CBTC后備模式計軸設備工作原理和復位方式簡介

任善虎

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

CBTC后備模式計軸設備工作原理和復位方式簡介

任善虎

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

后備模式是城市軌道交通信號系統在設備故障時降級運行、保證故障列車安全退出運營、保持運營效率的一種手段。介紹基于通信的列車控制（CBTC）信號系統的3種常用后備模式。計軸作為列車占用檢測設備，是后備模式下的關鍵設備，重點介紹應用于上海地鐵線路的2種計軸產品。

CBTC；后備模式；計軸設備

在IEEE1474國標中，是這樣定義CBTC系統的：“一種以列車定位為基礎的車輛和地面數據交互安全管理控制系統”。應該看到，由于高水平的無線通信技術在列車自動控制（ATC）系統中的有效應用，使得該系統具有支持車-地之間實時大數據通信的能力。其中的車載系統能夠肩負更多的信息處理責任，具有制動曲線快速計算功能，為列車間隔的進一步縮短提供有效的數據支持，已經成為當前軌道交通信號系統的熱點課題之一。

基于運營安全及項目建設實際情況考慮，目前各個城市的軌道交通信號系統均采用CBTC系統加后備模式的系統制式。后備模式的設置主要是出于以下應用場景的考慮:1）線路初始階段，在尚未形成完備的CBTC環境情況下，在過渡階段采用后備模式來保障車輛運行的安全性；2）針對部分尚未安裝車載設備的列車，需要通過站臺值班員來重新觀察、界定其運行的區間的占用情況，為作業效率的提升提供必要支持；3）車-地通信設備故障(如：軌旁區域控制器ZC故障或車載控制單元OBCU故障)，而并沒有破壞原有聯鎖狀態的情況下，客觀上要求有必要的運行狀態來保證運行安全，提供良好性能水平的系統來使故障盡快排除，恢復系統正常運營。

1 后備模式的制式

當前階段，在我國城市軌道交通中較為常見的后備模式包括如下3種類型。

1.1 輔助的列車位置檢測系統

此種類型在劃分計軸區段，用于保障未安裝車載設備及車-地通信故障列車的占用檢測方面應用較為常見。調度及車站值班人員可以從ATS界面上直觀的確認該列車的占用、出清情況，通過站間電話閉塞方式，指揮故障列車退出運營及晚間施工工程車作業。

該制式簡單，所需設備少，成本低；但不具備超速防護功能，完全靠人工指揮調度列車運營，運營效率低。

1.2 站間自動閉塞系統

該制式在全線配置計軸設備和信號機，由計算機聯鎖（CBI）及計軸區段組成區間自動閉塞系統，通過聯鎖控制來保障固定閉塞狀態下的有效控制。

由于增加了地面信號機，列車運行以地面信號顯示為主體信號，可以實現非通信列車與正常通信列車的混合運營，相比制式1，提高了運營效率。不過由于此類型實際上并未涵蓋ATP設備，因此在超速防護方面并不能起到應有的作用，只能通過人工控制的方式來保證故障車的運行安全?；谏鲜銮闆r，這一類型系統也不應作為一種常態的運營制式使用，只能作為一種應急的降級備用模式使用。

1.3 點式ATP防護系統

該制式在全線配置計軸設備、信號機及點式ATP設備（包括地面應答器和車載查詢應答器）。地面應答器為車載控制模塊提供地面行車信息，并結合列車自身的實際運作信息，經過實時計算獲得速度監控數據，為信號機之間速控功能的實現提供必要數據支持。司機按照司機操作面板上指示的最大允許速度來行車，當出現超速情況時，列車實行緊急制動，從而保障列車運行安全。

圖1為速度監控曲線在實際應用過程中的實例，在非感應環線的限速區列車行車速度監控工作中可經常性見到。通過對圖1中間段的分析可以發現，該曲線提供了如下4個方面的信息。

v0：所允許的最高列車速度。

圖1 點式列車超速防護系統的速度監控曲線

v2：在該狀態下，車載中央控制單元將會給出聲頻報警信號，如果司機按照規定對列車的行車速度進行控制，那么將恢復正常。

v3：在該狀態下，控制單元將會主動制動，將車速直接降低到v0狀態。如果該型號車載設備具備自動緩解功能，那么減速后將會恢復到正常狀態。反之，則將在繼續緩行一段時間后停車，經過駕駛人員人工手動啟動重新開車。

V5：在該狀態下，將會直接進入緊急制動狀態，車載設備發出緊急制動信號，短時間內完成列車的停車操作，確保在危險點之前完成這一系列動作。

點式ATP防護系統，不僅可以當做CBTC系統的后備模式，同樣也可直接作為一種運營模式投入使用，目前已被廣泛采用。

2 計軸設備在后備模式的應用

由上分析可知，目前無論采用何種制式的后備模式，都離不開計軸設備。眾所周知，計軸設備是鐵路信號系統中用來檢測列車位置的裝置，早在20世紀20年代開始在歐洲鐵路使用。由于電氣化鐵路的牽引電流回流與軌道電路共用一個通道，強電流對弱電流的干擾是不可避免的。隨著電力機車變流控制技術的發展，牽引電流對軌道電路的干擾影響越來越大。此外，軌道電路的工作狀態還嚴重依賴于道床漏隙，在道床電阻很低的場合，無論何種軌道電路都無法正常工作?；诖?，計軸設備應運而生。

2.1 計軸設備工作原理

作為當前一種應用范圍相對廣泛的區間占用計算設備，其基本原理是通過對傳感器所提供的區間軸數的計量和分析，通過計算出來的軌道區段內車軸數來判斷軌道區段的實際狀態。當駛入軸數和駛出軸數相同的情況下，該區段內為空閑狀態，而當這兩個數據不同時，這一區段實際上占用（區段內軸數大于零）或受擾（區段內軸數小于零）。下面對該技術在實際應用過程中的2種常見方法進行更為詳細的介紹。

2.2 輪輻式計軸

下面以上海地鐵6、7、8、9、11號線的泰雷滋AzLM輪幅式計軸為例作簡要介紹。

輪幅式計軸的拾取采用調相、調幅方式，室外鋼軌上裝有發送、接收磁頭。如果出現通過列車，那么以鑄鐵為主要材料的車輪將會對此范圍內的磁力線進行往復切割，從而導致接收端所接收的磁場強度出現明顯改變，以此為基礎就可順利獲得輪對通過計軸磁頭的具體數據。該系統的主要部件包括發射和接收磁頭2個方面的內容。一般情況下，行車過程將會按照SK1磁頭、SK2磁頭的順序進行切割，而在包括回庫之類的特殊狀態下，切割順序將會發生改變。計軸數量方法：在行車過程中，對高頻磁頭進行切割的過程中，將會在系統中形成記錄。而磁頭和單元盒相連的EAK對脈沖信號進行調制解調后，傳輸信號給室內控制設備和計軸評估機柜ACE的數據電源耦合單元PDCU，該單元將會對所接收到的信號進行簡單處理，傳送到ACE機柜中，其中串口板所具有的兩個PDCU可提供2組磁頭信息的通信功能。串口板將所負責的每組磁頭的方向數據和輪對數數據提交CPU模塊，然后核心CPU模塊就可以此為基礎來計算出各個軌道區段的軸數，然后將區段狀態（占用、空閑、受擾）信息發送給并口板。ACE再把所控區域內的所有計軸區段狀態發送給聯鎖機柜CBI。

2.3 輪緣式計軸

下面以應用于上海張江試驗線的奧地利福豪盛公司生產的ACS2000產品為例作簡要介紹。

輪緣式計軸在實際應用過程中，并不要求必需有電子盒作為輔助支持，可直接通過電磁振蕩的方式傳遞信號。此類型傳感器所利用的基本原理是磁力線偏轉原理，通過對列車車輪邊緣的檢測來獲取相關數據信息。而在該設備所使用的發送、接收磁頭方面，采用一體化設計方案，當傳感器上方或者下方出現金屬物體時，傳感器的磁感應強度將會出現明顯的變化，而以此為基礎可以對車輪輪緣進行有效的檢測并形成完整數據用于對傳感器位置的檢測。在行車狀態下，車輪所對應的線圈分別對應室內系統的時序，以此為基礎獲得列車的行車方向信息，而通過對系統1和系統2的阻尼范圍數據分析，并進行軸數的計算。當出現傳感器松動、脫落情況，將會導致系統持續阻尼的存在，這是檢測安裝有效性和設備完整度的重要依據。EB 板初步處理實時數據后，向ACB板傳送。ACB板主體是一個二乘二取二計算板面，對所處區間的實時運行狀態進行監控和計算，為調度員提供調度信息。

2.4 輪緣式傳感器特點

1）具有很高的可靠性和良好的抗干擾性能，受干擾范圍小。采用電磁感應，有源傳感器，檢測車輛輪緣引起的磁場變化，工作可靠；電磁傳感器采用恒流電源供電，電流環輸出方式傳輸磁場變化狀態，抗干擾能力極強；采用二取二微處理器進行計數和邏輯運算，采用校驗、回采等方式，安全性高。

2）室外傳感器直接傳輸電流信號給室內，傳感器和室內主機采用電纜直接連接，鋼軌上的傳感器到室內主機的傳輸距離可達10 km，檢測點無需地線，節約成本。不需要安裝EAK，這對降低檢修人員的工作強度有著非常重要的現實意義。

3）卡具式安裝方式相對簡單，對于降低后期維護、檢修工作量有一定的積極意義，同時檢修過程完全可在室內完成，并不會對軌道本身進行破壞性檢測。

4）系統具有故障弱化功能，每個區段的故障對于其他區段的正常運行不會造成直接影響。

5）預復位和強制復位模式的應用，有效提升系統的總體安全度水平，同時也可根據實際需求靈活操作。

2.5 計軸復位方式簡介

計軸區段受擾情況在現階段計軸設備的應用過程中較為常見，通常情況下需要進行人工復位。而如歐洲的發達國家，當前階段已經廣泛實現了預復位的設計，值得我們學習。

計軸區段預復位后，區段內軸數清零，狀態顯示為待清掃狀態，需要到室外進行清掃（低速列車清掃或者人工用模擬輪清掃，清掃必須由區段一邊進入，從另外一邊出去），清掃沒有問題后，室內待清掃計軸區段方可變為空閑狀態。

預復位可以通過以下方式實現：

*通過ACE并口板上鑰匙和復位按鈕實現。例如上海地鐵6、8、9號線，其操作方法為：按壓復位按鈕的同時把鑰匙開關向右側旋轉2～10 s，并口板上會有相應指示燈指示是否復位成功。該種預復位簡單、安全可靠，由通號維護人員在信號機房內ACE面板上操作，但對于突發搶修的故障處理，會存在處理不及時的問題。

*通過ATS軟件實現。例如上海地鐵7、11號線，擁有區域控制權的本地操作員通過ATS選取受擾的計軸區段，發送該計軸區段預復位命令給PLC，每個區域有一個PLC，安裝在ATS機柜或計軸機柜內，通過以太網與ATS進行通信。每個PLC由1個CPU和3個輸出模塊組成，對于ATS的預復位命令請求，PLC激活兩路輸出，驅動ACE相關計軸區段繼電器，使相關計軸區段軸數清零。由于ATS系統是非安全的，PLC本身也是非安全的設備，因此該種預復位方式存在很大安全風險，只能作為一種權宜之計，而非長久之計。

*通過車控室的IBP盤硬件實現。對應每個區段（并行I/O板）連接外設在車控室IBP盤上的復零按鈕，當需要進行預復零時，操作人員在IBP盤上按壓“總預復零”+“相應故障區段”按鈕，執行相應區段預復零命令。復位按鈕加鉛封，這種做法類似6502中的故障區段解鎖按鈕盤。這一方案在實際應用過程中，不僅能夠保證故障狀態下預復位工作及時進行，同樣也對非安全器件的種種隱患有效防護。目前，該方案還沒有在上海地鐵已運營線路上實施，將來可以考慮。

考慮計軸故障對運營的影響，尤其是在后備模式下對運營影響相當大。因此，信號維護人員可以申請登記強制復零操作，行車人員在確認故障區段無車占用的情況下，信號維護人員在計軸機柜內進行相應區段的強制復零操作，將系統恢復到原來狀態。

ACS2000計軸設備在設計過程中采用歐標，從故障的實際情況出發，設置了不同的安全等級， “預復位”和“復位”2 擋的設置，極大地提高了設備的管理靈活性。在軌道區間行駛過程中，由于安全等級相對較高，因此必須“預復位”，再“復位”才能夠為系統功能的正常發揮提供支持；而在機車車輪駛出軌道區段時，安全等級就會相對降低一些，只要進行“復位”操作即可完成對系統的復位。對應每個區段，在計軸主機柜正面都設置有鑰匙開關，信號維護人員可通過該鑰匙開關執行強制復零命令。鑰匙插入孔位后，鑰匙先轉向左邊停留500 μs以上；再倒回中間，停留500 μs以上；再轉向右邊，停留500 μs以上；最后鑰匙回到中間位置。拔出鑰匙后，完成對該區段強制復位。在計軸設備恢復正常后，故障消除，調度可正常組織行車。

3 結語

在當前鐵路信號設備快速發展過程中，CBTC及其后備模式得到極大提升，整體性能和適用性也被極大的加強。在城市軌道交通的發展過程中，對此類型設備的依賴性日益加強。但是其整體運行效率、技術水平、穩定程度和性能指標并不能從真正意義上滿足實際使用需求，因此成為當前信號領域亟待完善的一項重要課題，得到了社會各界的廣泛關注和重視。通過對后備模式的深入分析，可從實際的運營需求出發，采用不同的策略。從功能需求和經濟角度出發，而不能過度地強調性能指標。如果后備式系統的整體復雜度過高，不僅不利于軌旁設備的減少，同樣會導致初期運營維護成本的大幅度提升，失去其原有優勢。

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[5]王力.計軸設備在軌道交通信號領域的應用[J].鐵道通信信號，2011，47（1）：20-22.

When signal equipment faults in urban rail transit, the fallback mode of CBTC system will be used in degraded operation to ensure the failed train to exit safely and keep certain operation ability. The paper presents three kinds of common fallback modes of the CBTC system. The axle counter, as train detection equipment, is key equipment in fallback mode. The paper mainly introduces two kinds of axle counter products used in Shanghai metro lines.

CBTC; fallback mode; axle counter

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.016

2014-12-02）