CBTC后备模式计轴设备工作原理和复位方式简介

任善虎

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

CBTC后备模式计轴设备工作原理和复位方式简介

任善虎

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

后备模式是城市轨道交通信号系统在设备故障时降级运行、保证故障列车安全退出运营、保持运营效率的一种手段。介绍基于通信的列车控制（CBTC）信号系统的3种常用后备模式。计轴作为列车占用检测设备，是后备模式下的关键设备，重点介绍应用于上海地铁线路的2种计轴产品。

CBTC；后备模式；计轴设备

在IEEE1474国标中，是这样定义CBTC系统的：“一种以列车定位为基础的车辆和地面数据交互安全管理控制系统”。应该看到，由于高水平的无线通信技术在列车自动控制（ATC）系统中的有效应用，使得该系统具有支持车-地之间实时大数据通信的能力。其中的车载系统能够肩负更多的信息处理责任，具有制动曲线快速计算功能，为列车间隔的进一步缩短提供有效的数据支持，已经成为当前轨道交通信号系统的热点课题之一。

基于运营安全及项目建设实际情况考虑，目前各个城市的轨道交通信号系统均采用CBTC系统加后备模式的系统制式。后备模式的设置主要是出于以下应用场景的考虑:1）线路初始阶段，在尚未形成完备的CBTC环境情况下，在过渡阶段采用后备模式来保障车辆运行的安全性；2）针对部分尚未安装车载设备的列车，需要通过站台值班员来重新观察、界定其运行的区间的占用情况，为作业效率的提升提供必要支持；3）车-地通信设备故障(如：轨旁区域控制器ZC故障或车载控制单元OBCU故障)，而并没有破坏原有联锁状态的情况下，客观上要求有必要的运行状态来保证运行安全，提供良好性能水平的系统来使故障尽快排除，恢复系统正常运营。

1 后备模式的制式

当前阶段，在我国城市轨道交通中较为常见的后备模式包括如下3种类型。

1.1 辅助的列车位置检测系统

此种类型在划分计轴区段，用于保障未安装车载设备及车-地通信故障列车的占用检测方面应用较为常见。调度及车站值班人员可以从ATS界面上直观的确认该列车的占用、出清情况，通过站间电话闭塞方式，指挥故障列车退出运营及晚间施工工程车作业。

该制式简单，所需设备少，成本低；但不具备超速防护功能，完全靠人工指挥调度列车运营，运营效率低。

1.2 站间自动闭塞系统

该制式在全线配置计轴设备和信号机，由计算机联锁（CBI）及计轴区段组成区间自动闭塞系统，通过联锁控制来保障固定闭塞状态下的有效控制。

由于增加了地面信号机，列车运行以地面信号显示为主体信号，可以实现非通信列车与正常通信列车的混合运营，相比制式1，提高了运营效率。不过由于此类型实际上并未涵盖ATP设备，因此在超速防护方面并不能起到应有的作用，只能通过人工控制的方式来保证故障车的运行安全。基于上述情况，这一类型系统也不应作为一种常态的运营制式使用，只能作为一种应急的降级备用模式使用。

1.3 点式ATP防护系统

该制式在全线配置计轴设备、信号机及点式ATP设备（包括地面应答器和车载查询应答器）。地面应答器为车载控制模块提供地面行车信息，并结合列车自身的实际运作信息，经过实时计算获得速度监控数据，为信号机之间速控功能的实现提供必要数据支持。司机按照司机操作面板上指示的最大允许速度来行车，当出现超速情况时，列车实行紧急制动，从而保障列车运行安全。

图1为速度监控曲线在实际应用过程中的实例，在非感应环线的限速区列车行车速度监控工作中可经常性见到。通过对图1中间段的分析可以发现，该曲线提供了如下4个方面的信息。

v0：所允许的最高列车速度。

图1 点式列车超速防护系统的速度监控曲线

v2：在该状态下，车载中央控制单元将会给出声频报警信号，如果司机按照规定对列车的行车速度进行控制，那么将恢复正常。

v3：在该状态下，控制单元将会主动制动，将车速直接降低到v0状态。如果该型号车载设备具备自动缓解功能，那么减速后将会恢复到正常状态。反之，则将在继续缓行一段时间后停车，经过驾驶人员人工手动启动重新开车。

V5：在该状态下，将会直接进入紧急制动状态，车载设备发出紧急制动信号，短时间内完成列车的停车操作，确保在危险点之前完成这一系列动作。

点式ATP防护系统，不仅可以当做CBTC系统的后备模式，同样也可直接作为一种运营模式投入使用，目前已被广泛采用。

2 计轴设备在后备模式的应用

由上分析可知，目前无论采用何种制式的后备模式，都离不开计轴设备。众所周知，计轴设备是铁路信号系统中用来检测列车位置的装置，早在20世纪20年代开始在欧洲铁路使用。由于电气化铁路的牵引电流回流与轨道电路共用一个通道，强电流对弱电流的干扰是不可避免的。随着电力机车变流控制技术的发展，牵引电流对轨道电路的干扰影响越来越大。此外，轨道电路的工作状态还严重依赖于道床漏隙，在道床电阻很低的场合，无论何种轨道电路都无法正常工作。基于此，计轴设备应运而生。

2.1 计轴设备工作原理

作为当前一种应用范围相对广泛的区间占用计算设备，其基本原理是通过对传感器所提供的区间轴数的计量和分析，通过计算出来的轨道区段内车轴数来判断轨道区段的实际状态。当驶入轴数和驶出轴数相同的情况下，该区段内为空闲状态，而当这两个数据不同时，这一区段实际上占用（区段内轴数大于零）或受扰（区段内轴数小于零）。下面对该技术在实际应用过程中的2种常见方法进行更为详细的介绍。

2.2 轮辐式计轴

下面以上海地铁6、7、8、9、11号线的泰雷滋AzLM轮幅式计轴为例作简要介绍。

轮幅式计轴的拾取采用调相、调幅方式，室外钢轨上装有发送、接收磁头。如果出现通过列车，那么以铸铁为主要材料的车轮将会对此范围内的磁力线进行往复切割，从而导致接收端所接收的磁场强度出现明显改变，以此为基础就可顺利获得轮对通过计轴磁头的具体数据。该系统的主要部件包括发射和接收磁头2个方面的内容。一般情况下，行车过程将会按照SK1磁头、SK2磁头的顺序进行切割，而在包括回库之类的特殊状态下，切割顺序将会发生改变。计轴数量方法：在行车过程中，对高频磁头进行切割的过程中，将会在系统中形成记录。而磁头和单元盒相连的EAK对脉冲信号进行调制解调后，传输信号给室内控制设备和计轴评估机柜ACE的数据电源耦合单元PDCU，该单元将会对所接收到的信号进行简单处理，传送到ACE机柜中，其中串口板所具有的两个PDCU可提供2组磁头信息的通信功能。串口板将所负责的每组磁头的方向数据和轮对数数据提交CPU模块，然后核心CPU模块就可以此为基础来计算出各个轨道区段的轴数，然后将区段状态（占用、空闲、受扰）信息发送给并口板。ACE再把所控区域内的所有计轴区段状态发送给联锁机柜CBI。

2.3 轮缘式计轴

下面以应用于上海张江试验线的奥地利福豪盛公司生产的ACS2000产品为例作简要介绍。

轮缘式计轴在实际应用过程中，并不要求必需有电子盒作为辅助支持，可直接通过电磁振荡的方式传递信号。此类型传感器所利用的基本原理是磁力线偏转原理，通过对列车车轮边缘的检测来获取相关数据信息。而在该设备所使用的发送、接收磁头方面，采用一体化设计方案，当传感器上方或者下方出现金属物体时，传感器的磁感应强度将会出现明显的变化，而以此为基础可以对车轮轮缘进行有效的检测并形成完整数据用于对传感器位置的检测。在行车状态下，车轮所对应的线圈分别对应室内系统的时序，以此为基础获得列车的行车方向信息，而通过对系统1和系统2的阻尼范围数据分析，并进行轴数的计算。当出现传感器松动、脱落情况，将会导致系统持续阻尼的存在，这是检测安装有效性和设备完整度的重要依据。EB 板初步处理实时数据后，向ACB板传送。ACB板主体是一个二乘二取二计算板面，对所处区间的实时运行状态进行监控和计算，为调度员提供调度信息。

2.4 轮缘式传感器特点

1）具有很高的可靠性和良好的抗干扰性能，受干扰范围小。采用电磁感应，有源传感器，检测车辆轮缘引起的磁场变化，工作可靠；电磁传感器采用恒流电源供电，电流环输出方式传输磁场变化状态，抗干扰能力极强；采用二取二微处理器进行计数和逻辑运算，采用校验、回采等方式，安全性高。

2）室外传感器直接传输电流信号给室内，传感器和室内主机采用电缆直接连接，钢轨上的传感器到室内主机的传输距离可达10 km，检测点无需地线，节约成本。不需要安装EAK，这对降低检修人员的工作强度有着非常重要的现实意义。

3）卡具式安装方式相对简单，对于降低后期维护、检修工作量有一定的积极意义，同时检修过程完全可在室内完成，并不会对轨道本身进行破坏性检测。

4）系统具有故障弱化功能，每个区段的故障对于其他区段的正常运行不会造成直接影响。

5）预复位和强制复位模式的应用，有效提升系统的总体安全度水平，同时也可根据实际需求灵活操作。

2.5 计轴复位方式简介

计轴区段受扰情况在现阶段计轴设备的应用过程中较为常见，通常情况下需要进行人工复位。而如欧洲的发达国家，当前阶段已经广泛实现了预复位的设计，值得我们学习。

计轴区段预复位后，区段内轴数清零，状态显示为待清扫状态，需要到室外进行清扫（低速列车清扫或者人工用模拟轮清扫，清扫必须由区段一边进入，从另外一边出去），清扫没有问题后，室内待清扫计轴区段方可变为空闲状态。

预复位可以通过以下方式实现：

*通过ACE并口板上钥匙和复位按钮实现。例如上海地铁6、8、9号线，其操作方法为：按压复位按钮的同时把钥匙开关向右侧旋转2～10 s，并口板上会有相应指示灯指示是否复位成功。该种预复位简单、安全可靠，由通号维护人员在信号机房内ACE面板上操作，但对于突发抢修的故障处理，会存在处理不及时的问题。

*通过ATS软件实现。例如上海地铁7、11号线，拥有区域控制权的本地操作员通过ATS选取受扰的计轴区段，发送该计轴区段预复位命令给PLC，每个区域有一个PLC，安装在ATS机柜或计轴机柜内，通过以太网与ATS进行通信。每个PLC由1个CPU和3个输出模块组成，对于ATS的预复位命令请求，PLC激活两路输出，驱动ACE相关计轴区段继电器，使相关计轴区段轴数清零。由于ATS系统是非安全的，PLC本身也是非安全的设备，因此该种预复位方式存在很大安全风险，只能作为一种权宜之计，而非长久之计。

*通过车控室的IBP盘硬件实现。对应每个区段（并行I/O板）连接外设在车控室IBP盘上的复零按钮，当需要进行预复零时，操作人员在IBP盘上按压“总预复零”+“相应故障区段”按钮，执行相应区段预复零命令。复位按钮加铅封，这种做法类似6502中的故障区段解锁按钮盘。这一方案在实际应用过程中，不仅能够保证故障状态下预复位工作及时进行，同样也对非安全器件的种种隐患有效防护。目前，该方案还没有在上海地铁已运营线路上实施，将来可以考虑。

考虑计轴故障对运营的影响，尤其是在后备模式下对运营影响相当大。因此，信号维护人员可以申请登记强制复零操作，行车人员在确认故障区段无车占用的情况下，信号维护人员在计轴机柜内进行相应区段的强制复零操作，将系统恢复到原来状态。

ACS2000计轴设备在设计过程中采用欧标，从故障的实际情况出发，设置了不同的安全等级， “预复位”和“复位”2 挡的设置，极大地提高了设备的管理灵活性。在轨道区间行驶过程中，由于安全等级相对较高，因此必须“预复位”，再“复位”才能够为系统功能的正常发挥提供支持；而在机车车轮驶出轨道区段时，安全等级就会相对降低一些，只要进行“复位”操作即可完成对系统的复位。对应每个区段，在计轴主机柜正面都设置有钥匙开关，信号维护人员可通过该钥匙开关执行强制复零命令。钥匙插入孔位后，钥匙先转向左边停留500 μs以上；再倒回中间，停留500 μs以上；再转向右边，停留500 μs以上；最后钥匙回到中间位置。拔出钥匙后，完成对该区段强制复位。在计轴设备恢复正常后，故障消除，调度可正常组织行车。

3 结语

在当前铁路信号设备快速发展过程中，CBTC及其后备模式得到极大提升，整体性能和适用性也被极大的加强。在城市轨道交通的发展过程中，对此类型设备的依赖性日益加强。但是其整体运行效率、技术水平、稳定程度和性能指标并不能从真正意义上满足实际使用需求，因此成为当前信号领域亟待完善的一项重要课题，得到了社会各界的广泛关注和重视。通过对后备模式的深入分析，可从实际的运营需求出发，采用不同的策略。从功能需求和经济角度出发，而不能过度地强调性能指标。如果后备式系统的整体复杂度过高，不仅不利于轨旁设备的减少，同样会导致初期运营维护成本的大幅度提升，失去其原有优势。

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[5]王力.计轴设备在轨道交通信号领域的应用[J].铁道通信信号，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）