四、移动闭塞
1.移动闭塞的概念
移动闭塞（moving block，MB）是一种新型的闭塞制式，它不设固定闭塞区段，前后列车都采用移动式的定位方式。移动闭塞可解释为：列车安全追踪间隔距离不预先设定，而随列车的移动不断移动并变化的闭塞方式。
在城市轨道交通中，移动闭塞是一种采用先进的通信、计算机、控制技术相结合的列车控制系统，所以国际上习惯称其为基于通信的列车控制（communication based train control，CBTC）系统。
移动闭塞可借助感应环线或无线通信的方式实现。早期的移动闭塞系统大部分采用基于感应环线的技术，即通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载计算机与控制中心之间的连续通信。现在大多数先进的移动闭塞系统都采用无线通信系统实现各子系统间的通信，构成基于无线通信技术的移动闭塞。
2.移动闭塞与固定闭塞的区别
移动闭塞是基于区间闭塞原理而发展起来的一种新型闭塞技术。它根据列车实际运行速度、制动曲线和进路上列车的位置，动态计算相邻列车之间的安全距离。根据当前的运行速度，后续列车可以安全地接近前一列列车尾部最后一次被证实的位置，直至两者之间的距离不小于安全制动距离。由此可见，移动闭塞与固定闭塞相比，最显著的特点是取消了以信号机分隔的固定闭塞区间，列车运行时的最小间隔距离由列车在线路上的实际运行位置和运行状态确定，所以闭塞区间随着列车的行驶不断地向前移动和调整。在移动闭塞技术中，闭塞区间仅仅是保证列车安全运行的逻辑间隔，与实际线路并无物理上的对应关系。因此，移动闭塞在设计和实现上与固定闭塞有比较大的区别。移动闭塞一般采用无线通信和无线定位技术来实现。
传统信号系统的主要设计方法是基于轨道电路的列车定位，通过线路旁信号机的显示、车站发出停车信号向司机告警等来确保后续列车不能进入被前一列列车所占用的闭塞区间，从而保证了一定的列车安全间隔。与此不同，移动闭塞系统独立于轨道电路，通过列车的精确定位来提高安全性和列车运行密度，通过车载设备和地面安全设备之间的快速、连续的双向数据通信实现对列车的控制。一套移动闭塞系统可允许多列列车同时占用同一闭塞分区，而此区间在固定闭塞的模式下只能被一列列车安全占用，从而提高发车间隔，增加乘客运能。在传统的固定闭塞制式下，系统无法知道列车在分区内的具体位置，因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界，为充分保证行车安全，必须在两列车间增加一个防护区段，这使得列车间的安全间隔较大，降低了线路的使用效率。
准移动闭塞在控制列车的安全间隔上比固定闭塞更进了一步。它采用报文式轨道电路，辅以环线或应答器来判断分区占用情况并传输信息，信息量大；告知后续列车继续前行的距离，后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动，列车制动的起点可延伸至保证其安全制动的地点，从而改善列车速度控制技术，缩小列车安全间隔，提高线路利用效率。但准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点仍必须在先行列车占用分区之外，并没有完全突破轨道电路的限制。
3.移动闭塞技术的原理
（1）轨道交通信号和列车自动保护系统。在轮轨交通中，为保证列车运行安全，须确保列车以一定的安全间隔运行。早期，人们通常将线路划分为若干闭塞分区，以不同的信号表示该分区或前方分区是否被列车占用等状态，列车则根据信号显示运行。不论采取何种信号显示制式，列车间都必须有一定数量的空闲分区作为列车的安全间隔。
轨道交通的信号原理也基于此。但轨道交通由于其自身的特殊条件，对安全的要求更加严格，因此必须配备列车自动保护ATP系统。ATP通过列车间的安全间隔、超速防护及车门控制来保证列车运行的安全畅通。在固定划分的闭塞分区中，每一个分区均有最大速度限制。若列车进入了某限速为零或被占用的分区，或者列车当前速度高于该分区限速，ATP系统便会实施紧急制动。ATP地面设备以一定间隔或连续地向列车传递速度控制信息，该信息至少包含两部分：分区最高限速和目标速度（下一分区的限速）。列车根据接收到的信息和车载信息等进行计算并进行合理动作。速度控制代码可通过轨道电路、轨间应答器、感应环线或无线通信等进行传输，不同的传递方式和介质也决定了不同列车控制系统的特点。为了保证行车安全，轨道交通ATP在两列车之间还增加了一个防护区段，即双红灯区段防护，如图2-8所示。后续列车必须停在第二个红灯的外方，保证两列列车之间至少间隔一个固定闭塞分区。
图2-8 轨道交通ATP的双红灯区段防护
（2）移动闭塞——基于通信的列车控制系统。移动闭塞技术在列车安全间隔的控制上更进了一步。通过车载设备和轨旁设备间不间断的双向通信，控制中心可以根据列车实时的速度和位置，动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离，再在列车后方加上一定的防护距离，便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区，如图2-9所示。由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，这使得列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。
移动闭塞的线路取消了物理层次上的分区，将线路分成了若干个通过数据库预先定义的线路单元，每个单元的长度在几米到十几米之间，移动闭塞分区便由一定数量的单元组成，单元的数目可随着列车速度和位置的变化而变化，分区的长度也是动态变化的。线路单元以数字地图的矢量表示。如图2-10所示，线路拓扑结构的示意图用一系列的节点和边线表示。任何轨道的分叉、汇合、走行方向的变更及线路的尽头等位置均由节点（node）表示，任何连接两个节点的线路称为边线。每一条边线有一个从起始节点至终止节点的默认运行方向。一条边线上的任何一点均由它与起点的距离表示，称为偏移。因此，所有线路上的位置均可由矢量（边线，偏移）来定义，且标识是唯一的。
图2-9 移动闭塞系统的安全行车间隔
边线e7连接节点n5和n6，默认方向为从n6到n5方向；节点n5与边线e7、e8和e11相连。
图2-10 线路拓扑结构的示意图
移动闭塞系统中列车和轨旁设备必须保持连续的双向通信。列车不间断地向轨旁控制器传输其标识、位置、方向和速度，轨旁控制器根据来自列车的信息计算和确定列车的安全行车间隔，并将相关信息（如先行列车位置、移动授权等）传递给列车，控制列车运行。
早期的移动闭塞系统通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载控制器（vehicle on-board controller，VOBC）与列车控制中心（vehicle control center，VCC）之间的连续通信。现今，大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统来实现各子系统间的通信。在采用轨旁基站的无线通信系统中，系统一般考虑以100%的无线信号冗余率进行基站布置，以消除在某个基站故障时可能出现的信号盲区。
4.移动闭塞技术的基本要素
在移动闭塞技术中，闭塞分区仅仅是保证列车安全运行的逻辑间隔，与实际线路并无物理上的对应关系，因此，移动闭塞在设计和实现上与固定闭塞有比较大的区别。其中列车定位、安全距离和目标点是移动闭塞技术中最重要的3个概念，可以作为移动闭塞的3个基本要素。
（1）列车定位。列车定位是移动闭塞技术的基础，要实现闭塞区间的动态移动，首先必须实时、准确地掌握列车的位置信息，确定列车间的相对距离，以便系统不断地将该距离与所要求的运行间隔距离进行比较，确定列车的安全运行速度。所以说，没有准确的列车定位，就没有移动闭塞。列车定位由地面设备和车载设备共同完成，在列车的轮轴上安装有车轮转速计，以确定列车的运行方向和走行距离。列车运行的起始点确定以后，根据车轮转速计所检测到的列车运行方向和走行距离，就可以精确地确定列车在线路上的实际位置。但是，车载定位设备存在着测量误差，特别是列车经过长距离运行后，这个误差会不断累积，直接影响列车定位的精度。所以，在线路上每隔一定的距离，就需要安装一个地面定位设备。当列车经过这些地面定位设备时，由车载传感设备检测到该定位点，获知列车的确切位置，从而消除车载定位设备所产生的累积定位误差。在基于环线通信的移动闭塞系统中，感应环线每25 m交叉一次。列车通过环线交叉点时可以检测到交叉点前后环线的信号相位发生了变化，从而判定列车经过该交叉点。由于感应环线交叉点之间的跨度是固定的，所以列车每经过一个环线交叉点，就可以修正一次车轮转速计的测量误差，从而达到准确定位列车的目的。
（2）安全距离。安全距离是基于列车安全制动模型计算得到的一个附加距离，它保证追踪列车在最不利条件下能够安全地停止在前行列车的后方，不发生冲撞。所以，安全距离是移动闭塞系统的关键，是整个系统设计的理论基础和安全依据。
如图2-11所示，假定追踪列车T1在A点以线路允许的最高速度运行。此时，前方列车T2处于E点，正常情况下，追踪列车开始进行常用制动，沿制动曲线d停止在B点。但是如果此时追踪列车T1，发生故障，没有开始制动，反而以最大加速度加速，直至车载控制器检测到列车速度超出了容许范围，如曲线段a之后，车载控制器就会启动列车紧急制动系统。在紧急制动力生效前，列车又沿曲线b运行了一段距离。然后制动力生效，列车沿曲线c紧急制动并停止在C点。考虑到列车的定位误差、速度测量误差等不确定因素，列车停止的实际位置也有可能是E点，因此将BE之间的这段距离称为安全距离。
图2-11 安全距离示意
可以看出，安全距离是附加在列车常用制动距离上的一段安全富余量。列车行驶过程中，追踪列车和前行车始终保持1个常用制动距离再加上1个安全距离的移动闭塞间隔，确保在最不利条件下追踪列车和前行列车不发生碰撞。安全距离与线路状况、列车性能等因素有关。在系统设计阶段，通常规定了系统能使用的最小安全距离，同时在满足运营时间间隔的前提下，采用比理论计算值大的安全距离，以提高系统运行的安全性。
（3）目标点。目标点是列车移动的凭证，如同固定闭塞系统中的允许信号，列车只有获得了目标点，才能够向前移动。目标点通常是设在列车前方一定距离的某个位置点，目标点一旦设定，即表明列车可以安全运行至该点，但不能超过该点。移动闭塞系统正是通过不断前移列车的目标点，引导列车在线路上安全运行的。
如图2-12所示，假如列车T1、T2运行在线路无岔区段上，那么追踪列车T1的最远目标点可以设定在距离前行列车T2尾部1个安全距离的地方。若前方列车停车，那么追踪列车的目标点TPa将停止在该点上。当列车T1运行至距目标点1个常用制动距离时，若开始制动，可保证列车停止在目标点后方。如果前行列车T2继续向前行驶，则追踪列车T1的目标点TPa也向前不断移动，从而在列车T1、T2之间形成一个移动的闭塞区间。
对于道岔区段，目标点的确定如图2-13所示。当列车T1需要通过道岔SW时，若该道岔没有锁闭在规定位置，列车的目标点将停止在道岔前方1个安全距离的位置，如TPb。待道岔转换并锁闭到规定位置后，目标点就可以越过道岔区域，移至道岔后方的TPc点，列车得到该目标点后才可以通过道岔SW，实现列车运行与道岔间的联锁，保证列车在道岔区域内的安全行驶。
图2-12 无岔区段目标点确定
图2-13 道岔区段目标点确定
5.移动闭塞系统的主要运行模式及行车方法
国内城市轨道交通行业主要采用的是SelTrac MB移动闭塞系统，它可以提供两种主要运行模式，即列车自动控制（ATC）模式和后退模式。
（1）列车自动控制模式。ATC模式下，系统根据SelTrac移动闭塞原理自动地控制列车，减少司机的干预。该模式是ATC系统和列车运营服务的常用工作模式。
正常运营条件下，列车的运行由列车控制中心进行控制，列车在ATC系统的控制下自动地在整个线路上运行，司机仅对运行进行监视。ATC系统将在车场边界转换轨处进行列车自检，并在自检成功后将列车自动投入到正线运营当中。退出运营的列车将自动返回到车场边界转换轨，车场的列车自动监控子系统ATS从这里控制列车进入车场。
①信息传输路径。ATC模式下的信息传输路径（即基于电缆环线传输方式的移动闭塞）如图2-14所示。
②进路与道岔控制。ATC模式下，VCC负责列车的安全间隔和运行（安全运行还包括对道岔的操作），VCC按照系统管理中心（system management centre，SMC）中执行的时刻表（或运行线）正确排列进路。
当列车按所分配的进路前进时，VCC将在列车前方预留相应的轨道及道岔，并在允许列车通过之前命令系统资源控制器（system resource controller，SRC）转换道岔到所需位置。当VCC确认列车已从相关轨道及道岔出清，预留取消。
一旦中心调度员在中心控制室的VCC终端上设置了人工进路预留道岔命令或者调度员人工单独预留道岔命令，系统就不会自动转换道岔。
③信号显示与计轴状态。ATC模式下，信号机显示蓝色以提醒司机信号机防护区域是“自动”区域，人工列车（限制人工）禁止通过。ATC模式下，ATC系统不会在信号机上显示其他灯光。
图2-14 基于电缆环线传输方式的移动闭塞
计轴器在ATC模式下仍然保持工作状态，但其检测的列车定位信息将不返回给VCC，即计轴器不参与ATC模式下的联锁逻辑。
④运行方式。列车可在ATO驾驶模式、人工保护驾驶模式及无人驾驶模式下运行。ATC模式下，按下站台紧急停车按钮及中央紧急停车按钮时，VCC对其进行响应。
ATC系统有能力使列车在线路的任何区域上双向运行。双向运行可以有效应对线路任何部分由于特殊原因（如轨道阻塞）而采取的自动变更运行。与正向运行一样，反向运行时信号系统提供ATP、ATO及ATS功能。
（2）后退模式。后退模式可以采用列车人工驾驶（限制人工或非限制人工）运行，是考虑到ATC系统设备故障，或没有配备ATC设备的列车要在正线线路上运行而设计的。
当VCC发生严重故障、感应环线发生故障或者车载控制器VOBC发生故障时，后退模式可以提供一种降级服务。此时，列车采用人工驾驶，按照轨旁信号机显示运行。
后退模式根据移动闭塞系统的故障影响分为全人工后退模式和局部后退模式。全人工后退模式是指单个或全部的车站控制器（station controller，STC）将不受VCC控制，该STC控制下的所有正线区域均以自动闭塞方式运营；局部后退模式则是指STC控制的个别信号机防护的区段以自动闭塞方式运营，其余区域仍以移动闭塞方式运营。
①后退模式的特点。后退模式下的行车是单方向的，用于使无通信列车进入固定闭塞模式下运营，在确保安全的前提下，达到一定的运输能力。系统中的STC设备可以为其控制区域内的列车提供地面信号，以保证列车安全运行。
进路是由中央调度员或车站值班员采取人工进路的方式设置的，并将进路上有关道岔安设到要求的位置。
②后退模式的功能。在后退模式下，轨旁信号机平时点亮红灯，在人工办理了进路、联锁条件满足的情况下开放允许信号，在禁止信号不能点亮红灯的情况下不能开放任何允许信号。
在后退模式下，STC根据区段占用状态和道岔位置等联锁条件来设置信号机的显示。因此，一旦调度员设置了人工进路，当列车占用了该进路计轴区段时，防护该进路的信号机将显示红灯。当列车出清该占用区段后，如果所有的道岔都处在正常进路所要求的正确位置，则该区段信号机自动开放，显示绿灯；如果所有的道岔都处在变更进路所要求的正确位置，则该区段信号机自动显示黄灯。当道岔处于锁闭状态时，信号机才能显示开放的信号（绿灯或黄灯）。
STC根据系统管理中心SMC（或处于局部后退模式的VCC）的指令或SMC本地工作站控制指令转动道岔，并依据联锁条件将信号机设置为红灯后，命令道岔开始转动。当道岔转到规定位置并锁闭后，STC检查所有的联锁条件，上述条件均符合时就将信号机设置为允许灯光显示。
如果STC收到道岔转换指令时接近计轴区段有车且道岔区段空闲，STC则将信号机设置为红灯后60 s计时；一旦时间计完，若道岔区段无车，则STC开始转动道岔，使其转到规定的位置。
③后退模式的转换。后退模式与自动模式的相互转换时机取决于中央调度员，而时间长短主要取决于司机、调度员及系统中正在运行的列车数量。
当VCC发生故障时，中央调度员开始干预，系统将在大约60 s内从自动模式转入全人工后退模式。
只有所有的人工预留进路均已取消，所有线路上正在以人工模式运行的列车都重新进入自动模式，并且中央调度员进行干预，系统才能启用全自动运行模式，否则系统将维持原有的局部人工运行模式或全人工运行模式。
6.移动闭塞系统的组成和特点
（1）移动闭塞系统的组成。移动闭塞系统主要包括无线数据通信网络、车载设备、区域控制器和控制中心等。图2-15是典型的CBTC系统结构框图。地面设备和车载设备通过数据通信网络连接起来，构成系统的核心。
图2-15 典型的CBTC系统结构框图
无线数据通信是移动闭塞实现的基础。通过可靠的无线数据通信网，列车将位置、车次、列车长度、实际速度、制动潜能和运行状况等信息发送给区域控制器；区域控制器追踪列车并通过无线传输方式向列车发送移动授权。车载设备包括无线电台、车载计算机和其他设备（如传感器、查询器等）。列车将采集到的数据（如机车信息、车辆信息、现场状况和位置信息等）通过无线数据通信网发送给区域控制器，以协助完成运行决策；同时对接收到的命令进行确认并执行。
SelTrac列车自动控制系统是阿尔卡特（Alcatel）公司研制的一套基于通信的列车自动控制系统，它采用移动闭塞原理，以电缆环线作为车-地双向信息传输方式，集ATP、ATS、ATO于一身，实现对列车运行安全的保证。典型的SelTrac MB移动闭塞系统主要由3个控制层次共5个子系统构成。
①管理层。管理层由系统管理中心SMC子系统构成，主要实现ATS功能，对列车进行自动监督并实现调度管理。
②操作层。操作层由列车控制中心VCC子系统构成，负责计算列车的安全运行间隔。操作层综合来自车载控制器VOBC的列车位置、速度、运行方向信息和来自车站控制器STC的轨旁设备（如道岔等）的状态信息，实现列车运行和轨旁设备的联锁，达到在移动闭塞运行方式下控制列车安全运行的目的。
③执行层。执行层由车站控制器、车载控制器和感应环线3个子系统构成，负责解释并执行列车控制中心发来的控制命令，并向列车控制中心报告所辖设备的状态信息。其中，车站控制器负责对轨旁设备（如道岔、计轴器、站台发车表示器、站台屏蔽门等）的控制和信息采集；车载控制器则对列车进行控制并反馈列车的状态信息；而感应环线是列车和列车控制中心间通信的传输介质，同时系统利用环线电缆、环线电缆交叉及车载控制器中的转速计实现对列车的定位。
（2）移动闭塞系统的特点。移动闭塞具有以下特点：
①线路没有固定划分的闭塞分区，列车间隔是动态的，并随前一列车的移动而移动。
②列车间隔是按后续列车在当前速度下所需的制动距离加上安全余量计算并控制的，这样可确保不追尾。
③制动的起点和终点是动态的，轨旁设备的数量与列车运行间隔关系不大。
④可实现较小的列车运行间隔。
⑤采用车-地双向数据传输，信息量大，易于实现无人驾驶。