张国强

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

客运高速化、公交化，货运重载化、高密度是铁路发展的方向。以大秦、朔黄、中南运煤通道为代表的重载货运线得到高速发展。重载的特点是车列质量大、车列长，运行密度高，但运行速度在100 km/h 以下。由于车列质量大受牵引、制动力的影响速度的提升有限，为提高线路运输能力高密度是有效手段之一。

移动闭塞（CBTC）起源于城市轨道交通，具有高密度、中低速的特点，发展迅猛且已较为成熟，中国列控系统（CTCS-3）具有高速度、高密度且已有几万公里的应用经验，两大主力系统各有特点不能完全适用与重载运输。如果采用C3 模式，重载货运运行速度不高；如果选择CBTC 模式，城市轨道交通车站规模多数较小，正线无调车作业但重载线车站规模大调车作业很多。不加思考的全盘复制会留下安全隐患。

1 重载铁路移动闭塞的安全薄弱环节

CBTC 代表的移动闭塞相当于中国列控系统（CTCS-4），更先进，因此重载移动闭塞按CBTC模式进行在技术上是先进的，CTCS-4 在国内还未投入商业运营，朔黄重载移动闭塞采用成熟的CBTC 技术。CBTC 系统工作正常时ATP 控车，当CBTC 故障后ATP 立即给出报警并退出控车,列车进入非受控状态靠惰性运行，司机听到报警立即确认地面信号、了解前方进路情况、做出判断、发出操作，LKJ 设备接收司机操作，列车进入人工控车模式，列车重新进入受控状态，这个时间段被称为惰性运行期。惰性运行期的缩短就是行车安全的提升。惰性期是司机进入控车状态的适应期，缩短适应期应提供司机易于识别的地面信号，完整的前方进路信息且提供的信息前后连续，方便司机做出判断等。地面信号成为最佳承载者，但C3 客专地面信号常态是灭灯的，城市轨道交通CBTC 系统的地面信号机常态以灭灯为多，少部分常态开灯，以下将对移动闭塞时车载设备控车和移动闭塞故障后的人工控车两种模式下的信号显示与安全相关因素及安全可靠性进行研究。

2 地面信号机的设置与显示

《重载铁路铁路设计规范》规定重载区段区间采用四显示自动闭塞，站内采用计算机联锁，地面信号机常态点灯。信号机的每种显示有具体含义是司机行车的凭证，配备有LKJ辅助驾驶系统，闭塞方式为固定闭塞（以下简称LKJ 模式）。

既有重载铁路移动闭塞改造时不改变地面信号机的设置，地面信号不参加控车，新设CBTC 设备，车载ATP 控车、构建移动闭塞系统（以下简称CBTC 模式）。城市轨道交通CBTC 地面信号机的常态显示有开灯、灭灯两种；C3 客专常态灭灯，采用常态灭灯规避了由于点灯环节的故障造成地面信号机点红灯、灭灯（视为红灯）与车载设备的移动授权不一致执行谁的命令问题，但存在设备故障转为LKJ 模式后地面信号点灯灯丝未得到连续监督、前方进路信息未预告等影响行车安全的因素。

2.1 站内、区间信号机点灯电路

现有地面信号机设置及显示不变，CBTC 模式常态点灯，增加灯丝断丝（含红灯）时信号机点绿闪灯，预告信号机灯丝断丝，列车按ATP 命令继续行车。

2.1.1 站内点灯电路

站内点灯电路如图1 所示。

CBTC 模式时CBI 驱动绿闪继电器（LSJ），驱动逻辑为：平时LSJ ↓。

图1 进站信号机点灯电路图Fig.1 Light-on circuit diagram of home signal

区间时：①采集到点H 灯条件满足但DJ ↓。②采集到点L 或U 灯条件满足但DJ ↓，满足其一驱动LSJ ↑。

站内时：①采集到LXJ ↓, DJ ↓。②已选出列车进路，采集到DJ ↓,又取消LXJ 驱动吸起命令。满足其一驱动LSJ ↑。

2.1.2 区间点灯及闪光电路

图2 区间信号机点灯电路Fig.2 Light-on circuit of section signal

图3 闪光电路图Fig.3 Flash light circuit

区间信号机当红灯灯丝断丝时点L 闪，允许灯光断丝时按四显示自动闭塞规定处理（或按此电路原理进行修改也点L 闪）。区间点灯电路如图2 所示，闪光电路如图3 所示。光，绿闪表示信号机灯丝断丝（允许灯光或红灯灯丝），此时ATP 控车地面信号显示仅起预告作用，规避了地面信号显示与移动授权不一致问题。在C3模式，200km/h 的速度下人已无法确认信号，但重载铁路闭塞运行速度在100 km/h 以下时司机可以清楚的确认地面信号，从信号显示司机可以获取很多与安全相关信息，有利于提高行车安全，这也是CBTC 模式常态开灯可行之一。

2.2 常态开灯的合理性

正在运营的大秦、朔黄、中南运煤通道均为常态开灯显示LKJ 模式，已有大量建设、管理经验可利用。重载移动闭塞首次在既有重载线路上使用，按更新改造的方式进行，既有设备的利旧是必须考虑的问题，把既有设备做为后备模式是投资最省的方案之一。

CBTC 系统的改造地面需装设许多设备，同时机车上也须配备专门车载设备，现场机车会存在装车载设备或未装车载设备的两种车，一定时期内有装备车与无装备车混和在线运行，非装备车LKJ 模式，地面信号显示只能是开灯；有装备车在线运行时突然故障转LKJ 模式时，及时准确的确认地面信号非常重要，CBTC 状态常态点灯可以预告前方闭塞分区数，进路是正侧线、道岔定反位，这些信息可以帮助司机及时安全操控列车。

信号机现行显示在各自的模式下均符合现行标准，CBTC 模式下增加绿闪灯

3 移动闭塞（CBTC）模式信号显示与安全因素分析

如图4 所示，以重载最常见的信号平面图为例进行讨论。

图4 信号平面图Fig.4 Plane layout of signals

3.1 移动闭塞（CBTC模式）信号显示与安全相关因素分析

如表1 所示可以看出，平时点灯的方式有预告前方进路情况，连续监督灯丝断丝两大优点，这个优点对人工操控机车非常有利，但CBTC 状态是ATP 控车，此优点未能发挥作用。平时开灯方案灯丝继电器得到连续监督，这对非装备车，CBTC 故障后的LKJ 控车模式很有利，ATP 控车是安全可靠的，安全值也是惟一的定义为RCBTC。

表1 移动闭塞（CBTC模式）信号显示与安全相关因素分析表Tab.1 Analytical statement of signal aspect and safety-related factors of moving block (CBTC mode)

3.2 移动闭塞转为固定闭塞信号显示与安全相关因素分析

CBTC 系统或车载故障均迫使移动闭塞转入后备LKJ 模式，非装备车的在线使用都依赖于地面信号，信号显示是影响LKJ 模式行车安全的主要因素如表2 所示。

3.3 CBTC模式常态开灯灭灯对行车安全的影响分析

CBTC 系统工作正常时列车是由ATP 控制，安全可靠性由设备决定，当CBTC 系统的任一部分故障，ATP 停止工作，发出CBTC 故障报警，列车进入非受控状态，此时司机尚需确认地面信号显示、大脑做出判断、做出控车决定，操作LKJ 设备进入人工控车状态，列车重新进入受控状态，此阶段列车靠惯性运行，称为惰性期。惰性期列车运行处于非受控状态行车安全受到极大威胁，缩短惰性运行时间即可提高行车安全。

3.3.1 缩短惰性期的措施

惰性期的长短与地面信号显示的提供速度、灯光显示是否有变化（快速提供信号环节）、灯光变化是否应人眼的识别（快速灯光识别环节）、安全信息的事前预知有利于司机尽快做出判断并付诸实施（快速判断力）3 环节直接相关，3 环节顺序发生为串联逻辑关系，其拓扑图如图5 所示。

用可靠性指标来描述系统的安全可靠性，λ 表示失效率 ，R 表示可靠性， 可靠性与失效率关系：R =1/λ。

串联系统的可靠性R=R1×R2×R3。

图5 列车惰性期运行拓扑图Fig.5 Topological diagram of train operation in coasting period

常态开灯： λk1表示常态开灯的λ1环节的失效率；λk2表示常态开灯的λ2环节的失效率；λk3表示常态开灯的λ3环节的失效率。

常态灭灯：λm1表示常态灭灯的λ1环节的失效率；λm2表示常态灭灯的λ2环节的失效率；λm3表示常态灭灯的λ3环节的失效率。

3.3.2 惰性期影响安全因素分析

1）快速提供信号环节

λ1: 如果点灯电路，灯泡灯丝完整可以保证灯光立即点亮，实现快速提供信号功能。

常态开灯：有灯丝监督时，灯丝提前得到监督，灯泡断丝不能点亮灯的可能性小，点灯失效率小 λk1小，Rk1大；常态灭灯：无灯丝监督，需点亮红灯时不能点红灯，司机找不到停车位置，可能冒进信号或追尾，λm1大Rm1小。

2）快速识别信号环节

λ2：根据医学理论人眼确认常亮灯灯光颜色变化≤10 s，肉眼首次确认从灭灯到点亮的灯光≤15 s，λ2与确认信号时间成反比，即常亮灯更有利于肉眼识别。

常态开灯：长亮灯光系统λk2小Rk2大；常态灭灯：长灭灯突然点亮灯系统λm2大Rm2小。

3）快速判断环节

λ3： 前方进路情况有无预告对人的判断影响巨大，早知道进路前方的闭塞分区数、经过的道岔直弯股思想压力小，连续的看到信号，有利于做出正确判断。

常态开灯：有前方进路情况预告λk3小可靠性Rk3大；常态灭灯：无预告不知道进路前方的闭塞分区数、经过的道岔直弯股，突然看到信号，司机思想紧张不利于做出正确判断，λm3值大可靠性Rm3小。

从 以 上 分 析 可 以 得 出λk1≤λm1，λk2≤λm2，λk3≤λm3, 即Rk1≥Rm1，Rk2≥Rm2，Rk3≥Rm3，Rk=Rk1× Rk2× Rk3，Rm=Rm1× Rm2×Rm3，Rk≥Rm。

理论计算表明，常态开灯模式的安全可靠性高于灭灯模式。

4 重载移动系统安全可靠性分析

4.1 重载移动闭塞系统可靠性分析

重载移动系统由CBTC 模式和LKJ 模式两部分构成，其系统安全可靠性拓扑如图6 所示，两部分为并联，根据可靠性理论整个系统可靠性R1是CBTC 模式ATP 控车其为固定数值RCBTC，R2为LKJ 模式人工控车的安全可靠性。R 公式类似于其中y=R，a=RCBTC，x=R2。可以改写为其函数的曲线（如图7 所示）从函数图形可以得到以下结论：当LKJ 模式可靠性为0 时，整个系统可靠性为0；LKJ 模式可靠性为∞时，整个系统可靠性为(a= RCBTC)CBTC 的可靠性；LKJ 模式的安全可靠性提高就是整个系统安全可靠性的提高。

图6 系统可靠性拓扑图Fig.6 System reliability topological graph

图7 系统可靠性函数图形Fig.7 System reliability function graph

4.2 重载移动闭塞系统LKJ模式可靠性分析

前述缩短惰性前就是提高系统的安全可靠性，列车惰性期运行拓扑如图5 所示，从感性的理解缩短惰性期就是帮助司机尽快进入控车状态。从列车惰性期运行拓扑图中知道常态开灯的CBTC 系统提供的地面信号显示有助于司机实现前述目的。3个环节常态开灯都优于常态灭灯，3 要素是乘积关系，开、灭灯对乘积值是相关，开灯对3 个要素都是正相关，开灯增大了3 环节的安全可靠性，开灯模式能缩短惰性运行期，常态开灯的CBTC 模式安全可靠性大于常态灭灯的CBTC 模式。

从图6 知道LKJ 模式的可靠性值为R2，影响R2的因素（如图5 所示）Rk1≥Rm1，Rk2≥Rm2，Rk3≥Rm3，则Rk=Rk1× Rk2× Rk3，Rm=Rm1×Rm2×Rm3，即R2开灯大于灭灯。

理性的计算Rk≥Rm，常态开灯的CBTC 模式安全可靠性大于常态灭灯的CBTC 模式。

5 结束语

增加L 闪解决了常态开灯时，由于点灯环节故障造成的红灯与移动授权冲突问题，以上分析证明重载移动闭塞常态开灯模式安全可靠性大于常态灭灯的模式，应在重载移动闭塞系统中推荐常态开灯信号显示方式。