1.4 研究架構

第一章 緒論

1.1 研究背景與動機

軌道運輸乃當今重要之交通運輸系統，其營運、安全與行車控制 及號誌系統關係密切。行車控制影響列車行進安全、列車加減速、運 量、列車調度與發派等，一般軌道運輸系統之行車控制分為：目視配 合手動控制、號誌系統配合手動控制、自動列車運轉（ATO）三種控 制方式。基於營運需求、增加營運效益及安全考量等因素，現今大多 數軌道運輸系統係採用號誌系統配合手動控制或是採用自動列車運 轉等控制方式。

一般軌道運輸在列車營運時，為確保列車維持適當之車距以利系 統正常運作，並提供安全之煞車距離，軌道通常會被分割為數個區 間，稱為固定式閉塞區間（Fixed Block）。以號誌控制列車行止之系 統，即固定式閉塞區間號誌系統。固定式閉塞區間號誌系統（Fixed Block Signaling System, 以下簡稱 FBS）廣泛運用於各種軌道運輸系 統已經百年以上，近年來由於軌道系統技術提升，並因應業者經濟、

快速、安全以及輸運大量旅客之需求，移動式閉塞區間號誌系統

（Moving Block Signaling System, 以下簡稱 MBS）技術逐漸發展成 熟並受到重視，MBS 且已開始運用於少數都會區捷運系統中。

MBS 被認為能縮短班距，適合應用於短時間內需提供密集班次以 輸運大量旅客之系統，有鑑於都會區捷運系統具有班距短、短時間內需 要輸運大量旅客之特性，運能為其控制之重要成果，本研究將探討 FBS 與 MBS 控制方式對捷運系統運能關係之影響。

1.2 研究目的與課題

（一）本研究目的可歸納如下：

1. 探討 FBS 與 MBS 之控制方式與運作原理。

2. 比較分析 FBS 與 MBS 控制方式對捷運系統班距及運能之影響 關係。

（二）本研究將進行之研究課題包含下列六項：

1. FBS 之控制方式及運作原理。

2. MBS 之控制方式及運作原理。

3. 影響 FBS 最小班距相關因素模擬實驗與結果。

4. 影響 MBS 最小班距相關因素模擬實驗與結果。

5. FBS 與 MBS 運能之比較分析。

6. FBS 與 MBS 班距及運能之迴歸分析。

1.3 研究範圍與限制

本研究範圍與限制界定如下：

1. 本研究對象僅為都會區之大眾捷運系統，並不包含高速鐵 路、一般城際或傳統鐵路、輕軌鐵路等。

2. 本研究之捷運系統係採用複線運行，所有上行、下行列車分 別行駛於兩條車道上，每條車道僅允許同方向列車運行，所 有列車每站皆停靠，具有相同之運行方式，且所有列車皆保 持跟車行為，並不包含超越或待避機制。

3. 本研究並不考慮進出站坡度、軌道線型、列車運行阻力與電

壓降等影響因素。

4. 本研究所探討之運能（Line Capacity）為路線所容許之最大運 能，主要由最小班距（Minimum Headway）所決定，並不考 慮營運寬裕時間。

5. 本研究僅探討正常情況下列車之運轉行為，並不考慮列車緊 急煞車機制。

1.4 研究架構

本研究之研究架構如圖 1-1 所示，其說明如下：

運能（Line Capacity）主要由最小班距（Minimum headway）決 定，然而在實際營運時一般會考慮營運寬裕時間，使各列車運轉時具 有一定的時間彈性，因此實務上之運能乃由營運班距所決定。本研究 為了解不同號誌系統控制方式下對其路線最大運能之影響，並不考慮 營運寬裕時間，因此運能由最小班距決定，而最小班距主要受號誌系 統影響，號誌系統主要包括 FBS 與 MBS。FBS 乃將軌道分割成數個 區間，藉由聯鎖線上之號誌系統，以了解各區間之開通、佔用、清除 與未佔用等情形，對線上各列車進行適當之速率管控，甚至停等控 制。當閉塞區間被前車（Leading Train）佔據時，區間分界之道旁號 誌會顯示險阻，後方列車（Following Train）會於先前之區間透過道 旁號誌及車載號誌設備開始減速，並於此險阻號誌前停車，以防止追 撞前車；為盡量使線上各列車不受前車影響，維持運轉順暢，因此 FBS 受系統控制方式、閉塞區間長度、列車最高運轉速限、列車警戒

運轉速限、路線彎道之曲率半徑及停站時間等相關因素影響。MBS 之概念乃將閉塞區間長度縮短，甚至為零區間長度，透過列車上之車 載號誌設備與道旁號誌設備之雙向通訊，每間隔數秒接收前車位置、

車間距離、車速等相關資訊，經過車載資料庫電腦計算及解碼後，提 供列車加速、減速、停車等指令，使列車與前車之間能維持一個最小 安全距離，進而有效縮短班距。MBS 受系統控制方式、列車最高運 轉速限、路線彎道之曲率半徑、位置信標間隔及停站時間等相關因素 影響。

經探討 FBS 與 MBS 之控制方式後，進而探討在此兩種閉塞區間 號誌系統控制方式下各個相關因素對最小班距之影響，並比較其運能 差異，隨後建立影響因素對運能之迴歸方程式，以了解各因素對運能 之影響關係。

圖 1-1 研究架構圖

H

C = 3600

1.5 研究方法與流程

本研究所採用之研究方法分別敘述如下：

（一）運能（Line Capacity, C）：

為每單位小時除以最小班距，其計算公式為：

（二）最小班距（Minimum Headway, H_Min）：

透過本研究所開發之 FBS 模擬模式及 MBS 模擬模式以試 誤（trial and error）方式求得，最小班距為前後車到站間隔與 發車間隔相差 0.5 秒內之正常運轉班距。

（三）FBS 控制方式：

本研究將蒐集臺北市都會區捷運系統與國外捷運系統，有 關 FBS、軌道行車控制（Train Control）之文獻，透過文獻之 整理與回顧，了解 FBS 之控制方式與運作原理。

（四）MBS 控制方式：

本研究將蒐集國外捷運系統，有關 MBS、無線電自動列 車控制（Radio ATC）、通訊式列車控制（CBTC）之技術文獻，

透過文獻之整理與回顧，了解 MBS 之控制方式與運作原理。

（五）相關影響因素：

本研究將分別探討於 FBS 與 MBS 兩種不同號誌系統控制 方式下，區間長度、列車最高運轉速限、列車警戒速限、路 線彎道之曲率半徑、停站時間及其他可能影響運能之相關因 素。本研究將蒐集臺北市都會區捷運系統與國外捷運系統，

有關列車性能與捷運系統營運方面之資料，以了解捷運系統 電聯車之性能諸元與營運特性。

（六）FBS 與 MBS 運能之差異：

本研究將以 Java Script 程式語言分別構建 FBS 與 MBS 運 能之模擬模式（Simulation Model），並以臺北市都會區高運量 捷運系統之相關參數進行模式驗證與檢核。模擬模式可分別 模擬計算 FBS 與 MBS 之最小班距，以探討各相關影響因素在 兩種不同號誌系統控制方式下最小班距之差異。進而再將最 小班距轉換為最大運能，進行 FBS 與 MBS 運能之比較分析。

（七）各因素對運能之影響關係：

本研究將透過統計分析軟體進行 FBS 與 MBS 運能之迴歸

（Regression）分析，以了解各個因素對 FBS 與 MBS 運能之 影響關係。

本研究之研究流程圖如圖 1-2 所示，其步驟說明如下：

1. 界定研究問題與研究範圍。

2. 蒐集國內外與軌道號誌系統、軌道行車控制、FBS 控制方式 等相關文獻與資料，透過文獻回顧與資料整理，了解 FBS 之 控制方式與運作原理。蒐集國外與 MBS、無線電自動列車控 制等相關文獻，透過文獻之整理與回顧，了解 MBS 之控制方 式與運作原理。另外蒐集國內外與捷運系統電聯車性能及運 作相關之資料，透過資料之整理，了解一般捷運系統電聯車 之性能諸元與營運特性。

3. 分別建立 FBS 與 MBS 之模擬模式，利用所建立之模擬模式 分別模擬計算 FBS 與 MBS 之最小班距。

4. 分別探討各個因素對 FBS 與 MBS 最小班距之影響。

5. 將最小班距轉換為最大運能，比較分析 FBS 與 MBS 運能之 差異。

6. 進行 FBS 與 MBS 運能之迴歸分析，以了解各個因素對 FBS 與 MBS 運能之影響程度，並建立 FBS 與 MBS 最小班距及最 大運能之迴歸方程式。

7. 提出結論與建議。

圖 1-2 研究流程圖

第二章 文獻回顧

本研究主要係探討捷運系統 FBS 及 MBS 控制方式對運能關係之 影響。本章首先回顧號誌系統技術發展相關文獻，以明白 FBS 與 MBS 之技術發展與控制方式；接著整理 FBS 與 MBS 班距之文獻，以瞭解 此兩種號誌系統控制方式下相關因素對班距之影響關係；最後再探討 捷運系統運能分析方法之文獻，以瞭解捷運系統運能相關分析方法與 考量。

2.1 FBS 與 MBS 之技術發展

2.1.1 FBS 之技術發展

張有恆、蘇昭旭（民國 91 年）於鐵路的行車制度【5】，說明行 車制度的分類一般可分為隔時法（Time Interval）與隔地法（Space Interval）。絕大部分的鐵路都不會只用隔時法，一定會併用通信方式 或隔地法等技術，以確認列車所在位置及是否準點，所以今日隔時法 已經成為一種輔助的方法。隔地法係將路線分割成許多閉塞區間

（Block），一次僅容許一列車佔用區間者稱為絕對閉塞制（Absolute Block System）；若前方有列車佔用區間，允許後方列車一度停車後慢 行 進 入 該 區 間 ， 並 隨 時 依 前 方 列 車 狀 況 停 車 者 稱 為 容 許 閉 塞 制

（Permissive Block System）。目前全球不論是人工或自動化的閉塞制 度，除特殊路段或狀況外，皆以絕對閉塞制居多。

各種隔地法之閉塞制度，早期為人工閉塞制，由人員以通訊或嚮 導的方式辦理，接著逐漸演變為憑證式，以電器路牌或牌卷之方式辦

理。後來經過改良，以電器聯動之方式辦理，增加安全性。隨著軌道 科技日益進步，自動閉塞制為當今全世界最流行也最有效的行車控制 方式，利用軌道電路，使號誌能自動顯示，無須人力操作。後來更藉 由中央行車控制中心（CTC）進行號誌控制與行車調度，使鐵路運轉 發揮最大效果。

Joern Pachl（2002）於軌道行車與控制【22】中，說明固定閉塞 區間系統係利用道旁號誌或車載號誌以達到區間防護之一種區間系 統，列車進入每個固定閉塞區間必須滿足下列條件：

（一） 前方列車必須已經清除（Clear）此區間。

（二） 前方列車必須已經清除下一個號誌後方之重疊區（僅適用於區 間有設置重疊區之路線）。

（三） 前方列車藉由險阻號誌之保護以避免後方列車冒進。

（四） 列車運行之相反方向其號誌為險阻。

翁穎鈞（民國 90 年）於木柵線號誌系統介紹【10】，指營運主線 依行駛路線長短適當分割為數個道旁控制區段（Section），每個區段 再劃分為數個固定閉塞區間（Fixed Block），閉塞區間設計原理如下：

（一） 各固定閉塞區間於任何時刻只允許一列車行駛。

（二） 主線道旁控制單元監控列車以避免進入已佔用之閉塞區間。

（三） 閉塞區間長短劃分之原理係基於列車之安全停車距離，並儘量 縮短列車班距（Headway）。

（四） 若下游閉塞區間已被佔用，列車必須減速並且停止於目前所在

閉塞區間之末端前方，以避免追撞下游列車。

駱仁宇（民國 90 年）於木柵線中運量捷運 VAL 系統簡介【9】，

說明道旁控制設備利用固定區間（Fixed Block）的方式達到防止前後 兩列車追撞，當前面一個區間被道旁控制設備宣告為佔用（Occupied）

時，列車則減速而停止於此一區間前，無法進入前一個被佔用的區 間。列車之停止乃因道旁控制設備傳送停車模式（Stopping Mode）

命令列車遵循停車速度指令（Stopping Speed Program）；而於正常情 況，前面區間為空間（Free）狀態時，道旁控制設備傳送一般模式

（ Normal Mode ） 命 令 列 車 遵 循 一 般 速 度 指 令 （ Normal Speed Program）。每個區間之長短並非固定，停車速度指令為非連續並於區 間邊界前降為零速，但在車站區間（Station Block）內並無停車速度 指令；一般速度指令為連續並於車站前降為零速。由於道旁控制設備 以區間的方式偵測列車，道旁控制設備僅知此一區間為一列車所佔 有，但其在區間內之確實位置並無法得知。

2.1.2 MBS 之技術發展

Japan Railway & Transport Review 16 （1998）關於溫哥華 Sky Train 系統【29】之文章，指加拿大溫哥華的 Sky Train 全自動無人駕 駛系統，採用 SELTRAC 技術之 MBS，SELTRAC 以軟體為基礎，透 過與所有列車及道旁設備間之資料傳輸，以移動閉塞區間原理來達到 維持列車間之安全車距。自動列車控制（ATC）硬體分為車載控制單 元（VOBC）與車輛控制中心（VCC）兩部分，其中車輛控制中心（VCC）

至少每秒與列車通訊一次，且具有控制 125 列車之能力，如果車載控 制單元與車輛控制中心之通訊遺失、中斷或混淆超過 3 秒，車載控制 單元之失效偏向安全（Fail- to-Safe）機制便會啟動，使列車緊急煞車 停止。

林廣傑（民國 92 年）就 MBS 之發展、通訊式列車控制系統、通 訊式列車控制設計概念與列車速度曲線等方面進行移動式閉塞區間 與通訊式列車控制系統之技術發展【3】之研究。

早期 MBS 發展，乃將音頻軌道電路之固定閉塞區間縮短，後來 改為短距離定點偵測列車，1980 年代至 1990 年代移動式軌道電路以 軌道內側所佈設之電感迴路連續偵測列車位置。

通訊式列車控制系統是將列車自動控制系統之資料傳輸以無線 電通訊（Radio Communication）方式傳送，並透過信標（Beacon）比 對確認列車位置，由列車傳送列車資料與列車位置資訊至道旁區域基 地台（Wayside Station），經每一區域基地台與該區域行駛列車之車載 控制系統通訊，透過每列車內部之兩套智慧型列車資料庫－列車參數 資料庫與列車共用資料庫決定列車本身與其他列車的距離、速度曲 線、安全煞車距離、臨時速限、煞車率等資料條件，以決定列車本身 之最佳的安全煞車距離，其資料庫隨列車行進列車不斷收集資料庫內 所需之參數資料以進行列車速度曲線更新，使列車隨時保持動態控制 並更新下一步速度指令，並以正常速度曲線之預測值執行列車控制。

CBTC 列車運轉時，當列車愈接近前方列車時速度會愈慢，但不 會立即停車，直到列車自道旁無線電基地台所得前方列車位置一直不

變，且其速度碼為零，列車本身會依據正常煞車曲線於最後目標位置 停車。前方列車因故障而停車時，後方列車在未到達運轉速度曲線之 停車目標預定點時，仍會持續減速行駛，並保持電腦預測速度值，到 達目標位置後即以安全距離位置自動停止運轉，速度碼降為零。倘若 前方列車在啟動或維持動態運轉，且速度加快前進，後方列車會收到 前方列車位置變動，會重新修正運轉速度曲線，在列車尚未到達目標 位置時，列車速度曲線會持續更新，使列車提高可行駛之速度，列車 隨後開始加速，並與前方列車自動保持安全行車間距。

列車速度碼由原來 10、25、40、55、65、80KPH 等階段式速限 控制，改變成由 0~80KPH 之模糊控制，速度碼以每 1KPH 為單位之 快速反應速度曲線，直接由電腦計算安全煞車距離，利用更圓滑之列 車煞車曲線，提供較彈性之安全煞車距離，兩列車間之安全距離相對 縮短，可縮短列車班距。

Y. Zou, W. Oghanna, K. Hoffman （1999）於高效率自動列車控制 模擬模型【27】之研究，藉由構建純移動閉塞區間演算法（Pure Moving Block Algorithm）與動態控制演算法（Dynamic Control Algorithm）之 模擬模型，比較純移動閉塞區間系統與動態控制系統之差異。MBS 目前已有效的運用於少數高速鐵路及都會區捷運系統上，其列車之運 行分為靜態控制與動態控制兩種型態。

在捷運系統尖峰時段，任何微小的運行干擾，會導致列車間之相 互影響甚至造成路線交通擁擠，使列車由原本的靜態控制變成動態控 制。動態控制演算法考慮列車間之潛在相互影響，能塑造出列車之運

轉曲線，如此能減少列車間因相互影響而加減速時所產生之波動，進 而使列車順暢運轉，提高營運服務水準。通訊式移動閉塞區間系統可 提供列車間或列車與控制中心間足夠的資訊，以控制路線上所有列 車，並減少列車間不必要的相互影響與速度波動。

2.2 FBS 與 MBS 之班距

John Harrison 等人（1993）於避免列車追撞之號誌方法【32】， 說明固定閉塞區間與移動閉塞區間對班距之影響。固定閉塞區間之軌 道電路一般僅能以區間偵測列車，這個缺點限制了固定閉塞區間軌道 系統之最小班距。以亞特蘭大都會捷運系統為例，該系統可達到之最 小班距為 90 秒，90 秒班距主要由列車最大速度降為零速之煞車時 間，加上列車通過區間的額外時間，且最大的停車時間約為 50 秒至 60 秒，列車最大速度一般為 110KPH 至 130KPH。

當列車速度增加時，列車之最大煞車距離與煞車時間增加，在這 樣的情況下，較短的區間長度對班距的影響不大。移動閉塞區間主要 利用信標與車載號誌設備運作，以信標偵測列車位置，透過車載號誌 設備計算與前車之距離，藉由移動閉塞區間的原理來減少班距時間。

Yuqing Ding, Steven I-Jy Chien ,（2001）於改善大眾運輸服務品 質與即時控制系統下之班距規則【24】之研究，指路線上游較小的運 行干擾，其影響可能會對路線下游持續放大，增加旅客等候時間並減 少運能，因此以線性規劃構建即時控制模型（Real-Time Control

( )

⎥⎦ ⎤

⎢⎣ ⎡ + +

+ +

= a

L T L

b T V

h

2

min

( ) ^{( )}

⎥⎦ ⎤

⎢⎣ ⎡ + +

+

⎥ +

⎥ ⎦

⎤

⎢ ⎢

⎣

⎡

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

+

= a

L T L

b V L

b V

V INT T V

h L

a b b r b

a

2

2 2

2 /

2 min

Model）來維持設計班距，以達到列車行經所有車站之總班距變異最 小化。經美國新紐澤西州 Newark 地鐵之模擬測試結果，證明該即時 控制模型能有效控制班距並減少旅客之等待時間。

R. John Hill, Louisa J Bond（1995）以離散事件導向模擬構建移動 式閉塞區間號誌系統【30】之研究中，描述 FBS 與 MBS 量化之原理，

及道旁設備與列車間資料傳送之形式，並以離散事件導向模擬實際區 間 號 誌 系 統 之 行 車 控 制 。 實 例 以 德 國 慕 尼 黑 市 區 地 鐵 LZB510

（U-Bahn）系統模擬高效率之固定閉塞區間（High Performance Fixed Block）號誌系統，及加拿大 Sky-Train 之 SELTRAC 系統模擬 MBS。

於列車運行模式中，作者說明先行列車（leading train）準時離站，而 續行列車（following train）依照其正常煞車曲線進站的情況下，移動 式閉塞區間兩列車間之最小班距為：

（1）

於號誌系統中，作者引用 K. H. Kraft（1988）【33】在列車運行 未受干擾情況下，FBS 所能提供之最小班距為：

（2）

其中，L_a為區間長度，L_d為前車已經離站所行駛之距離，L_t為列車長 度，a 為列車加速度，V_b為列車最高時速，b 為煞車率，T_d為車站停 車時間，T_r為駕駛與列車之反應時間。

如果列車資訊僅藉由區間邊界（block boundaries）傳送，FBS 之 最小班距通常會被限制在 90 秒至 100 秒之間，實務上因考慮到營運 寬裕時間，通常班距會設定大約為 120 秒。若藉由可連續傳送資訊給 列車之軌道電路（Track Circuits）或線圈（Conductor loops），利用速 度碼及車載號誌通訊設備等傳送方式，在未考慮營運寬裕時間的條件 下，最小班距可縮短為 75 秒至 80 秒。若為 MBS，公式（2）中之區 間長度 L_a將為零，公式（2）將簡化成公式（1），理論上可縮短最小 班距至 60 秒以下。

作者經離散事件導向模擬，探討 FBS 與 MBS 之列車最高營運速 度與最小班距關係，經設定固定閉塞區間模擬模型與移動閉塞區間模 擬模型之各屬性，透過 SIMSCRIPT 模擬程式模擬後，顯示 MBS 確 實比高效率 FBS 可提供較小之最小班距。

Karl Heinz Kraft and Thomas Müller（2000）於捷運控制系統之績 效【25】，透過列車控制功能的分析顯示：區間長度決定正常營運情 況與營運受干擾情況下列車的運轉行為。由 Kraft (1988)的研究結果、

Hill and Yates (1992)、Rosenkranz（1997）關於理論基礎的研究，顯 示如何決定兩車站間每個區間的長度，至於列車因延誤造成的運轉行 為，可由電腦模擬來進行，可得出列車位置與時間的關係。區間長度 為自動列車控制系統中最重要的部份，並且對正常營運情況下及營運 受干擾情況下的列車運轉有明顯的影響。鄰近車站的閉塞區間長度可 以由公式決定，主線上其他的閉塞區間長度，透過營運受干擾情況下 的電腦模擬，必須考慮列車控制系統的功能與列車速度曲線。鄰近車

站各閉塞區間在考慮營運受干擾之列車運轉行為的情況下，其車站附 近各區間長度之相關理論公式如下：

其中：L_T 為列車長度，L_i 為車站附近各閉塞區間長度 i=0,1,2,..； a 為列車加速度，b 為煞車率，v_o為運轉速度；τ_min為最小營運班距，

τ₀為列車營運（時刻表）班距，T_S為列車靠站時間，T_R為系統反應 時間（趨近於零），T_d為列車延誤時間 T_d2=Td1-(τ0 -τmin)。

李文才、林廣傑（民國 91 年）於移動式軌道電路設計與發展【4】

之研究中，指 MBS 中，標識設計（Beacon）是目前最新的設計方式，

以每 6.25m 或其他如每 5m 至 10m 等不同距離安裝一固定位置，列車 採用微波天線發射，標識接到微波訊號後會反射它的位置給列車天 線。此種設計方式是以搭配無線電控制列車運轉而設計，因標識設計 之距離短，又有快速反應時間，因此這種方式的列車設計班距約可達 35 秒至 45 秒左右。

W.T. Lee, Y.T. Hsiao and K.C. Lin（2002）於移動式閉塞區間設 計發展【21】，指目前臺北捷運高運量系統音頻軌道電路可提供之最

小班距為 105 秒至 165 秒；而一般 MBS 可提供之最小班距為 30 秒至 70 秒，如果 MBS 應用於目前臺北捷運高運量系統上，理論上可以增 加兩倍的運量。基於移動閉塞區間原理之應用與通訊式列車控制系統 之快速發展，移動閉塞區間之控制方式也即將修改，但是由於系統技 術之不同，於實務上仍需克服電磁干擾、道旁無線通訊台之雜訊干 擾、雜散電流、通訊品質、系統穩定與系統可靠度等問題。

2.3 捷運系統運能分析方法

交通部運研所與中興工程顧問社（民國 93 年）於國內軌道容量 分析進行先期研究【2】，透過國內外軌道容量分析文獻整理與回顧，

及國內臺北捷運系統軌道容量分析案例，建立國內軌道容量本土化研 究之基礎。文中提到世界各國軌道容量分析之評估方法有三種模式結 構 ： 解 析 模 式 （ Analytical Model ）、 模 擬 模 式 及 最 佳 化 模 式

（Optimisation Model）。然而該文獻屬於先期研究，因此尚未開發相 關之應用程式，且模擬模式或最佳化模式多被包裝於套裝軟體中，其 內容不易得知，因此以較為簡單、普遍之解析模式為主，該研究中之 臺北捷運系統軌道容量分析案例亦以解析模式為主，並以敏感度分析 檢視各影響因素對運能之影響趨勢及敏感度之相對大小。

陳智淵（民國 91 年）於台北捷運列車運行動態模擬【6】之研究，

說明就列車運轉模擬中，通常採用等時間或距離間隔的方式進行模 擬，時間或距離間隔愈小，可得到越精確的模擬結果；反之，較大的

時間或距離間隔，其模擬結果將存在較大的誤差。

美國大眾運輸容量暨服務品質手冊二版（2003）於第五篇軌道運 輸容量【20】，對於軌道路線容量計算方式提供基礎背景、計算程序、

計算方式與相關計算公式，其計算步驟如下：

（一） 決定最繁忙之車站

（二） 決定號誌安全時距

FBS 所需之最小號誌安全時距之公式如下：

MBS（固定安全區間）所需之最小號誌安全時距之公式如下：

具有較高效益之 MBS（可變安全區間）所需之最小號誌 安全時距之公式如下：

其中，各參數符號定義如下表所示：

參數符號 定義 單位

L

d

v

v

f

b

t

t

t

a

d

a

G

G

l

P

S

h

t

t

t

（三） 決定列車停站時間

停站時間對於最小班距影響甚鉅，影響停站時間之因素包 括：旅客流時間、列車車門開啟與關閉時間、列車停妥等候開 門時間及車門關閉等候發車時間等。根據該手冊所述，一般主

om d

cs

t t

t

h

= + +

要車站之停站時間為 30 至 45 秒，而停站時間亦可指定合理數 值、使用既有停站資料、使用同系統內其他站停站時間或由尖 峰小時旅客流計算等方式求出。

（四） 決定運轉寬裕時間

運轉寬裕時間主要為列車運行中如有不預期之情況發生 時，避免列車因延誤影響下一列車之運作，所保留之營運寬裕 時間。雖運轉寬裕時間並非一定，但該手冊建議：系統若在最 大容量且可允許之運轉寬裕時間較少時的情下營運時，則運轉 寬裕時間可為 20 至 25 秒；一般情況建議可設為 25 秒，但若 有更多服務需求時，可降至 20 秒或 15 秒；未知或不確定系統 長期需求時，可設為 25 秒。

（五） 決定乘客承載水準

該手冊以單位列車長度的旅客數表示。

（六） 決定尖峰小時因素

該手冊建議採用尖峰 15 分鐘尖峰小時因素值為：重軌系 統 0.80、輕軌系統 0.75、以電聯車營運之通勤系統 0.60，其公 式定義如下：

（七） 整體運算

將上述各項分別計算後得到最小班距如下：

其中，t_CS為號誌安全時距，t_d為停站時間，t_om 為營運寬 裕時間。

min

3600 C = h

則路線最大運能為：

Alex Landex and Anders H. Kaas（2005）於高密度鐵路路線最適 行車速率規劃【14】之研究，利用高密度鐵路路線最適行車速率計算 的新方法，使擁擠的軌道路線上盡可能的達到最高運能。而此方法所 計算之最適行車速率，主要以煞車距離及聯鎖系統的資訊為基礎，煞 車距離為計算最適行車速率之關鍵參數，經一連串之公式推導與計 算，由煞車距離可以計算最小班距，當取得列車發車頻率以後，進一 步可決定緩衝時間，因此營運班距為最小班距加上營運寬裕時間。營 運寬裕時間是路線上容量的餘裕，路線上的寬裕時間愈多，列車的準 點率愈高，且可多增加列車的可能性亦愈高。以哥本哈根為例，在哥 本哈根市中心路線最高時速降低 6%可增加 11%的運能，而所增加的 運能，可以改善哥本哈根市中心路線列車的準點性，即使部分增加的 運能被用來提供更多列車進行營運。

第三章 FBS 與 MBS 之控制方式與運作原理

本章先分別對 FBS 與 MBS 之控制方式與運作原理進行探討，最 後再對此兩種號誌系統之控制方式進行比較，以為後續章節分析之基 礎。

3.1 FBS 之控制方式與運作原理

3.1.1 FBS 之佈設配置與設備

FBS 乃將路線劃分成許多閉塞區間，每個區間長度長短不一，區 間與區間交界為區間界線，每個區間界線旁設置號誌設備，利用道旁 之色燈號誌顯示不同燈色以告知列車駕駛前方區間之狀況，以作為列 車駕駛操控列車之依據；或以道旁號誌設備透過軌道電路傳輸號誌訊 號至列車上之車載號誌系統，以作為列車自動控制系統控制列車之依 據。

捷運系統因班次密集及站距較短，為有效控制及監督各列車，以 提高列車之行車效率與安全性，捷運系統皆採用車載號誌。因此，為 配合車載號誌運作，固定式閉塞區間之區間界線處皆設置道旁號誌設 備，並透過軌道電路傳輸號誌訊號至列車上之車載號誌設備。

捷運固定式閉塞區間之佈設原則與硬體設備說明如下：

一、 固定式閉塞區間之佈設配置

（一） 區間長度需大於列車長度

都會捷運車站之站距一般為 800m 至 1000m 不等，為 有效偵測列車是否佔用區間，各閉塞區間之長度需大於列

車長度。以目前臺北捷運高運量系統為例，固定編組之 6 節車廂電聯車，其列車長度為 141 m，固定閉塞區間長度 自 170m 至 460m 不等。並規定每一閉塞區間同時僅容許一 列車進入，以確保各列車受閉塞區間之保護。

（二） 區間長度依佈設路線位置有所不同

固定閉塞區間係考慮路線條件、軌道線型、列車煞車 距離等劃分其長度，因此路線位置不同，區間長度有所不 同。行駛速率較低之區間及車站區間其區間長度較短，為 15m（轉轍區）至 171m（車站區間）不等；行駛速率較高 之路段區間，因所需煞車距離較長，故其區間長度較長，

一般為 170m 至 460m 不等。

（三） 區間界線配置號誌設備

捷運系統以阻抗搭接器（Impedance Bond）界定區間 界線，由於每一閉塞區間同時僅容許一列車進入，因此每 一區間界線處配置道旁號誌設備，以控管列車是否能進入 下一個閉塞區間，同時並提醒列車前方區間之狀況，以控 制列車之加速、減速或停車。

二、 FBS 之設備

固定閉塞區間之硬體設備可分為車載設備、道旁設備、號誌設 備室與行控中心。

（一） 車載設備

車載設備主要包含自動列車控制（ATC）之車載控制 單元、傳送接收線圈及天線。自動列車控制系統包含三個

子系統：自動列車操作系統（ATO）、自動列車防護系統

（ATP）與自動列車監督系統（ATS）。車載 ATC 控制單元，

主要執行 ATO、ATP 及 ATS 三個子系統之功能，透過 TWC 傳送線圈傳送列車訊號至道旁設備，並透過 TWC/ATP 接 收線圈接收來自於道旁設備之訊號與 ATP 速限給列車，進 站時以定位天線進行列車停靠之定位較準。

（二） 道旁設備

固定閉塞區間界線以阻抗搭接器分隔，兩相鄰的阻抗 搭接器構成一個閉塞區間。透過阻抗搭接器接收由列車傳 至道旁 TWC 之訊號，並傳至號誌設備室；阻抗搭接器接 收亦來自號誌設備室之 ATP 速限及道旁至列車 WTC 訊 號，並透過音頻軌道電路傳至列車之車載號誌單元。此外，

藉由兩相鄰之阻抗搭接器發送與接收偵測訊號，阻抗搭接 器亦進行列車偵測。列車偵測方式將在 3.1.2 小節中說明。

（三） 號誌設備室

號誌設備室接收來自阻抗搭接器之訊號，除判定區間 是否被列車佔用，並持續發出 ATP 速限等功能外，也會將 所接收到的 TWC 訊號透過資訊傳輸系統傳回行控中心。

同時號誌設備室也執行來自行控中心的控制指令，並將控 制指令傳至阻抗搭接器。

（四） 行控中心

行控中心為主線上列車監控管理之指揮調度中心。在 列車控制方面，行控中心能依照系統內所設之時刻表自動

發派列車，並依照主線上實際狀況，對列車速度、列車班 距或停車時間等設定值做調整。在路線方面，行控中心可 控制主線上轉轍器之正位或反位，並設定各列車運行之路 徑。在監督管理方面，行控中心可以監視列車、路線、車 站之況狀，並在突發狀況發生時緊急處理。

3.1.2 FBS 之控制方式

FBS 係利用車載號誌設備、道旁設備、號誌設備室及行控中心 等，對列車進行全面的監督與控制，對於整個 FBS 之控制方式說明 如下。

一、 列車偵測

兩相鄰之阻抗搭接器所構成之閉塞區間，下游區間界線阻抗搭接 器之發送器持續將偵測訊號饋入行車軌，當閉塞區間無列車時，軌道 電路為通路，則上游區間界線阻抗搭接器之接收器便能接收到偵測訊 號，使繼電器激磁，號誌系統顯示該閉塞區間為安全，如圖 3-1 所示。

當列車進入閉塞區間時，軌道電路因車輪、車軸之進入與兩行車軌形 成分流，因此，上游區間界線阻抗搭接器之接收器便無法接收到來自 下游阻抗搭接器之發射器所發送之偵測訊號，進而使繼電器失去激 磁，號誌系統顯示該閉塞區間遭列車佔據，如圖 3-2 所示。由於閉塞 區間為連續，因此每一區間界線之阻抗搭接器，除為上游訊號之發射 器，亦為下游訊號之接收器。

圖 3-1 列車未佔據閉塞區間之示意圖

圖 3-2 列車佔據閉塞區間之示意圖 二、 速度碼

速度碼為自動列車控制系統控制列車之依據，其接收方式、種類 與作用，及列車運轉時速度之功能位階，說明如下。

（一） 速度碼之接收

當列車進入閉塞區間，經號誌設備偵測列車佔用區間 後，號誌設備室便會持續傳送 ATP 速度指令至阻抗搭接 器，再由阻抗搭接器饋入行車軌後，由列車底部轉向架前

方之 ATP 接收線圈接收 ATP 速度指令至列車車載控制單 元，經調變解碼後，即可得到列車速度碼，以作為自動列 車控制系統操控列車之依據，如圖 3-3 所示。

圖 3-3 列車接收 ATP 速度碼示意圖

（二） 速度碼之種類與作用

捷運系統 FBS 根據路線軌道線型、列車性能、列車 運轉機制、列車安全煞車距離等條件，於號誌設備室設定 各閉塞區間不同之 ATP 速限，列車依各閉塞區間所接收 之 ATP 速限行駛。以臺北捷運高運量系統為例，ATP 速 度碼有：0KPH、10KPH、25KPH、40KPH、55KPH、65KPH、

80KPH。各速度碼之作用，說明如下：

1. 速度碼 0KPH

當閉塞區間遭列車佔據時，該閉塞區間之號誌系 統即顯示列車佔據，此時，其後方第一個閉塞區間之 速度碼為 0KPH，任何進入佔據區間後方第一個閉塞 區間之列車將會接收到零速指令，則列車減速並停止

於此佔據區間前，以避免列車闖入佔據區間。

2. 速度碼 10KPH

當列車行駛至終端站時，如臺北捷運高運量系統 之淡水站、南勢角站等，為防止列車衝出軌道終點或 撞擊止衝檔，進站時列車會接收到 10KPH 之速度 碼，以低速緩慢進站，同時自動進行程式化靠站停 車，以策安全。

3. 速度碼 25KPH

當閉塞區間遭列車佔據時，該閉塞區間之號誌系 統即顯示列車佔據，此時，其後方第一個閉塞區間之 速度碼為 0KPH，其後方第二個閉塞區間之速度碼為 25KPH。意即，當列車接收到警戒速度碼 25KPH 時，

代表列車前方第二個閉塞區間有列車佔據，為了安全 起見，列車必須減速並以 25KPH 之慢速持續前進。

4. 速度碼 40KPH

如前點所示，速度碼 40KPH 之作用與速度碼 25KPH 之作用相同，但因目前列車本身所佔據區間 的下一個閉塞區間長度較長，有足夠安全煞車距離 時，其警戒速度碼將收到 40KPH。

另外，當路線前方有特殊軌道線型之安全考量 時，列車會接收到 40KPH 之速度碼。以臺北捷運高 運量系統為例，北投站往奇岩站之下行方向，北投站 出站後，列車高架爬坡並下坡至奇岩站，列車持續接

收到 40KPH 之速度碼；圓山站往民權西路站之下行 方向，列車因下坡轉彎進入民權西路站，準備進站前 亦會接收到 40KPH 之速度碼。

5. 速度碼 55KPH

如前點所示，速度碼 55KPH 之作用與速度碼 40KPH 之作用相同，唯當路線前方特殊軌道線型之 變化較小時，速度碼為 55KPH。

6. 速度碼 65KPH

當路線前方軌道線型變化不大時，速度碼為 65KPH，為一般正常行駛之速度碼，較為常見。

7. 速度碼 80KPH

當路線前方趨近於直線段，且前方第三個閉塞區 間無列車佔據時速度碼為 80KPH，為一般正常行駛 之速度碼。

（三） 功能位階

列車自道旁號誌設備所接收到的 ATP 速限為列車當 時所能行駛的最大速限，然而列車實際運轉時，會納入所 謂的功能位階，藉由功能位階的調整，以達到調整車速的 目的。功能位階可分為：

1. 功能位階 1（PL1）

列車實際運轉速限等於 100% 的 ATP 速限。

2. 功能位階 2（PL2）

列車實際運轉速限等於 90% 的 ATP 速限。

3. 功能位階 3（PL3）

列車實際運轉速限等於 80% 的 ATP 速限。

正常情況下，列車設定之功能位階為 PL2；若列車誤 點時，則功能位階調整為 PL1 以進行趕點；若列車比表 定時刻提前時，則功能位階調整為 PL3 以維持列車準點。

三、 程式化車站停車

程式化車站停車提供列車到站自動停車，該程式化車站停車曲線 已設定於車載號誌之 ATO 內，在列車接近車站前會將速度曲線切換 至程式化車站停車曲線，因此列車之速度來源有下列兩種：

1. 列車接收之 ATP 速限經功能位階調整後之實際運轉速限。

2. 程式化車站停車曲線速限。

ATO 以上述兩者中速度較低者為列車實際運轉車速，接近車站 時，經與軌道上之車站外部信標線圈（距離停止位置 350m 處）感應 後，列車將速度曲線切換至程式化車站停車曲線，開始執行自動車站 停車功能，配合軌道上定點之信標線圈（距離停止位置 150m、25m 及 8m 處）及月台端牆附近之定位線圈互相感應，使列車能平穩的煞 車進站，並對準正確位置自動停妥。

四、 控制方式

FBS 之控制方式，主要透過車載號誌設備、道旁設備及號誌設備 室之訊號相互傳遞與運作，先對列車進行偵測動作，確認閉塞區間遭 列車佔據後，由號誌設備室持續發送 ATP 速限，同時行控中心對列 車進行監控，必要時下達適當控制指令，使線上各列車能有效運轉於 主線上，以達到號誌系統控制之目的。

各列車運轉時會在各閉塞區間持續接收 ATP 速限，號誌設備室 依各閉塞區間速度碼預設值或前方區間遭列車佔據情況下，持續發送 ATP 速限，經由阻抗搭接器透過音頻軌道電路，由列車 ATP 接收線 圈接收，並傳送至列車上之車載自動列車控制單元，以作為列車控制 之依據。值得注意的是，捷運系統之 FBS，當列車佔用閉塞區間時，

列車本身後方至該閉塞區間後方區間界線的範圍內，並不會有任何速 度碼產生，這也提供了列車行駛安全上更多一層的保護。捷運系統 FBS 之運作原理與速度曲線圖，本研究將在下節詳細說明。

3.1.3 FBS 之運作原理

FBS 控制方式下，列車以各閉塞區間之 ATP 速限運轉，在正常 情況下，列車以一般速度指令行駛，直到車站進行程式化自動停車；

在前方區間遭列車佔據，列車本身與前車距離接近時，列車本身接收 到警戒 ATP 速限，先減速至警戒速度行駛，號誌設備室將依路線前 方列車佔據區間之狀況，在下一個區間界線發送適當之速度碼，以有 效控制列車之運作，提高運轉效率。

一、 正常情況之運作原理與速度曲線

在正常情況下，號誌設備室依各閉塞區間速度碼預設值發送 ATP 速限，列車會在各閉塞區間持續接收一般速度指令，以較高之 ATP 速度碼（80KPH 或 65KPH）為依據持續行車。當列車準備進站時，

車載控制單元將一般速度曲線切換至程式化車站停車曲線，由於列車 之程式化車站停車曲線之速限較列車所接收到之 ATP 速限為低，因 此列車將依照程式化車站停車曲線，進行自動靠站停車。當列車離站

出發時，列車又將依照 ATP 速限行駛，其列車速度曲線，如圖 3-4 所示。

圖 3-4 FBS 列車正常情況下運轉速度曲線圖 二、 前方區間遭佔據時之運作原理與速度曲線

當列車本身進入的閉塞區間，其前方第二個閉塞區間有其他列車 佔據時，代表列車本身與前車距離已經接近，為防止列車車速過快，

煞車不及有追撞前車之虞，列車本身在進入此閉塞區間時將接收到警 戒 ATP 速限，此時列車必須減速至警戒速限（台北捷運為 25KPH 或 40KPH）並以此速限持續前進，如圖 3-5 所示。

圖 3-5 列車本身與前車距離接近速度曲線圖

當列車本身以警戒 ATP 速限 25KPH 或 40KPH 繼續前進至下 一個閉塞區間時，此時所接收到的速度碼有三種可能：

1. 當列車本身所在區間前方第一個閉塞區間仍被前方列車佔據 時，此時列車本身會收到零速指令，速度碼為 0KPH，列車本身 會依據自動列車控制單元之停車速度曲線煞車停車於此閉塞區 間末端前方，以避免列車本身闖入前方被佔據之閉塞區間，直到 列車本身接收到新的速度碼列車始可加速前進，其列車運作與速 度曲線，如圖 3-6 所示。若列車無法順利減速並於此閉塞區間末 端前停車，而有進入已被佔據區間之虞時，列車自動防護系統

（ATP）便會自動啟動緊急煞車機制強迫列車緊急煞車至停車。

圖 3-6 列車本身前方第一個閉塞區間遭佔據時速度曲線圖

2. 當列車本身所在閉塞區間前方第一個閉塞區間無列車佔據，而前 方第二個閉塞區間有列車佔據時，此時列車本身依舊收到警戒 ATP 速限 25KPH 或 40KPH，持續以慢速前進，其列車運作與速 度曲線，如圖 3-7 所示。

圖 3-7 列車本身前方第二個閉塞區間遭佔據時速度曲線圖

3. 當列車本身所在區間前方第一個閉塞區間及第二個閉塞區間皆 無列車佔據時，代表列車本身前方閉塞區間狀況正常，列車將接 收到一般速度指令，以較高之 ATP 速限（80KPH 或 65KPH）行 駛，此時列車開始加速前進，其列車運作與速度曲線，如圖 3-8 所示。

圖 3-8 列車本身前方閉塞區間狀況恢復正常時速度曲線圖

值得注意的是：當列車本身前方第二個閉塞區間遭其他列車佔 據，且列車本身前方第一個閉塞區間其區間長度較長足以讓列車本身 以 40KPH 煞車至停止時，列車所接收到之警戒 ATP 速限可為 40KPH；當列車本身前方第二個閉塞區間遭其他列車佔據，但列車本 身前方第一個閉塞區間其區間長度較短時，列車所接收到之警戒 ATP 速限為 25KPH，以便列車需要煞車至停止時，列車能以較安全及較 保守之警戒 ATP 速限減速煞車至停止。

3.2 MBS 之控制方式與運作原理

3.2.1 MBS 之原理、設計型式與設備

MBS 技術逐漸發展成熟並受到重視，已開始運用於少數都會區 捷運系統中。移動式閉塞區間原理、移動式閉塞區間之設計型式及相 關之硬體設備說明如下。

一、 移動式閉塞區間原理

移動式閉塞區間可視為許多非常小的固定閉塞區間，且區間長度 趨近於零，列車與前車之間除維持正常煞車距離外，並額外加上安全 距離，以作為最壞狀況下列車緊急煞車之保障距離。移動式閉塞區間 係將路線劃分成許多區域，列車本身每數秒和道旁區域基地台的通 訊，得到前車位置、前車目前速度、前方路線條件等參數，經由列車 車載資料庫電腦計算列車本身運轉之速度曲線並隨時更新，以作為車 載號誌控制單元控制列車加速或減速之依據，使列車能順利運轉至目 標位置點，同時能與前車保持適當之安全距離。

二、 MBS 之設計型式

MBS 最早由固定閉塞區間音頻軌道電路改良而來，後來以迴路 式軌道電路較為常見。隨著技術發展，新一代的 MBS 以信標偵測設 計為主。分別說明如下：

（一） 固定閉塞區間改良型

最早之移動式閉塞區間概念其實來自傳統固定閉塞區 間之音頻軌道電路，係將固定閉塞區間長度縮短，且每一 閉塞區間長度相同，並配合系統軟體之改良與硬體設備之 增加，以縮短列車間之安全距離。然而，因需要大量的號

誌設備，且縮短班距之效果有限，因此已被淘汰。

（二） 迴路式軌道電路型

早期 MBS 以迴路式軌道電路型較普遍，其迴路長度較 常見的為 25m，下坡路段則採用較長之迴路長度如 50m 或 100m。迴路式軌道電路係將電感迴路佈設在軌道內側以連 續偵測列車位置，並透過列車與道旁號誌設備及道旁號誌 設備與列車控制中心間之連續雙向訊號傳輸，將前車所在 位置、速度、路線條件等資料傳送至列車之車載號誌控制 單元，以作為控制列車加速、減速與停車等依據。其訊號 傳輸係將軌道內側所佈設之電感迴路以磁場感應方式傳至 鐵軌，再經由鐵軌以磁場感應方式將訊號傳至列車之車載 號誌控制單元，如圖 3-9 所示。

圖 3-9 迴路式 MBS

（三） 信標偵測型

新一代之 MBS 主要採用通訊式列車控制系統，為配合 通訊式列車控制系統之運作，其軌道電路採用信標偵測設

計。該型式係依軌道線型及路線條件在軌道中央以每 5m 至 25m 間不等之距離設置一個信標，當列車經過時會發射 訊號，信標感應後會將位置資訊反射給車載資料庫，列車 會將車載資料庫內各項資料傳至道旁區域基地台。道旁區 域基地台接收區域內各列車之資料後，會將前車位置、前 車目前速度與前方路線條件傳回至列車本身，以作為車載 資料庫電腦運算及車載無線電自動列車控制單元控制列車 之依據，如圖 3-10 所示。

圖 3-10 信標偵測式 MBS 三、 MBS 之設備

（一） 車載設備

車載設備主要包含智慧型無線電自動列車控制系統

（Radio ATC）模組、列車通訊設備及車載資料庫等。智慧 型無線電自動列車控制系統主要利用列車上之無線電通訊 設備與軌道控制元件及道旁區域基地台進行雙向通訊，以 執行 ATO、ATP 及 ATS 三個子系統之功能。車載資料庫主

要有列車參數資料庫與列車共用資料庫，列車參數資料庫 主要提供列車本身運轉速度、加速度與減速度、緊急煞車 率與服務煞車率、前方列車位置、前方列車長度、前方列 車速度等等參數；列車共用資料庫主要提供軌道線型、路 線狀況、車站停車位置點、信標位置、無線電頻率等等相 關參數。列車依據此兩套資料庫決定列車本身與其他列車 間的距離、速度曲線、安全煞車距離、煞車率等資料條件 以決定列車本身最佳的安全煞車距離，且車載資料庫隨列 車行進每隔數秒會接收來自道旁區域基地台的資訊以進行 列車運轉曲線更新。

（二） 位置信標

位置信標提供信標編號及絕對參考座標給車載資料 庫，為被動感應電子元件，依軌道線型與路線條件不同對 其安裝距離做適當調整，一般以每 5m 至 25m 間不等之距 離安裝一個位置信標於軌道中央。當列車經過時會發射訊 號給位置信標，位置信標感應後會將信標編號、絕對參考 座標等位置資訊反射給車載資料庫。列車會將車載資料庫 內各項資料傳至道旁區域基地台，道旁區域基地台接收區 域內各列車之資料後，會將前車位置、前車目前速度與前 方路線條件傳回至列車本身，以作為車載資料庫電腦運算 及車載無線電自動列車控制單元控制列車之依據。

（三） 道旁區域基地台

道旁區域基地台為列車與列車控制中心間資訊接收與

傳送之道旁設備，路線上每區域皆設置一個道旁區域基地 台，每個道旁區域基地台可以同時控制之列車數為 10 至 40 列不等。道旁區域基地台負責接收區域內各列車之無線 電訊號資料，並將各列車之資料傳回區域內各列車之車載 無線電自動列車控制單元上，作為車載資料庫之資料來 源，藉此達到車載資料庫更新之目的。

每一道旁區域基地台涵蓋範圍邊緣與鄰近之道旁區域 基地台之涵蓋範圍邊緣互相重疊，並以傳輸纜線連接各區 域基地台，使各列車行經不同道旁區域基地台涵蓋範圍 時，能藉由重疊區與傳輸纜線之設置，維持無線電通訊之 連續並達到資料換手傳遞的目的，如圖 3-11 所示。

圖 3-11 道旁區域基地台與列車通訊示意圖

（四） 列車控制中心

列車控制中心負責統整各列車之運轉資料與監控各列 車之運轉情形，並視情況傳送適當之控制指令至道旁區域 基地台，再由道旁區域基地台發送到區域內各列車之車載

號誌控制單元上。

3.2.2 MBS 之控制方式

新一代之 MBS，係以移動式閉塞區間原理為軟體架構，並配合 通訊式列車控制（Communication-Based Train Control, CBTC）技術來 達到系統控制之目的。所有列車搭配車載無線電自動列車控制（Radio Auto Train Control, Radio ATC）系統，以無線電訊號傳輸方式，進行 列車與道旁區域基地台之雙向通訊。當列車於主線上行進時，各列車 透過位置信標反射訊號不斷更新列車本身所在之絕對位置，車載無線 電自動列車控制單元並將列車位置、列車長度、運轉速率、加減速率、

列車運轉狀況等資料以無線電訊號傳輸至道旁區域基地台。道旁區域 基地台接收區域內各列車相關資料後，將相關資料與來自列車控制中 心之行車指令傳回給各列車。各列車將所接收到有關前車位置、前車 車長、前車目前速率、前車加速率、前車減速率、前方路線狀況、前 方軌道速限等資訊與車載資料庫之資料進行比較，經車載資料庫計算 與修正後，列車將自動調整車速，並適時的加速或減速，以維持列車 最高運轉效率，並與前車保持最佳的安全煞車距離。

MBS 依前述方式進行列車控制，其速度曲線以模糊理論為控制 邏輯，其速度碼由原來 10KPH、25KPH、40KPH、55KPH、65KPH、

80KPH 等階段式速限控制，改變成以 0KPH 至 80KPH 為範圍且速度 以每 1KPH 為單位的反應速度曲線。當列車本身與前車距離愈接近 時，列車本身速度會愈慢，並維持一定安全距離；當前車因停止、故 障、訊號錯誤等情況發生時，列車本身將不斷接收到來自道旁區域基

地台之前車位置一直不變且速度為零之資訊，列車本身會依據車載資 料庫所計算出來的正常煞車曲線進行煞車減速，並停車於目標位置 點，以避免追撞前車。MBS 提供最佳的安全煞車距離，兩列車間之 安全距離相對縮短，可縮短列車班距，其運作原理與速度曲線圖，本 研究將在下節詳細說明。

3.2.3 MBS 之運作原理

MBS 係車載無線電 ATC 單元不斷與道旁區域基地台通訊，同時 藉由位置信標連續偵測得到列車位置，並與車載資料庫進行比較，經 車載資料庫計算與修正後，列車依據更新後之速度曲線運轉。

一、 正常情況之運作原理與速度曲線

正常情況下，列車於主線上以正常運轉曲線行駛。列車出站後，

列車直接加速至正常運轉曲線所提供之最高速限行駛。由於路線條件 與軌道線型的不同，路段行駛速限有所不同，因此列車繼續行進時，

車載資料庫每隔數秒便接收來自道旁區域基地台的資訊以對正常運 轉曲線進行更新，列車藉由不斷更新的正常運轉曲線自動調整車速，

使列車能平滑穩定的持續前進。直到列車接近車站前，列車便將正常 運轉曲線切換至正常煞車曲線，並依照程式化車站停車進行列車自動 靠站停車，並停止於目標停車位置點上，其速度曲線圖如圖 3-12 所 示。

圖 3-12 MBS 列車正常情況下運轉速度曲線圖 二、 列車接近前車時之運作原理與速度曲線

列車運轉時一般以正常運轉曲線為主；而列車準備停車時係以煞 車曲線為主，煞車曲線以正常煞車曲線（Normal Braking Curve）為 主要，以警告煞車曲線（Warning Braking Curve）為次要，並輔以緊 急煞車曲線（Emergency Braking Curve）。前車因故障或突發事件而 停止時，後方列車依據正常煞車曲線逐漸減速運轉，最後停止於目標 停車位置點，並與前車保持安全距離。在此情況下，若後方列車煞車 速度超出正常煞車曲線時，後方列車會自動修正煞車曲線改以警告煞 車曲線進行煞車並調整煞車率或減速率，進行適當之車速調節，以確 保列車安全煞車。若後方列車煞車速度超出警告煞車曲線時，後方列 車便會將煞車曲線切換至緊急煞車曲線並啟動緊急煞車機制強迫列 車在最短時間內停止，以確保後方列車追撞至前車前，能完成緊急煞 車動作並停止於緊急停車位置點，同時維持兩列車間 25m 之額外最 小安全距離，其速度曲線圖如圖 3-13 所示。

圖 3-13 MBS 列車煞車曲線示意圖

前車因故障或突發事件而停止時，後方列車依據正常煞車曲線逐 漸減速運轉。在後方列車尚未到達目標停止位置點時，倘若前車故障 或事件排除，前車開始前進並持續運轉，後方列車將接收到來自道旁 區域基地台提供有關前車位置變動、速度增加、持續前進等資訊，後 方列車便會重新修正並持續更新運轉曲線，因此後方列車便開始逐漸 加速，並自動與前車維持適當之安全距離，其速度曲線圖如圖 3-14 所示。

圖 3-14 前車故障排除後車修正速度曲線示意圖

3.3 FBS 與 MBS 之運作差異

FBS 與 MBS 除軟體功能與硬體設備不同外，在此兩種號誌系統 控制下，其運作方式明顯不同，本小節將探討此兩種閉塞區間號誌系 統之運作差異。

一、 正常情況下此兩種閉塞區間號誌系統之運作差異

在 FBS 之運作下，依軌道線型與路線條件不同閉塞區間長度有 所不同，為維持列車與前車保持安全距離並以正常速度運轉，正常情 況下列車與前車之間須保持至少兩個閉塞區間距離，並以 90%之 ATP 速限行駛。然而列車於閉塞區間中之實際位置無法確切得知，列車所 在位置之解析度相對較差，其確實的位置只能解析至閉塞區間長度，

而每個固定式閉塞區間長度為 170m 至 460m 不等，加上列車與前車 間須保持至少兩個閉塞區間距離，因此兩列車間之安全距離較長，則 最小班距較長。

在 MBS 之運作下，列車所在位置之解析度目前已經縮小至 0.25m 到 6.25m 不等，又移動式閉塞區間之區間長度為零，正常情況下列車 與前車之間保持一適當之安全距離，並依照車載資料庫電腦所提供之 正常運轉曲線行駛，兩列車間之安全距離可相對縮短，最小班距相對 縮短。

二、 受運行干擾下此兩種閉塞區間號誌系統之運作差異

捷運系統之班距可分為未考慮營運寬裕時間的最小班距與考慮 營運寬裕時間的營運班距。若考慮因誤點或突發狀況等運行干擾發生 時之運轉餘裕，則最小班距會額外加上營運寬裕時間，以避免某列車 因延誤而影響後續列車的運行，並藉由運轉餘裕提供列車進行趕點，

以維持各列車到站之準點性。在 FBS 之運作下，列車平常以 90%之 ATP 速限行駛，當列車延誤時，列車本身會自動調整其功能位階以 100%之 ATP 速限進行趕點。若前車發生故障或突然停止時，列車本 身會在距離前車兩個閉塞區間時減速行駛（詳如 3.1.3 節所述），並在 距離前車一個閉塞區間時停車，待狀況排除後，受影響之各列車以 100%之 ATP 速限進行趕點。在受運行干擾之影響範圍內，離故障列 車距離愈遠之列車，其前方受影響而停止或減慢之列車愈多，因此受 影響之各列車其所受之運行干擾大小與故障列車之距離成正比，且所 需之運轉餘裕與運行干擾大小成正比，加上 FBS 列車間之安全距離 較長，因此 FBS 所需之營運寬裕時間較多。

在 MBS 之運作下，列車依車載資料庫電腦所計算之正常運轉曲 線行駛，列車本身之速度與前車距離成正比，當列車本身與前車距離 愈接近時，列車本身速度會愈慢，但不會停止；若前車發生故障或突 然停止時，列車本身會切換至煞車曲線進行停車，在最壞的狀況下，

列車本身停止後會與前車保持 25m 之額外最小安全距離。在這樣的 情況下，因 MBS 提供較彈性與靈活的運作方式，使列車本身與前車 之安全距離縮小，對上游各列車之運行干擾相對縮小，因此 MBS 所 需之營運寬裕時間亦相對縮小。

經探討 FBS 與 MBS 之運作差異發現，FBS 在正常情況下其最小 班距較長，若考慮所謂的營運寬裕時間，則營運班距亦較長；MBS 在正常情況下其最小班距較短，若考慮營運寬裕時間，則營運班距相 對亦較短。

為深入了解在 FBS 與 MBS 控制方式下路線所能達到之最大運

能，在不考慮營運寬裕時間之情況下，本研究將於第四章分別構建 FBS 與 MBS 之模擬模型，同時開發 FBS 與 MBS 之模擬模式，以為 後續章節分析之工具程式。

第四章 FBS 與 MBS 模擬模式之構建

本章節首先構建 FBS 模擬模型，對其模擬系統進行設定，並訂 定系統運作規則，進而透過程式語言所撰寫之模擬模式將模型程式 化，以建立 FBS 之模擬模式，並對該模擬模式進行驗證，以確認模 式之適用性。最後構建 MBS 模擬模型，並透過程式語言發展出 MBS 模擬模式，最終再對該模式進行檢核。

4.1 FBS 模型構建

4.1.1 模擬系統設定

本研究以臺北市都會區高運量捷運系統圓山站至劍潭站路段為 模擬系統基礎，其預設之各閉塞區間長度及 ATP 速限係參考臺北市 都會區高運量捷運系統圓山至劍潭段原先規劃之閉塞區間長度及 ATP 速限，如圖 4-1 與表 4-1 所示。模擬路線總長度共 1515m，圓山 站列車停止位置位於路線 0m 處，劍潭站列車停止位置位於路線 1515m 處，圓山站與劍潭站之間預設有 5 個閉塞區間，加上劍潭站之 車站區間，路線共劃分成 6 個固定閉塞區間。由模擬起點產生列車 T1 與列車 T2 兩列車進行模擬，列車皆以車載號誌系統配合 4.1.2 節 所訂定之 FBS 運作規則全自動運轉，並在車站自動靠站停車，直至 列車 T2 靠站停車後結束模擬。依照目前臺北捷運現況，停站時間 T_D 為 25s、列車長度 L_T為 141m（台北捷運高運量標準列車編組）、列車 加速度 a 為 1.0m/s²、列車減速度 b 為 1.0m/s²、列車煞車系統反應時 間 T_R為 1.5s。

圖 4-1 台北捷運高運量圓山至劍潭站路線佈設現況圖

表 4-1 各閉塞區間預設之最高 ATP 速限與區間長度

區間編號

區間預設 最高 ATP 速限

前方第二個區間 遭佔據之警戒速限

區間長度 備註

- - - - 圓山站

01 80KPH 55KPH 279m 02 80KPH 25KPH 355m 03 80KPH 40KPH 180m 04 65KPH 40KPH 255m 05 65KPH 40KPH 275m

06 65KPH 25KPH 171m 劍潭站

由表 4-1 中，各閉塞區間依所在位置提供不同之區間最高 ATP 速 限，列車離開圓山站後，區間 01 至區間 03 列車可以最大 ATP 速限 80KPH 運轉，接近劍潭站前，區間 04 至區間 06 列車最高 ATP 速限 降為 65KPH，並於劍潭站列車停止位置速限降為 0KPH。基於安全考

量，依據第三章 FBS 控制方式與運作原理，當列車本身前方第二個 閉塞區間遭到佔據時，代表列車本身與前方列車距離接近，列車本身 必須以警戒 ATP 速限 25KPH 或 40KPH 行駛，使列車如果需要在下 一個閉塞區間煞車停車時，有適當且足夠之安全煞車距離，而如此階 段式的煞車亦可避免乘客乘坐感到不適，維持一定之舒適度。值得注 意的是，當列車本身前方第二個閉塞區間遭到佔據時，區間 01 之警 戒 ATP 速限為 55KPH，乃因為區間 02 之閉塞區間長度為 355m，若 前車因故障而使列車本身必須於區間 02 停車時，列車本身從 55KPH 以最壞狀況減速度 0.7m/s²煞車至停車所需煞車距離約為 182m，因此 區間 01 警戒 ATP 速限可以為 55KPH。

4.1.2 系統運作規則訂定 一、 單車運轉

如圖 4-2 所示，FBS 受限於各閉塞區間之最高 ATP 速限 VBi，在正常情況下，列車以功能位階 2 運轉，因此列車以最高 ATP 速限之 90%速度 Vi運轉。由表 4-1 之各區間速限得知，列 車從車站離站所接收到之最大 ATP 速限為 80KPH，經功能位階 2 調整後列車所能運轉之最高 ATP 速限為 72KPH，因此列車離 站後以等加速度 a 加速至 72KPH，隨後以 72KPH 等速度運轉，

至區間 04 時列車接收到最大 ATP 速限 65KPH，經功能位階 2 調整後所能運轉之最高速限為 58.5KPH。因此列車從 72KPH 減 速至 58.5KPH 後以等速度持續運轉，直至車站區間以等減速度 b 煞車至定位點停止。FBS 單一列車從圓山站行駛至劍潭站之

運行時間如式 4-1 所示。

運行時間

（4-1）

其中 L_Bi為各閉塞區間長度、a 為加速度、b 為減速度、V_Max 為最高速限。

圖 4-2 FBS 單一列車於圓山至劍潭站之距離-速度關係圖 二、 跟車模式

於 FBS 控制方式下，同方向兩列車 T1 與列車 T2，後方列 車 T2 與前車 T1 保持跟車行為，在正常運轉情況下，兩列車間 必須保持兩個閉塞區間以上之距離，由於路線上影響班距較明 顯之瓶頸點為車站地區，因此列車 T2 與前車 T1 間之最小班距 關係圖如圖 4-3。

b V V

b V L V

b V V V

a L V

a V

Max i

Bi

Max i

Max Bi

Max 6

5

2 4 5 2

4 4 3 3

1

2

2

2 +

− −

− + +

− +

= ∑ ∑

=

=

圖 4-3 FBS 兩列車間之最小班距關係圖

根據固定閉塞區間號誌統控制規則，在正常運轉情況下，

兩列車間必須保持兩個閉塞區間以上之距離，由圖 4-3，因後方 列車 T2 目前位於區間 Bi-1，與前車 T1 所需維持之兩個閉塞區 間長度為 L_Bi+LBi+1，再加上前車 T1 已經離站所行駛的距離 LP+LT，可得到正常情況下前後兩列車間所需維持之安全距離 SS如式 4-2，其中 L_P為列車 T2 即將進入區間 Bi 時前車 T1 已 經離站所行駛之距離（由車站停車位置點計算至列車尾部），

LT為前車列車長度。由圖 4-3，前車 T1 離站後已行駛之時間如 式 4-3。而兩列車間之最小班距 H_Min如式 4-4 所示，為列車 T2 於區間 Bi 前段所行駛之時間、列車煞車系統反應時間 T_R、列 車煞車至停止之時間、停站時間 T_D及前車 T1 離站已行駛之時 間等五項時間值之總和。

b V V T

2

2

+