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摘要：针对FTGS轨道电路存在的分路不良问题，通过现场测试和技术分析，阐述了分路不良是如何造成列车定位误差的，并结合停车点所在区段是否有同步环线对比分析了该误差可能造成的危害程度，根据广州地铁1号、2号、8号线信号系统现状，评估了分路不良可能带来的运营风险，提出了技术解决方案及设备维护、行车组织方面的建议，为安全运营提供参考。
关键词：FTGS轨道电路；分路不良；危害；解决方案
1 背景
FTGS轨道电路是指德国西门子公司的遥供音频无绝缘轨道电路。在LZB700M型信号系统中，该型轨道电路采用电气绝缘节（S棒）将钢轨分割成若干长度不等的区段，除了用于检查和监督这些轨道区段是否空闲外，还能够将ATP报文传送到列车上，从而对列车进行控制，实现列车运行自动驾驶。目前，FTGS轨道电路已在广州、深圳、南京、上海等多个城市的多条地铁、轻轨线路上推广、应用。
FTGS轨道电路有以下三种工作状态：
（1）调整状态：或称为正常工作状态，即在轨道电路空闲，设备完好的状态。此时，轨道继电器衔铁应当可靠地吸起。
（2）分路状态：即轨道电路在任一点被列车占有的状态。此时，轨道继电器衔铁应当可靠地落下。
（3）断轨状态：即轨道电路的钢轨在某处断开时的状态。此时，轨道继电器衔铁应当可靠地落下。
FTGS轨道电路的分路状态容易受外界因素影响出现分路不良，除了表现在联锁设备不能可靠检测轨道区段的占用情况导致出现“粉红光带”现象外，还将影响ATP报文的发送和接收，进而影响车载ATP/ATO的定位精度，可能导致冲红灯、冲车档、挤岔等行车事故，对地铁安全运营构成更大的潜在威胁。本文将重点阐述FTGS轨道电路分路不良影响列车定位精度的原因及可行的解决方案和预防措施。
2 模拟测试
2.1 定位原理
在LZB700M型信号系统中，列车定位原理如图1所示：
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图1 定位原理
参与列车定位的主要有轨道电路、车载测速电机、同步环线等设备。其中，轨道电路用于检测区段空闲/占用状态，并在检测到区段占用后开始向车载设备发送ATP报文，车载设备接收到第一条报文后，完成距离测量的同步，该同步误差应能够达到±1.90m（S棒长度的四分之一）的要求；测速电机用于列车在区段中部行驶时的实时定位，其计算误差除列车经过轨道电路变更点时产生的误差外，还与轮对空转/滑行、轮径值精度、电磁干扰、电机脉冲的量化误差等有关；同步环线用于站台区段和部分折返线/存车线的辅助定位和精确停车，在设备正常的情况下，可将距离测量误差缩小至±0.3m。
因轨道电路分路不良而产生的列车定位误差主要是在轨道电路变更点处，车载设备进行距离测量同步时产生的。
2.2 测试条件
为了验证分路不良是如何影响列车定位的，维修人员做了如下测试：人工在S棒之后的单边钢轨上铺设20m的绝缘层，以ATO模式跑车收集ATP数据，对其中的列车定位数据进行分析。如图2所示。
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图2 绝缘设置示意图
根据FTGS轨道电路维修手册，一个技术参数标准的轨道区段会在列车运行至S棒的四分之一处时由“空闲”状态变为“占用”状态。因此，可以计算出人工设置绝缘层后，S棒中心点的实际偏移量为：
2.3 测试结果
（1）系统记录数据
组织列车以ATO模式运行一趟后，读取车载ATP报文如下：
< ＃405 @28892 Tlg f：15.5Nr：010k t：1040ve：070km/hneig 008brin：1gkk：13gkkv：11tf：2 gkl：0113gkl：0211tf0：0f0：0fon：0
< ＃000 @29156 ODatG：TOrtG：TVist：44km/hLfdort[cm]：5789HQ：0FR：ASFR：A BFR：VorIA＃：1 O_Max/Min[cm]：1720/1704
根据ATP报文，可以看出从轨旁设备检测到该区段被占用到轨旁设备发出第一条ATP报文（#405，报文类型为K报文）的时间长度为t：1040ms，车载设备接收到第一条报文后，完成距离测量的同步，同步后系统认为车头在本区段的起始位置为17.2m，该值即测速电机在1040ms+（29156ms-28892ms）=1304ms时间长度内累计的行走距离。
列车停稳后的数据：
< ＃034 @58223ODatG：TOrtG：TVist：0km/hLfdort[cm]：16178HQ：1 FR：ASFR：ABFR：VorIA＃：1 O_Max/Min[cm]：12109/12007t：58219
说明列车停稳后，系统认为列车在本区段运行了121.09m。如图3所示。
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图3跑车示意图
（2）实测数据
列车停稳后，测试人员使用卷尺测量发现列车车头实际停在真正S棒后面的139.5m处，即列车实际运行了139.5m。
（3）测量误差
通过以上数据，可以计算出列车的定位误差为139.5-121.09=18.41m。该误差比S棒中心点偏移量多出了18.41-18.1=0.31m，处于轨道电路变更点距离测量同步误差的允许范围内。
2.4 测试结论
通过上述测试，说明列车运行到一个新的FTGS轨道区段后，车载ATP/ATO是在接收到第一个有效的轨道电路报文后，才开始进行距离测量同步的，同步后的距离测量初值与ATP报文中的时间标志t有关。该时间标志t即轨旁设备检测到轨道区段被占用到轨旁设备发出第一条报文的时间长度。如果出现FTGS轨道电路分路不良，轨旁设备不能准确检测到轨道区段的占用状态，将不会发出报文，也不会开始计算时间标志t。当轨旁设备检测到区段被占用后，开始发送包含时间标志t的ATP报文。车载设备接收到第一条报文后，进行距离测量同步，但时间标志t之前在本区段行走的距离将会被忽略，造成定位误差。
3 危害分析
广州地铁1号、2号、8号线均采用LZB700M型信号系统，采用FTGS轨道电路作为轨道空闲/占用检测和车地通信设备，如果出现轨道电路分路不良的情况，存在列车定位出现偏差的可能，以下根据停车点所在区段是否安装同步环线存在以下两种情况展开分析：
（1）停车点所在区段安装有同步环线设备
如果停车点所在区段安装了同步环线，车载ATP/ATO可以通过接收同步环线交叉点信息对距离测量偏差进行纠正。如果列车实际速度超过纠正后的推荐速度4km/h，车载ATP设备会施加保护，触发超速紧制。但是由于车载ATP/ATO需要在接收到ATP报文中的B报文（前一区段或本区段）后，才会激活同步环线交叉点计数功能，因此如果出现轨道电路分路不良的情况，会造成车载ATP/ATO不能及时接收B报文，也不会及时激活同步环线交叉点计数功能。直到列车接收到B报文后，列车才会开始距离测量误差纠正。
以芳村为例，假设列车以35km/h的速度从上行线进入芳村折返线1道，如果列车在TC421区段（长度为38m）和TC423区段（长度为146m，停车点在该区段的143m处）轨道电路分路不良，列车无法正常接收报文，
仍是安全的。
以上假设的前提是系统能够保证报文中断5s且走行10m后及时触发紧制。
（2）停车点所在区段未安装同步环线设备
如果停车点所在区段未安装同步环线设备，列车经过轨道电路交叉点处产生的距离误差无法纠正，将直接导致列车对标不准，冲标距离等于距离测量误差。假设列车以35km/h运行，则距离测量误差可达到（35km/h/3.6）×5s=48.6m而不紧制，此误差已大于辅助线内停车点到车档的距离。因此，一旦在该类区域出现分路不良，极有可能造成闯红灯、冲车档等危及行车的安全事故。
4 现场检查情况
造成FTGS轨道电路分路不良的原因主要是钢轨表面生锈，导致轮对不能正常将轨面电压短死，多发生在非常用的折返线、存车线等区域，在雨后露天段或新换钢轨上也时有发生。针对该情况，信号人员组织对广州地铁1号线非常用辅助线进行了检查和测试，包括芳村折返线1道和2道、东山口存车线、广州东存车线1道和2道，情况如表1所示。
表1 1号线非常用辅助线检查情况
通过测试发现每次列车以ATO模式进入东山口存车线时，都存在推荐速度偏高的情况，司机人工介入对标后，推荐速度仍有4km/h～5km/h。如果司机未及时介入，将导致冲标，甚至冲红灯。
另外，列车以SM模式进入辅助线产生紧制的问题，通过分析确定原因是由于列车平均运行速度较慢，列车进入辅助线区段30s后，还没有完成对标停稳，此时进路保护区段（终端信号机红灯）解锁，停车点前移，列车推荐速度突降，触发超速紧制。为避免SM模式出现进入辅助线时触发超速紧制，需要将列车运行平均速度提高到（143m/30s）×3.6=17.2km/h以上，这对司机的驾驶技术要求较高。
5 技术解决方案
针对分路不良影响列车定位精度，进而可能造成行车安全事故的问题，有如下三种技术解决：
（1）方案一：在非常用辅助线上加装同步环线设备，消除定位误差
根据上文分析结果，如果在非常用辅助线上加装同步环线设备，即使出现轨道电路分路不良导致定位出现误差，车载ATP/ATO设备也能够有效、及时地对列车定位误差进行纠正，确保列车在安全停车点前停下。
（2）方案二：在非常用辅助线上加装计轴设备，确保可靠检测
如果在非辅助线上加装计轴设备，并将其接点串联在联锁和轨旁ATP对轨道电路继电器的采集电路中，即使出现分路不良导致轨道电路无法可靠检测区段占用，计轴设备也能通过“数轴”的方式检查是否有列车驶入，并确保报文正常发出，避免定位误差。
（3）方案三：轨旁加装列车感应设备，车载ATP安全输入回路串入安全接点
该方案为在轨旁加装列车感应设备，在车载加装速度监控设备，并且建立车载设备和轨旁设备的无线通信。当列车驶入非常用辅助线上时，轨旁列车感应设备通知车载设备开始对列车速度进行监督，一旦出现速度异常，断开车载ATP的安全输入信息，触发紧制，保证行车安全。
方案对比：
表2 三种技术方案对比情况
针对以上分析，广州地铁一号线对三种方案展开研究对比，方案二较易实现，但因一号线信号系统已达到使用寿命周期，已于2018年5月开始组织信号系统改造，在设计上增加了东山口存车线同步环线（方案一），以解决存车线FTGS轨道电路分路不良导致列车紧制问题。目前广州地铁一号线信号系统改造项目已完成东山口存车线加装同步环线的室内、外设备安装，下一步将开展调试，预计在2021年底完成加装同步环线的投用。
6 设备维护和行车组织建议
除了上述技术解决方案外，还可以在设备维护和行车组织方面加强管控，预防行车安全事故发生，建议如下：
（1）工建换轨后，需要进行钢轨打磨，确保钢轨表面光洁、无锈，车轮压入时分路良好。第一趟列车通过新换钢轨时，需以SM模式运行，确认安全后，后续列车再启用ATO模式运行。
（2）下雨期间的列车和雨后的第一趟列车，通过露天段钢轨时需以SM模式运行。
（3）因非常用辅助线的终端皆有道岔、信号机或车档，且道岔、信号机或车档距离停车点较短，正常运营时使用率较低，钢轨生锈严重，存在分路不良的可能性较大，列车以ATO模式驾驶存在较大风险。为最大程度上保证安全、减少维护成本、提高运营效率，建议：
①列车进入非常用辅助线时，以SM模式（无法满足SM模式时以RM模式）运行、对标（对标过程以停车标为参考）。
②为避免列车进入辅助线过程中因保护区段解锁、停车点前移而触发超速紧制，列车运行的平均速度需在17.2km/h以上。如果触发紧制，可通过按压“RM”按钮，转RM模式后完成对标。
③ 1号线的TC409、TC410、TC1208、TC1223区段，2号线的TC2551、TC1751、TC0852区段，8号线的TC1151区段具备“换下至上”或“换上至下”功能正常，可根据需要使用，以缩短车载ATP/ATO的启动时间（约20s），提高列车换端效率。
7 结语
通过现场测试说明LZB700M型信号系统在设计上并不能完全避免因轨道电路分路不良引起的列车冲突，因此需要从设备维护、行车组织等方面进行预防，并通过技术改造彻底消除隐患。本文对比分析了三种技术解决方案，并提出了设备维护和行车组织方面的建议，供设备维护部门和行车组织部门参考。
参考文献：
[1] 陈展华等.广州地铁1号线信号及列车自动控制系统报文介绍[J].都市快轨交通，2002（4）：54-56.
[2] 张武江等.同步环线如何实现列车准确停车[J].都市快轨交通，2005（5）：78-79.
[3] 广州地铁2号线信号系统技术规格书[R].广州市地下铁道总公司.2008.