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(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，隨著移動閉塞列車控制技術(shù)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(shù)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(yīng)用的CBTC系統(tǒng)絕大多數(shù)都配置輔助列車檢測設(shè)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(hù)方案中的重要檢測手段。在CBTC系統(tǒng)中，計軸設(shè)備仍然為SIL4級安全設(shè)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(shè)備不應(yīng)影響CBTC系統(tǒng)的安全及效率，但考慮到車載設(shè)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(shè)備和計軸設(shè)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(shè)備。如果計軸設(shè)備發(fā)生故障，而又有非通信障礙物存在，ATP(列車自動保護(hù))設(shè)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(shè)備故障或計軸數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯誤，應(yīng)有安全和切實可行的故障恢復(fù)措施，或通過安全操作予以恢復(fù)，系統(tǒng)能確定的計軸設(shè)備故障不應(yīng)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(gòu)的差異性，在CBTC模式下容忍其計軸設(shè)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(fù)雜。

根據(jù)實際運營經(jīng)驗和分析，對計軸設(shè)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(shè)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(shè)計原理中對計軸設(shè)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(shè)計思路，仍然需要認(rèn)真評估和驗證，以確保其設(shè)計安全性和滿足可靠性、可用性。

2 計軸設(shè)備故障影響分析

CBTC系統(tǒng)中，通過結(jié)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(shè)備通過讀取軌旁信標(biāo)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(zhǔn)確位置來追蹤列車，并與計軸設(shè)備報告的固定區(qū)段占用/空閑狀態(tài)進(jìn)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(jìn)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(shè)備故障的結(jié)果是計軸區(qū)段受擾，是指計軸系統(tǒng)因計軸設(shè)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(yù)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(shè)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(jìn)行安全邏輯分析。如果判斷結(jié)果為實際上無列車占用，則認(rèn)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(zhǔn)確位置，因此受擾區(qū)段將被認(rèn)為是“未清掃的非通信障礙物(Unswept NCO)”，成為移動授權(quán)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(fù)的故障。只要非通信列車不進(jìn)入此區(qū)段或者相鄰區(qū)段，系統(tǒng)將認(rèn)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(jìn)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(shè)備故障影響

在折返區(qū)域，道岔區(qū)段受擾將導(dǎo)致聯(lián)鎖系統(tǒng)激活相應(yīng)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(jìn)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(jìn)而影響在此折返區(qū)域進(jìn)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(jìn)行操作，并結(jié)合計軸預(yù)復(fù)位的流程操作，快速恢復(fù)計軸設(shè)備故障和正常運營。

3 計軸設(shè)備故障處理操作

如何既能保證安全，又方便、快捷地復(fù)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(fù)手段是：對受擾區(qū)段先進(jìn)行預(yù)復(fù)位；然后，通過列車清掃，或使用專用計軸清掃設(shè)備(車輪模擬器)，通過完成進(jìn)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(fù)正?？臻e。

預(yù)復(fù)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(yù)復(fù)位，車控室按鈕盤預(yù)復(fù)位，ATS遠(yuǎn)程預(yù)復(fù)位+車控室按鈕確認(rèn)，ATS遠(yuǎn)程預(yù)復(fù)位+聯(lián)鎖系統(tǒng)使能確認(rèn)。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(quán)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(yīng)根據(jù)不同的計軸設(shè)備故障發(fā)生的情況和區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?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(biāo)記為受擾，為“Swept NCO”。為了恢復(fù)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(yù)復(fù)位以及清掃：

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

(2)對計軸區(qū)段進(jìn)行預(yù)復(fù)位操作。如果支持遠(yuǎn)程復(fù)位，可以由行調(diào)操作ATS命令對計軸區(qū)段進(jìn)行預(yù)復(fù)位。

(3)計軸主機接受復(fù)位信號后執(zhí)行區(qū)段預(yù)復(fù)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(fù)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(biāo)記為“Unswept NCO”。為了恢復(fù)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(yù)復(fù)位以及清掃：

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

(2)對計軸區(qū)段進(jìn)行預(yù)復(fù)位操作。如果支持遠(yuǎn)程復(fù)位，可以由行調(diào)操作ATS命令對計軸區(qū)段進(jìn)行預(yù)復(fù)位。

(3)計軸主機接受復(fù)位信號后執(zhí)行區(qū)段預(yù)復(fù)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(fù)正常。

假設(shè)清掃后計軸區(qū)段仍報告受擾，則可能是預(yù)復(fù)位沒有成功，或者計軸出現(xiàn)不可恢復(fù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)路的辦理，除了常規(guī)的計軸區(qū)段預(yù)復(fù)位操作外，還需要適當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的道岔安全操作。

如果在故障恢復(fù)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(dāng)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(yù)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(jié)束后，過岔鎖閉功能將恢復(fù)激活。如果計軸設(shè)備故障未被及時恢復(fù)，或未及時進(jìn)行計軸區(qū)段預(yù)復(fù)位操作，當(dāng)為下趟列車排進(jìn)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(fù)的故障，通常情況下在對道岔區(qū)段進(jìn)行預(yù)復(fù)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(fù)故障。但是，如果運營中發(fā)生了不可恢復(fù)的計軸設(shè)備持續(xù)故障，并且非通信列車進(jìn)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(shè)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(shè)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(guān)道岔區(qū)段(G1、G2)變?yōu)檎加脿顟B(tài)，相應(yīng)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(shù)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(yán)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(jìn)方案。

4.1 關(guān)鍵區(qū)段冗余配置和計軸點復(fù)用

為提高計軸設(shè)備的可用性，將兩臺ACE主機對折返區(qū)域關(guān)鍵道岔區(qū)段(G1、G2、G3、G4)進(jìn)行相互冗余控制，當(dāng)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(guān)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(jìn)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(yù)復(fù)位命令后，當(dāng)檢測到列車通過相應(yīng)的區(qū)段后，區(qū)段狀態(tài)完成清掃變?yōu)榭臻e，恢復(fù)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(guān)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(shè)備，但其實現(xiàn)方式相對復(fù)雜。

在室外需要將關(guān)鍵區(qū)段相關(guān)聯(lián)的計軸點信息進(jìn)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(fù)位

在冗余配置情況下，兩臺計軸主機應(yīng)同時實現(xiàn)對特定區(qū)段的預(yù)復(fù)位功能。在ATS界面上操作遠(yuǎn)程預(yù)復(fù)位后，ATS對計軸主機A和B中的冗余軌道區(qū)段對應(yīng)的故障占用并口板發(fā)送預(yù)復(fù)位命令，完成對故障區(qū)段的預(yù)復(fù)位操作。只有相應(yīng)區(qū)段故障的計軸主機會執(zhí)行預(yù)復(fù)位命令，而工作正常、區(qū)段無故障的計軸主機在收到預(yù)復(fù)位信息時會拒絕此命令，不影響其正常工作。同時，必須在復(fù)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(yīng)對其進(jìn)行預(yù)復(fù)位操作。

對同一區(qū)段的預(yù)復(fù)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(yù)復(fù)位命令能被兩套主機執(zhí)行。

5 結(jié)語

在CBTC系統(tǒng)中，原則上計軸設(shè)備故障不影響通信列車的正常運行，但計軸區(qū)段設(shè)備故障的快速、及時恢復(fù)對完善整體運營管理和提高故障處理水平至關(guān)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(shè)備的現(xiàn)狀下，探討和研究計軸設(shè)備故障和應(yīng)用設(shè)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(guān)鍵計軸區(qū)段冗余配置方案，只需在原有設(shè)計基礎(chǔ)上增加少量的板卡，便可提高折返區(qū)域計軸設(shè)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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