛模式的信號系統(tǒng)，可以在司機(jī)臺配置車載安全防護(hù)確認(rèn)按鈕，當(dāng)調(diào)度員授權(quán)、司機(jī)確認(rèn)列車前方無車時，司機(jī)按壓車載安全防護(hù)確認(rèn)按鈕，完成車頭車尾的篩選。圖3為人工篩選列車示意圖。

圖3 人工篩選列車示意圖Fig.3 Diagram of manual sweeping of trains

對于無人駕駛模式的信號系統(tǒng)，可由多職能隊伍接管列車，或列車通過遠(yuǎn)程限制人工駕駛模式運(yùn)行至安全防護(hù)識別區(qū)后，通過車上或站臺多職能隊伍及調(diào)度員雙重確認(rèn)后執(zhí)行人工篩選操作。人工篩選完成后，恢復(fù)列車全自動運(yùn)行模式運(yùn)行。

在基于車車通信的TACS(列車自主運(yùn)行系統(tǒng))中，軌旁無需配置次級列車檢測設(shè)備，線路資源由軌旁資源管理器統(tǒng)一管理。對于部分無法判斷是否存在非通信車的區(qū)域，該系統(tǒng)可授權(quán)定位有效的列車以ATP切除模式駛過該區(qū)域，自動完成區(qū)域篩選后，恢復(fù)該區(qū)域正常狀態(tài)。

2.2 降級列車行車組織

對于無次級列車檢測設(shè)備的信號系統(tǒng)，當(dāng)列車車載設(shè)備故障或非裝備車輛上線運(yùn)行時，可根據(jù)降級列車運(yùn)行路徑為其運(yùn)行設(shè)置一定范圍的人工控制區(qū)域(見圖4)。該人工控制區(qū)域?yàn)檫壿媴^(qū)域，不依賴于軌旁次級列車檢測設(shè)備。ATP防護(hù)的列車不被授權(quán)進(jìn)入人工控制區(qū)域，同時降級列車只能在激活的人工控制區(qū)域內(nèi)移動，不得超出人工控制區(qū)域。當(dāng)降級列車駛離人工控制區(qū)后，調(diào)度員可取消人工控制區(qū)域，恢復(fù)該區(qū)域?qū)TP防護(hù)列車的移動授權(quán)。通過在信號系統(tǒng)中設(shè)置人工控制區(qū)，可實(shí)現(xiàn)自動駕駛列車和人工駕駛列車之間的混合運(yùn)行。

圖4 人工控制區(qū)設(shè)置示意圖Fig.4 Diagram of manual control zone setting

在TACS中，未配置次級列車檢測設(shè)備，而是配置了一套軌旁列車管理器。軌旁列車管理器負(fù)責(zé)降級列車或非裝備車輛的安全防護(hù)、資源申請和釋放。降級列車或非裝備車輛根據(jù)其運(yùn)行任務(wù)，逐段申請線路資源，TACS授權(quán)降級列車或非裝備車輛在獲取的資源范圍內(nèi)運(yùn)行；在降級列車或非裝備車輛釋放資源前，后方ATP防護(hù)列車無法獲得授權(quán)進(jìn)入該車所獲資源范圍。軌旁列車管理器代替降級列車或非裝備車輛與正常ATP防護(hù)列車之間進(jìn)行車車通信，實(shí)現(xiàn)正常列車和降級列車的安全間隔防護(hù)和混合運(yùn)行。

2.3 道岔區(qū)域資源管理

對于既有CBTC，可根據(jù)折返間隔需求，適當(dāng)保留道岔區(qū)域的次級檢測設(shè)備，用于主動列車定位故障時道岔區(qū)域出清檢測、維持基本聯(lián)鎖進(jìn)路的辦理和解鎖，確保列車折返作業(yè)正常進(jìn)行。

在TACS中，列車與列車之間通過直接通信獲得對方的定位信息，無需軌旁次級列車檢測設(shè)備參與列車定位計算。當(dāng)某車載設(shè)備主動定位故障后，軌旁列車管理器將自動接管該降級列車，代理該車與其它正常列車、軌旁資源管理和中心ATS(列車自動監(jiān)控)之間接口，實(shí)現(xiàn)降級列車的安全防護(hù)、資源申請和釋放。軌旁列車管理器從TACS中同步列車位置信息，根據(jù)該車的當(dāng)前位置和運(yùn)行任務(wù)，為其申請從當(dāng)前位置至目的地的路徑資源，鎖定運(yùn)行路徑中的道岔。當(dāng)列車到達(dá)目的地后，可通過重定位操作釋放列車后方線路資源并解鎖相關(guān)道岔。而后方列車可根據(jù)運(yùn)行任務(wù)按需申請這些已被降級列車釋放的資源，從而實(shí)現(xiàn)正常列車和降級列車的追蹤運(yùn)行。

TACS結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖5可見，在TACS的軌旁不再設(shè)置次級列車檢測設(shè)備，而是在全線配置一套軌旁列車管理器。這樣既可以減少軌旁設(shè)備維護(hù)成本，還可以縮減信號設(shè)備機(jī)房機(jī)柜數(shù)量及減少用電量。TACS尤其適合用于既有線路信號系統(tǒng)的升級改造項(xiàng)目。

圖5 TACS結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of TACS structure

于2021年底開通的深圳地鐵20號線，為國內(nèi)第一條投入商業(yè)運(yùn)營的采用TACS的線路。該新路的TACS包含軌旁資源管理器、軌旁列車管理器、目標(biāo)控制器、車載控制器、ATS、DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))和維護(hù)子系統(tǒng)等。該系統(tǒng)取消傳統(tǒng)聯(lián)鎖進(jìn)路概念，不依賴任何次級列車檢測設(shè)備，為用戶提供了一套安全高效的創(chuàng)新系統(tǒng)，也推動了城市軌道交通信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。

3 結(jié)語

簡化信號系統(tǒng)架構(gòu)、減少軌旁設(shè)備布置、壓縮設(shè)備機(jī)房面積及設(shè)備耗電、減少項(xiàng)目建設(shè)成本、降低運(yùn)維成本，是新型列車控制系統(tǒng)的發(fā)展需求。軌旁設(shè)備包括軌道沿線設(shè)備、車站機(jī)房設(shè)備及光電纜等，軌旁設(shè)備越多則故障點(diǎn)越多，運(yùn)營維護(hù)成本越高。在保證降級列車行車的前提下，減少軌旁次級列車檢測設(shè)備是可行的，符合運(yùn)營和維護(hù)降成本需求。TACS是無次級列車檢測設(shè)備但可實(shí)現(xiàn)其功能的信號系統(tǒng)。