顧家泉 李立明

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上海；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，200235，上?！蔚谝蛔髡?，助理工程師）

信標(biāo)是CBTC（基于通信的列車控制）信號(hào)系統(tǒng)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)備，無論是CBTC 的主用模式還是后備模式，都必須依靠信標(biāo)在特定的位置向車載設(shè)備發(fā)送軌旁信息。由于初期我國普速及高速鐵路都采用歐式信標(biāo)（應(yīng)答器），早期投入使用的CBTC信號(hào)系統(tǒng)也采用歐式信標(biāo)，因此，美式信標(biāo)作為在CBTC信號(hào)系統(tǒng)中新近引進(jìn)的信號(hào)設(shè)備，值得進(jìn)行深入研究［1］。

1 美式信標(biāo)概述

信標(biāo)是設(shè)置在鋼軌中央的被外殼保護(hù)的電路板，其內(nèi)部存儲(chǔ)著預(yù)先定義的信息。當(dāng)列車經(jīng)過信標(biāo)時(shí)，列車天線位于信標(biāo)上方，通過電磁感應(yīng)原理將電磁能量送入信標(biāo)內(nèi)部電路，信標(biāo)開始工作，將內(nèi)部存儲(chǔ)的信息不斷地發(fā)送出去，被列車天線所接收后通過解碼，成為控制車載設(shè)備運(yùn)行的軌旁數(shù)據(jù)。

當(dāng)前信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)用的信標(biāo)按制造標(biāo)準(zhǔn)可以分為歐式信標(biāo)和美式信標(biāo)。每類信標(biāo)又可根據(jù)是否由外部供電可分為無源信標(biāo)（靜態(tài)信標(biāo)）和有源信標(biāo)（動(dòng)態(tài)信標(biāo)）。無源信標(biāo)用于列車定位初始化和重定位，對(duì)外發(fā)送信息固定不變；有源信標(biāo)在CBTC 后備模式下向車載設(shè)備傳送信號(hào)機(jī)、道岔等軌旁設(shè)備狀態(tài)信息，對(duì)外發(fā)送信息由聯(lián)鎖進(jìn)行控制。

美式無源信標(biāo)傳送的是該信標(biāo)的識(shí)別號(hào)（ID），一般是60 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量上相比發(fā)送1 023位二進(jìn)制數(shù)據(jù)報(bào)文的歐式無源信標(biāo)大大減少。美式有源信標(biāo)只有被激活和未激活兩種狀態(tài)，根據(jù)故障－安全原則，激活態(tài)對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)側(cè)信息，如信號(hào)開放、道岔開通定位等；未激活態(tài)對(duì)應(yīng)安全側(cè)信息，如信號(hào)關(guān)閉、道岔開通反位等，當(dāng)有源信標(biāo)發(fā)生通信中斷、電源失電等非正常情況時(shí)，信標(biāo)也被置于未激活狀態(tài)。

美式有源信標(biāo)被封裝在專用的信標(biāo)盒內(nèi)，信標(biāo)盒可以容納2個(gè)或3個(gè)不同類型的有源信標(biāo)，當(dāng)一處被布置的信標(biāo)數(shù)量大于信標(biāo)盒可以容納的數(shù)量時(shí)，可以同時(shí)布置多個(gè)信標(biāo)盒以允許放置足夠數(shù)量的信標(biāo)。與美式信標(biāo)不同的是，歐式有源信標(biāo)和無源信標(biāo)可以相互通用，當(dāng)通信正常時(shí)有源信標(biāo)將發(fā)送軌旁電子單元（LEU）發(fā)送過來的報(bào)文，通信失敗時(shí)將發(fā)送自身存儲(chǔ)的默認(rèn)報(bào)文［2］。

2 無源信標(biāo)應(yīng)用分析

在預(yù)先定義車載設(shè)備的數(shù)據(jù)庫中，包含所有無源信標(biāo)的識(shí)別號(hào)和坐標(biāo)位置。列車初始化定位的過程是：經(jīng)過第一個(gè)無源信標(biāo)時(shí)，根據(jù)收到的信標(biāo)識(shí)別信息對(duì)應(yīng)到車載數(shù)據(jù)庫中確定絕對(duì)位置，經(jīng)過連續(xù)的第二個(gè)無源信標(biāo)時(shí)，比照車載數(shù)據(jù)庫中兩無源信標(biāo)的相對(duì)位置，從而獲得運(yùn)行方向，初始化定位過程結(jié)束。列車在運(yùn)行中依靠自身的測(cè)速測(cè)距裝置定位，當(dāng)經(jīng)過無源信標(biāo)時(shí)，重新校準(zhǔn)自身的定位，這樣的過程稱為重定位。當(dāng)列車沒有檢測(cè)到連續(xù)的兩個(gè)無源信標(biāo)或是檢測(cè)到與車載數(shù)據(jù)庫不符的意外信標(biāo)時(shí)，將會(huì)失去定位并緊急制動(dòng)［3］。

3 有源信標(biāo)應(yīng)用分析

在CBTC 信號(hào)系統(tǒng)后備模式下，通過對(duì)有源信標(biāo)不同方式的運(yùn)用，可以構(gòu)成冒進(jìn)防護(hù)式和點(diǎn)式防護(hù)兩種列車運(yùn)行控制方式。

3.1 冒進(jìn)防護(hù)式

冒進(jìn)防護(hù)式應(yīng)用于自儀泰雷茲的CBTC 信號(hào)系統(tǒng)，遵循的是固定閉塞的工作原理，車載設(shè)備生成的速度限制曲線只考慮土建限速和道岔限速。當(dāng)列車冒進(jìn)紅燈時(shí)，車載設(shè)備自動(dòng)施加緊急制動(dòng)，且列車停穩(wěn)后必須重初始化。

該方式下的有源信標(biāo)分為信號(hào)機(jī)信標(biāo)和進(jìn)路信標(biāo)，分別與信號(hào)機(jī)和對(duì)向道岔相關(guān)聯(lián)。每個(gè)信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)一組信號(hào)機(jī)信標(biāo)，每組信標(biāo)含兩個(gè)相同的信標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)列車裝設(shè)在車頭和車尾的天線。信號(hào)機(jī)信標(biāo)根據(jù)關(guān)聯(lián)信號(hào)機(jī)的不同顯示，還可以分為綠燈信標(biāo)，白燈信標(biāo)和線路運(yùn)行方向上的對(duì)向道岔對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)路信標(biāo)。

兩站間有源信標(biāo)的典型布置如圖1所示。X1是甲站的出站信號(hào)機(jī)，X2、X3分別是乙站的進(jìn)站、出站信號(hào)機(jī)。X1 與 X2 間構(gòu)成 Block1，X2 與 X3間構(gòu)成Block2。B1LA，B1LB是與X1關(guān)聯(lián)的一組有源信標(biāo)，B2LA，B2LB 是與 X2 關(guān)聯(lián)的一組有源信標(biāo)，B3LA，B3LB是與X3關(guān)聯(lián)的一組有源信標(biāo)。由于X1、X2、X3都是紅綠兩顯示結(jié)構(gòu)，所以關(guān)聯(lián)的有源信標(biāo)都是綠燈信標(biāo)。

圖1 冒進(jìn)防護(hù)式兩站間有源信標(biāo)的典型布置圖

當(dāng)信號(hào)機(jī)點(diǎn)亮綠燈時(shí)，關(guān)聯(lián)的一組內(nèi)的2個(gè)信標(biāo)被激活，發(fā)送特定頻率的信息；當(dāng)信號(hào)機(jī)點(diǎn)亮紅燈時(shí)，關(guān)聯(lián)的有源信標(biāo)不會(huì)被激活。列車根據(jù)車載數(shù)據(jù)庫會(huì)在一個(gè)預(yù)先定義的窗口內(nèi)檢測(cè)有源信標(biāo)發(fā)送的特定頻率信息，若該信息未被檢測(cè)到，則判斷列車冒進(jìn)了紅燈信號(hào)機(jī)，立刻實(shí)施緊急制動(dòng)。聯(lián)鎖控制防護(hù)列車占用閉塞分區(qū)及相鄰的后一分區(qū)的信號(hào)機(jī)點(diǎn)亮紅燈，其余信號(hào)機(jī)點(diǎn)亮綠燈，構(gòu)成“雙紅燈防護(hù)”。即使列車冒進(jìn)信號(hào)機(jī)，列車開始實(shí)施緊急制動(dòng)后將在前一列車所占用閉塞分區(qū)的相鄰分區(qū)內(nèi)停住，不會(huì)進(jìn)入前一列車所占用區(qū)段內(nèi)，確保了列車間隔。如列車在Block2，X1顯示紅燈，當(dāng)后續(xù)列車冒進(jìn)X1時(shí)，車載設(shè)備實(shí)施緊急制動(dòng)使得后續(xù)列車在Block1內(nèi)停住。

此外，當(dāng)乙站站臺(tái)區(qū)域關(guān)閉時(shí)，乙站的進(jìn)站、出站信號(hào)機(jī)都會(huì)點(diǎn)亮紅燈，而X2到乙站入口處存在一定的防護(hù)距離，使得列車冒進(jìn)X2后實(shí)施緊急制動(dòng)后能夠在乙站外停住，確保站臺(tái)區(qū)域的安全。

當(dāng)列車運(yùn)行方向上存在道岔時(shí)，如圖2所示，對(duì)于防護(hù)相對(duì)列車運(yùn)行方向?yàn)閷?duì)向道岔的信號(hào)機(jī)而言，存在紅、白、綠3種顯示，此時(shí)與X1信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的一組有源信標(biāo)需要綠燈信標(biāo)B1L 和白燈信標(biāo)B1B兩類，通過發(fā)送不同的頻率信息以供車載設(shè)備進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)?shù)啦黹_通正向時(shí)，綠燈信標(biāo)被激活，列車獲得正向限速；當(dāng)?shù)啦黹_通側(cè)向時(shí)，白燈信標(biāo)被激活，列車獲得側(cè)向限速；當(dāng)?shù)啦砦撮_通時(shí)，兩個(gè)信標(biāo)都處于未激活狀態(tài)，信標(biāo)作為紅燈冒進(jìn)防護(hù)。

圖2 列車對(duì)向過岔有源信標(biāo)布置圖

由于側(cè)向限速相對(duì)較低，車載設(shè)備默認(rèn)在到達(dá)道岔前將控制列車減速到側(cè)向限速以下。為提高正向過岔的效率，在距離線路正方向的對(duì)向道岔的一定距離設(shè)置進(jìn)路信標(biāo)。在圖2中，B1JL即為與道岔及其防護(hù)信號(hào)機(jī)X1關(guān)聯(lián)的進(jìn)路信標(biāo)。當(dāng)關(guān)聯(lián)的道岔已開通正向時(shí)，進(jìn)路信標(biāo)被激活，車載設(shè)備可以提前提高限速使得列車可以高速通過道岔。當(dāng)?shù)啦硖幱陂_通側(cè)向或未開通狀態(tài)時(shí)，進(jìn)路信標(biāo)不會(huì)被激活，列車按默認(rèn)程序控制限速。

對(duì)于防護(hù)相對(duì)列車運(yùn)行方向?yàn)轫樝虻啦淼男盘?hào)機(jī)而言，如圖3所示，根據(jù)信號(hào)機(jī)防護(hù)的道岔開通方向，布置綠燈信標(biāo)或白燈信標(biāo)。

圖3 列車順向過岔有源信標(biāo)布置圖

需要指出的是，道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)開放允許信號(hào)除了要考慮所防護(hù)道岔的狀態(tài)，也需要符合“雙紅燈防護(hù)”的列車間隔原則。對(duì)于處于車站進(jìn)站、出站位置的道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)，將直接作為車站進(jìn)站、出站信號(hào)機(jī)，其開放允許信號(hào)時(shí)還將考慮站臺(tái)區(qū)域的狀態(tài)［4］。

3.2 點(diǎn)式防護(hù)

點(diǎn)式防護(hù)應(yīng)用于浙大網(wǎng)新的CBTC 信號(hào)系統(tǒng)，遵循的是準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的工作原理。車載設(shè)備速度限制曲線根據(jù)信號(hào)機(jī)狀態(tài)、道岔限速以及土建限速結(jié)合生成。車載設(shè)備通過一個(gè)開放的信號(hào)機(jī)后給出到下一個(gè)信號(hào)機(jī)的移動(dòng)授權(quán)，并控制列車只能以很低的速度接近下一個(gè)信號(hào)機(jī)以讀取與該信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的有源信標(biāo)狀態(tài)；當(dāng)下一個(gè)信號(hào)機(jī)關(guān)閉時(shí)，車載設(shè)備實(shí)施緊急制動(dòng)。

該方式下有源信標(biāo)可分為主體信標(biāo)和復(fù)示信標(biāo)，主體信標(biāo)設(shè)在信號(hào)機(jī)旁，與信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)，并根據(jù)信號(hào)機(jī)燈位確定信標(biāo)數(shù)量，與同一信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的多個(gè)信標(biāo)防護(hù)不同限速的進(jìn)路。復(fù)示信標(biāo)設(shè)在主體信標(biāo)前的一定距離，復(fù)示主體信標(biāo)的狀態(tài)，令列車提前加速。

兩站間不存在道岔時(shí)，有源信標(biāo)的典型布置如圖4所示。X1是甲站的出站信號(hào)機(jī)，X2是乙站的出站信號(hào)機(jī)。B1是與X1關(guān)聯(lián)的主體信標(biāo)，B2是與X2關(guān)聯(lián)的主體信標(biāo)。軌道區(qū)段被劃分為G1、G2和G3，其中G1是由甲站與乙站組成的區(qū)間，G2是乙站站臺(tái)軌道區(qū)段，G1和G2組成被X1防護(hù)的閉塞分區(qū)Block1，G3是Block1的保護(hù)區(qū)段（overlap）。

圖4 點(diǎn)式防護(hù)兩站間有源信標(biāo)的典型布置圖

當(dāng) G1、G2 和 G3 都空閑時(shí)，X1 開放，B1被激活，車載設(shè)備越過激活的B1 時(shí)給出列車從X1 到X2的移動(dòng)授權(quán)；在接近X2時(shí)，車載設(shè)備生成限速曲線使列車減速，列車只被允許以低速越過B2。若X2開放，B2被激活，車載設(shè)備給出到下一個(gè)主體信標(biāo)處的移動(dòng)授權(quán)；若X2開放關(guān)閉，列車越過未被激活的B2 后，實(shí)施緊急制動(dòng)，并且列車將在Block1的保護(hù)區(qū)段G3內(nèi)停住，保證了列車的安全間隔。

一般而言，G3即為乙站與下一站所構(gòu)成的區(qū)間。當(dāng)站間距離過長時(shí)，在乙站與下一站所構(gòu)成的區(qū)間中單獨(dú)設(shè)立一個(gè)軌道區(qū)段作為Block1的保護(hù)區(qū)段。

由于正常運(yùn)營中列車本就需要站前減速，之后?？空九_(tái)供乘客乘降，所以列車速度限制曲線在X2前減速不會(huì)對(duì)正常運(yùn)營產(chǎn)生影響。

兩站間存在對(duì)向道岔時(shí)（甲站出站位置有岔除外），有源信標(biāo)的典型布置如圖5所示。X1是甲站的出站信號(hào)機(jī)，X2是道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)，X3 是乙站的出站信號(hào)機(jī)。B1是與X1關(guān)聯(lián)的主體信標(biāo)，B2、B3是與X2關(guān)聯(lián)的主體信標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)道岔的定反位。B2F、B3F分別是B2、B3的復(fù)示信標(biāo)，B4是X3關(guān)聯(lián)的主體信標(biāo)。軌道區(qū)段被劃分為G1、G2、G3和G4，其中G1 即Block1 是由甲站與道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)組成的區(qū)間，G2 是道岔軌道區(qū)段，G3 是乙站站 臺(tái) 軌 道 區(qū) 段，G2 和 G3 組 成 Block2，G4 是Block2的保護(hù)區(qū)段。當(dāng)G1、G2空閑時(shí)，X1開放，B1被激活，車載設(shè)備給出到X2的移動(dòng)授權(quán)。當(dāng)列車經(jīng)過B2F、B3F 時(shí)，若道岔開通定位，B2F 激活，車載設(shè)備生成通過X2的定位過岔曲線；若道岔開通反位，B3F激活，車載設(shè)備生成通過的X2反位過岔曲線；當(dāng)?shù)啦砦撮_通，X2關(guān)閉時(shí)，B2F、B3F 都不被激活，車載設(shè)備給出到X2的移動(dòng)授權(quán)，并允許列車以很低的速度接近B2、B3，以能夠獲得通過X2的授權(quán)。若列車經(jīng)過X2時(shí)，B2、B3還未被激活，車載設(shè)備施加緊急制動(dòng)。若列車通過X2后經(jīng)道岔定位，車載設(shè)備生成到X3的移動(dòng)授權(quán)，之后的控制方式與站間無岔情況相同［5］。

圖5 點(diǎn)式防護(hù)兩站間存在對(duì)向道岔時(shí)有源信標(biāo)布置圖

兩站間存在對(duì)向道岔時(shí)，與道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的主體信標(biāo)和對(duì)應(yīng)的復(fù)示信標(biāo)只各采用一個(gè)即可，如圖6所示。

圖6 點(diǎn)式防護(hù)兩站間存在順向道岔時(shí)有源信標(biāo)布置圖

當(dāng)出站位置存在道岔時(shí)，出站信號(hào)機(jī)的開放不僅需要所防護(hù)的閉塞分區(qū)和延續(xù)的保護(hù)區(qū)段空閑，也需要聯(lián)鎖條件被滿足。此時(shí)，由于列車本就需要減速?？寇囌?，無需再設(shè)置出站兼道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)主體信標(biāo)的復(fù)示信標(biāo)。

3.3 兩種列控方式比較分析

由于美式有源信標(biāo)不同的應(yīng)用原則，導(dǎo)致兩種列控方式在多個(gè)方面存在明顯的差異。

從安全性的角度看，兩種方式都可以確保列車的安全間隔。但冒進(jìn)防護(hù)式是一種事后防護(hù)，無法使得車載設(shè)備控制列車在關(guān)閉的信號(hào)機(jī)前采取減速措施，在信號(hào)機(jī)前方停住，這不利于體現(xiàn)信號(hào)機(jī)禁止信號(hào)的嚴(yán)肅性，長此以往司機(jī)會(huì)習(xí)慣性地認(rèn)為即使冒進(jìn)紅燈也不會(huì)發(fā)生安全問題，忽視信號(hào)機(jī)顯示對(duì)行車駕駛的約束。

從可靠性的角度來看，由于冒進(jìn)防護(hù)式與信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)的信標(biāo)按冗余備份設(shè)置，一組內(nèi)的單個(gè)信標(biāo)故障不會(huì)使得車載設(shè)備觸發(fā)制動(dòng)；而點(diǎn)式防護(hù)中信標(biāo)故障后車載設(shè)備只能觸發(fā)制動(dòng)并且重新初始化，一定程度上會(huì)對(duì)行車效率產(chǎn)生影響。

從提高運(yùn)輸效率的角度看，采用冒進(jìn)防護(hù)式，兩站間可以任意增加閉塞分區(qū)的數(shù)量，以減少列車占用分區(qū)的時(shí)間，提高運(yùn)輸效率。使用美式信標(biāo)的點(diǎn)式防護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)前以一個(gè)站間作為一個(gè)分區(qū)，若兩站間距離過長會(huì)對(duì)運(yùn)輸效率產(chǎn)生不利影響。但就使用歐式信標(biāo)的點(diǎn)式防護(hù)系統(tǒng)來看，在兩站間適當(dāng)增加閉塞分區(qū)及其保護(hù)區(qū)段是可行的［6］。

從列車駕駛的角度看，采用冒進(jìn)防護(hù)式的系統(tǒng)車載設(shè)備無法預(yù)先獲取前方信號(hào)機(jī)的狀態(tài)。司機(jī)在關(guān)注車載信號(hào)設(shè)備給出限速的同時(shí)，也必須時(shí)刻留意地面信號(hào)機(jī)的狀態(tài)。若前方信號(hào)機(jī)關(guān)閉時(shí)，需要司機(jī)自行控制列車減速以在信號(hào)機(jī)前方停住，防止冒進(jìn)；在主體信號(hào)機(jī)顯示距離不足時(shí)，必需增設(shè)1架甚至是兩架復(fù)示信號(hào)機(jī)提前預(yù)告主體信號(hào)機(jī)的狀態(tài)，大大增加了信號(hào)機(jī)的數(shù)量，增大了司機(jī)的工作強(qiáng)度。點(diǎn)式防護(hù)，由于設(shè)置了預(yù)告信標(biāo)，使得車載設(shè)備提前獲得道岔和信號(hào)機(jī)的狀態(tài)，形成控車曲線，確保列車在授權(quán)末端停住。因而可以增設(shè)ATO（列車自動(dòng)駕駛）模式。即使手動(dòng)駕駛也主要是根據(jù)車載信號(hào)控車，接近信號(hào)機(jī)或站臺(tái)發(fā)車前確認(rèn)其狀態(tài)即可，無需過度擔(dān)心冒進(jìn)信號(hào)的問題［7］。

4 結(jié)語

由于城市軌道交通CBTC 系統(tǒng)通常采用后備模式，行車時(shí)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐式信標(biāo)的最大數(shù)據(jù)傳輸容量，因此美式信標(biāo)是一個(gè)十分經(jīng)濟(jì)理想的選擇。相信隨著美式信標(biāo)在信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的增加，其將會(huì)更多地被選擇和使用。

［1］李向紅，李永善，曹進(jìn).高速鐵路中的查詢應(yīng)答器［J］.鐵道通信信號(hào)，2004（10）：5.

［2］上海申通地鐵集團(tuán)有限公司軌道交通培訓(xùn)中心.城市軌道交通信號(hào)技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［3］夏青.應(yīng)答器與測(cè)速組合定位在地鐵中的應(yīng)用［J］.鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2012（4）：51.

［4］徐金祥.城市軌道交通信號(hào)基礎(chǔ)［M］.北京：中國鐵道出版社，2010：71.

［5］邢紅霞，李樂.城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2013.

［6］周吉榮，付連著，萬曲波.后備模式下列車的追蹤能力［J］.鐵道通信信號(hào)，2013（8）：48.

［7］樊國林.移動(dòng)閉塞信號(hào)后備系統(tǒng)方案研究［J］.城市軌道交通研究，2014（2）：23.

［8］王琰.基于通信的列車控制系統(tǒng)后備系統(tǒng)的探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007（6）：134.