弓 剑

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

信号系统连续型点式方案的工程设计与应用

弓 剑

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

针对信号系统标准点式ATP(列车自动防护系统)降级方案下出现的驾驶模式转换初始化、进路命令变更、列车误启动、保护区段解锁等常见且无法妥善解决的问题进行分析，结合宁天城际实际工程对降级方案信息传输方式的比选，提出连续型点式方案，并针对此方案应用于工程实现各项功能出现的实际问题，分析系统设计因素及信息处理方式，使点式系统更进一步倾向于闭环系统。

轨道交通；连续型点式方案；有源信标；保护区段；联锁系统

轨道交通信号系统大多采用基于无线通信的列车自动控制CBTC系统(communication based train control system)+点式列车自动防护ATP系统(point type aotumatic train protection)的主备方案。当车载设备与轨旁设备间无法形成连续通信时，CBTC系统可采取降级模式使用[1]，而标准点式ATP系统作为降级方案在信息传输上受到其传输媒介的影响，在一些功能上无法形成有效、快捷的闭环系统。随着运营及服务意识的逐渐增强，很多工程都对此提出了更强的功能需求。

笔者认为降级系统信息传输方式是实现功能的关键点，结合实际工程提出了信息传输改进方案。连续型点式ATP方案的应用不仅可以有效解决在传统后备方案下无法解决的问题，还为今后的轨道交通信号系统主方案的选择提供了新的研究方向。

1 宁天城际信号降级模式

宁天城际轨道交通一期工程(以下简称“宁天城际”)信号系统采用完整的列车控制ATC系统，由主用模式和降级模式构成[2]。主用模式是指CBTC，降级模式是基于计轴和信标的点式通信固定闭塞系统。点式方案是保证信号系统在主系统CBTC模式出现故障而无法正常追踪或在特殊需要时，所启用的一种保证线路能够以最低效率运营的降级方案。

1.1 点式ATP系统信息传输

图1 标准点式方案信息传输

1.2 降级系统站间闭塞运行方式

在降级系统中，列车仅在预告信标或者重开信标处接收信息，根据最后接收到的变量更新列车授权，并根据授权点计算列车运行速度曲线(见图2)，当列车获得某一变量后，使得列车可以在变量有效时间内行驶到下一个信标并升级变量信息。

图2 宁天城际点式系统配置方案

CBTC系统是车—地通信连续不间断的闭环系统，但点式ATP系统信息的传输是通过信标点实现的，与CBTC相比，系统设计在一些功能上有所限制。宁天城际信号系统在设计时充分分析了在此模式下系统的不足，并通过优化点式方案下信息传输的途径，使得这些不完善的问题得到了有效的解决。

2 点式降级系统疑难问题

在标准点式ATP降级方案下，车载接收进路开放信息只能做到点传输，工程中经过对系统的深入研究，结合宁天城际信号系统降级下的设计理念特异性，分析点式系统主要在几个问题上无法妥善解决，包括驾驶模式转换初始化、进路命令变更、列车误启动、保护区段解锁时间。

2.1 点式驾驶模式转换初始化

轨旁区域控制器出现故障时，列车需转为点式驾驶模式，但由于车载设备与轨旁失去通信，列车需在停车后转至点式驾驶模式[6]，此时轨旁计算机无法确定列车的实际位置，因此点式列车不能实现信息初始化，司机必须首先以限速人工驾驶模式低速向前行驶，待信标天线读取到设于信号机前的重开信标并获得前方信号机、道岔及区段的允许授权信息时，列车才能升级为点式模式。这样如果需要模式转换的列车运行于长大区段内，无法快速升级点式模式将会影响运营效率。

2.2 进路命令变更

在点式系统下，列车在区间运行需要通过地面有源信标读取前方进路授权的走行距离。若列车通过信标点后，前方进路状态发生变化(例如绿灯变为红灯)，列车则不能及时获得命令。对标准点式系统来说，其设备配置会带来2个问题：第一，如列车越过预告信标后信号机变化，列车仍将高速行驶至重开信标后施加紧急制动；第二，如果是越过重开信标，列车将无法实施紧急制动。

2.3 列车误启动

列车进站在信号机前停车，停车点距离重开信标至少5 m，因此停车后，信标天线尚未读到重开信标。若此时信号机仍为红灯，司机误操作启动列车，列车在经过地面重开信标读到禁止信号后，会产生紧急制动，导致列车闯入红灯防护区，更为严重的情况是如果前方是道岔区，并且道岔正在转动，尚未锁闭，列车有可能冲入尚未锁闭的道岔区域，造成挤岔事故。

2.4 保护区段延时解锁时间

图3 变量有效时间的距离因素

经分析，全线布置应选择时间最长的布置间隔。联锁设备需要等待变量有效时间和紧急制动时间后，默认列车停稳，解锁进路防护区段(Overlap)，见图4。

图4 变量有效时间作用下的防护区段解锁时间

变量有效时间会导致列车征用进路的可能时间变长，也会导致联锁进路解锁时间过长[7]。从本工程设计来看，当列车收到变量并进入区段后，防护区域开始287 s解锁倒计时，结束后防护进路可解锁。

3 宁天城际连续型点式系统方案

基于以上对宁天城际信号系统降级模式的分析，问题的实质是信息传输不连续，因此，在原有标准点式ATP系统配置下，考虑变量信息通过新的传输媒介进行完善。通过分析有两种方案可以有效解决。

3.1 方案1：轨旁增加感应环线设备

在有源信标后铺设一段感应环线电缆，将信号机的有源信标预告范围扩大，车载可通过环线持续接收地面信号的状态，将原来的“点”变成 “线”。但此方法适用于车站，列车停稳后，应答器天线始终在环线上。然而对区间信标，由于列车不停车需要铺设更长的感应环线电缆，再加上需要在道床上安装大量的感应环线电缆，除增加工程投资外，还易受土建安装条件的限制，并且感应环线经常会受到轨道维护的影响，使得设备维护费用增加，将会影响列车的运行甚至影响正常运营[8]。

3.2 方案2：利用既有CBTC系统无线设备

宁天城际信号系统无线网络采用冗余结构，用于承载CBTC系统下车载和轨旁间信号数据流的通信。每个轨旁无线设备由红、蓝两个无线接入点组成双网，同时全线天线分别工作在两个不同频段上，保证任意一个轨旁或车载无线设备出现故障时均不影响系统的正常工作[4]。

无线网络的双频冗余结构能够保证系统稳定工作，在分析过程中，通过增加联锁进路识别信息与车载ATP无线通信可以解决后备下的点式信息带来的问题，车载与无线天线的接口已在CBTC下成熟，需要新开发的是联锁与无线的接口，这样就可以利用无线网络传输进路命令从而达到信息连续的目的。

3.3 方案比选及优化

与方案2相比，方案1在建设和维护成本上都有所增加，方案2利用既有CBTC的无线网络设备，宁天城际在系统设计时通过增加车载和联锁主机之间的无线通信接口实现了连续型点式ATP功能，有针对性地优化了信息传输的方式，有效解决了标准点式系统存在的不完善问题，见图5。

图5 连续型点式系统信息传输路径

需要说明的是连续型点式系统没有改变信息的传输路径①，而是在信标通信的基础上新增了一条无线信息传输链路②，由CC(车载控制器)向ZLC(区域逻辑控制器)发送变量请求，ZLC将进路内信号机和道岔状态变量信息通过无线天线传送给车载CC，使得信息传输连续有效。

4 连续型点式系统的工程应用

连续型点式方案完善了降级模式下的多个功能，并且有针对性地解决了标准点式系统以上分析到的问题。虽然无线传输是连续的，但因联锁传输的信息量无法与区域控制器相比，该方案在实际工程应用中并不能做到全线有效，只在变量传输有效区域和列车初始化区域等范围有效作用。

4.1 点式驾驶模式初始化

当列车需要转换为点式驾驶模式时，连续型点式方案提供了快速初始化条件，列车从轨旁无线接收到前方区段变量信息且列车处于点式初始化区域内(见图6)，列车即可转换为点式驾驶模式，无需再以人工驾驶模式行至重开信标处升级。

此功能需主要考虑列车初始化区域。因联锁无法判断车次号，区间转换模式的时候需行驶至距信号机距离小于系统设定的最短车长才可筛选升级。

图6 连续型点式方案列车初始化

4.2 及时获取进路信息的变化

降级模式下列车在区间运行，当越过预告信标后，信号机状态才发生变化(如红灯变绿灯)，列车可以在变量传输有效区域接收到新变量，根据变化的信息提前计算速度曲线，无需行至信标点(见图7)。

图7 连续型点式方案进路信息变化接收方式

此功能需主要考虑变量有效传输区域，列车需进入变量有效传输区域才可以执行收到的变量信息。

4.3 避免在没有授权情况下发生闯红灯事故

连续型点式系统可以防止点式列车无授权启动，出站信号机处于禁止状态时，列车可以从无线天线持续接收禁止列车离站信息，当信号机转为允许信号后，车载自动接收并计算速度曲线，可避免司机误启动列车而产生闯红灯的紧急停车事故。此功能需保证列车始终在变量有效传输区域。

4.4 保护区段提前解锁

标准点式系统下由于车载无法将停稳信息发送给轨旁，进路防护区段解锁时间综合了多种因素；而在连续型点式系统下，列车征用一条进路并为其锁闭一条防护进路，可保证列车一旦发生紧急停车最终能够在防护进路内停下，当列车在运营停车点停稳，且不再需要此Overlap命令时，车载将列车停稳信息通过无线天线提供给联锁子系统，命令Overlap提前解锁(见图8)，不必计算区间运行和站停时间。此功能需保证列车始终在变量有效传输区域。

图8 连续型点式方案列车保护区段解锁

5 结语

宁天城际信号系统在整个设计过程不仅延续了CBTC系统的完整功能，同时也深入分析了以往工程标准点式降级方案存在的问题，通过优化信息传输途径及媒介，增加系统设计中的限定因素，在不增加硬件设备的情况下有效地解决了点式降级模式下信息传输不连续所带来的几个问题。

国内各城市的轨道交通项目基 本 都 采 用CBTC作为主方案，但近年来轨道交通市域线、城际线逐渐增多，往往站间距长、客流较少，而移动闭塞CBTC系统的造价偏高，应用于市域城际线未必能体现其运营能力强的优点。点式系统造价低、结构简单、控 制 精 准，通过进一步研究紧急停车信息、临时限速信息、出站升级功能的采集执行方式可以将点式方案作为一个完整的主系统进行应用。

[2] 南京地下铁道有限责任公司.宁天城际一期工程信号系统采购项目用户需求书[G] .南京，2012.

[4] 南京地下铁道有限责任公司.宁天城际一期工程信号系统设计规格书[G] .南京，2013.

[5] 南京地下铁道有限责任公司.宁天城际一期工程信号系统后备模式描述设计文件[G] .南京，2013.

[8] GB 50157—2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

(编辑：郝京红)

Gong Jian

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100045)

The article analyzed some common problems that could not be solved properly in signal system standard point type-ATP downgrade program like driving mode conversion initialization, route command change, train error start and overlap unlock. Taking the practical engineering project of Nanjing metro line S8 as an instance, we selected the information transmission mode for downgrade program and put forward the continuous-point program. For the practical problems when continuous-point program is applied in project to realize various functions, we analyzed the design factors and the information processing mode to make the continuous-point program tend to closed-loop system further.

metro; continuous-point program; active beacon; overlap; interlocking system

弓剑，男，硕士，高级工程师，合肥分院副总工程师，从事城市轨道交通信号系统设计工作， gongjianbs@sina.com

U284

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