廣州地鐵移動閉塞技術應用與比較

糟明敏

(西安市地下鐵道有限責任公司運營分公司,710018,西安∥助理工程師)

1 廣州地鐵3、4號線信號系統概況

廣州地鐵3、4號線信號系統均采用了基于通信的移動閉塞系統。基于通信的移動閉塞系統采用交叉感應電纜環線、漏纜、裂縫波導管以及無線電臺等方式,實現車-地雙向數據通信,實時監控列車運行;地面信號設備可得到每一列車連續的位置信息和列車運行的其它信息,并據此計算出每一列車的運行權限,動態更新發送給列車;列車根據接收到的運行權限和自身的運行狀態計算出列車運行的速度-距離曲線。車載列車自動運行(ATO)子系統在列車自動保護(AT P)子系統保護下保證列車按此速度-距離曲線運行,使追蹤列車之間保持一個最小的“安全距離”(即后續列車的指令停車點和前行列車尾部的確認位置之間的動態距離)。這個安全距離允許在一系列最不利情況存在時,仍能保證安全間隔,保證后續列車在移動授權上限的目標點停車(見圖1)。列車安全間隔距離是根據最大允許速度、當前停車點位置、線路狀況等信息計算出的。車-地通信信息被循環更新,以保證列車不斷收到實時信息,因此在保證安全的前提下,能最大程度地提高區間通過能力,實現移動閉塞。

圖1 移動閉塞原理示意圖

廣州地鐵3號線采用阿爾卡特以環線通信為基礎的SelTrac S40移動閉塞列車自動控制系統,通過感應環線通信系統來提供列車與地面設備間的通信。其移動閉塞列車自動控制(ATC)系統主要包含系統管理中心(SMC)、車輛控制中心(VCC)、列車車載設備(VOBC)、車站控制器系統(STC)、試車線設備、仿真及培訓設備等硬件子系統。3號線信號ATC系統的中央設備由SMC和VCC組成。中央設備除實現列車自動監視(ATS)功能外,還負責實現主要的ATP功能和聯鎖功能。車站設備只負責基本的聯鎖功能并完成與軌旁設備及其它機電設備的接口功能。車載設備與地面設備之間通過感應環線來實現車-地實時通信。軌旁設備沿著線路分布,由感應環線數據通信系統、信號部件、計軸和接近傳感器感應板等部件組成。各個系統之間相互協作共同完成車-地通信、軌旁ATP等功能。通信層在軌旁和車載設備之間提供連續式車-地通信。

廣州地鐵4號線采用西門子T RAINGUARD MT移動閉塞列車自動控制系統,通過無線通信系統來提供列車與地面設備間的通信。其移動閉塞ATC系統主要包含以下硬件子系統:具有故障-安全、高可用性的SICAS型微機聯鎖系統,具備中央和本地操作能力的ATS系統,TRAINGUARD MT ATP/ATO連續式移動閉塞列車控制系統。軌旁設備也沿著線路分布。它由SICAS微機聯鎖系統、T RAINGUARD MT ATP/ATO系統軌旁單元、信號部件、計軸和應答器部件等組成,共同執行所有的聯鎖、軌旁ATP以及車-地通信功能。通信層在軌旁和車載設備之間提供連續式或點式車-地通信。

2 廣州地鐵3、4號線車-地通信原理

廣州地鐵3號線車-地通信示意圖如圖2所示:感應環線沿著鋼軌線路架空鋪設,每6.25 m設一個支撐點(節點),每25 m設一個交叉點(轉換點);通信信息由轉換點匯集至軌旁設備,然后送至中央設備進行運算處理。列車在運行過程中通過安裝在車底的4個通信天線實時接收來自軌旁的授權信息并將授權信息送至車載ATP/ATO系統,以產生合理的速度-距離曲線。然后按此速度-距離曲線控制列車的運行,并將列車的運行狀況和定位信息等由感應環線實時反饋給軌旁設備。這樣信息實時更新不斷循環達到移動閉塞功能。

圖2 廣州地鐵3號線車-地通信示意圖

廣州地鐵4號線采用的列車自動控制系統,在軌旁設置無線接入點(AP),利用無線通信系統來提供列車與地面設備間的通信(見圖3)。當列車進入某AP的覆蓋范圍后,列車通過安裝在車頂的車載無線天線實時接收軌旁區域控制器產生的由AP發來的移動授權信息,并將此授權信息送至車載ATP/ATO系統以產生合理的速度-距離曲線。然后按此曲線控制列車的運行,并將列車的運行狀況和定位信息等實時通過無線AP反饋給軌旁設備,實現行車信息的實時更新,達到移動閉塞的功能。

圖3 廣州地鐵4號線車-地通信示意圖

3 廣州地鐵3、4號線后備運行模式

3.1 3號線后備運行模式

3.1.1 部分后退模式

(1)SMC故障、VCC正常時的部分后退模式:在SMC完全故障或VCC與SMC連接中斷后,系統即進入VCC控制模式。VCC提供基本的ATC運營,即實現基本的ATO、ATP功能。ATS功能不能實現。在此模式下,系統提供 ATP/ATO功能,VCC自動地獲取運行線的分配,并根據分配的運行線進行自動進路控制。列車通過 VCC與VOBC(車載設備)之間的通信接收所分配的運行線。知道了運行線號碼的列車可通過車載數據庫查得行車目的地,在VCC提供的基本功能下按照固定閉塞或準移動閉塞的原理組織行車。

(2)VCC故障、SMC正常時的部分后退模式:在該后退模式下,由司機通過觸摸屏輸入列車運行線分配命令及其身份驗證信息。數據信息從VOBC通過STC傳送到 LWS(現地工作站,用于聯鎖控制),然后送到SMC,SMC通過呼叫相應的STC自動為列車排路。SMC根據閉塞占用原理在整個系統中跟蹤列車運行。

3.1.2 完全后退模式

在SMC及VCC全部發生故障的完全后退模式下,通過LWS的人工命令控制STC來完成進路的排列;STC根據信號固定閉塞原理,在一個區間里只允許一列車通行,在此安全間隔的前提下,命令轉動相應的道岔,開放相應的信號機。

3.2 4號線后備運行模式

3.2.1 點式ATP控制模式

點式ATP控制模式是指連續式車-地通信設備或連續式ATP設備故障,以及其他原因導致連續式ATP功能喪失時的系統控制模式。此時,由軌旁點式通信設備(固定數據應答器,可變數據應答器)和車載ATP設備一起實現完整的全線點式ATP超速防護功能。

當列車運行至線路中設置有應答器的地點時,車載系統發出能量信號激活軌旁應答器,車載天線就會接收到一個用于應答器識別的應答器報文。根據應答器的識別號,車載 ATP利用軌道數據庫(TDB)里的線路信息對應答器進行定位并考慮TDB中所有的詳細線路描述,自動服從所有的線路限速。該控制模式下,由聯鎖設備實現進路的自動或人工設置,由計軸設備檢測列車對軌道的占用與出清情況,由中央行調人員在中央聯鎖控制工作站(或車站值班員在車站現地工作站)實現所有聯鎖設備的監控功能,按照準移動閉塞的原理來保障行車。

3.2.2 聯鎖級控制模式

聯鎖控制模式是連續式ATP功能和點式ATP功能均喪失且無軌旁到列車的通信,僅以聯鎖設備保證列車進路安全,司機根據地面信號機的顯示人工駕駛列車時的系統控制模式。該模式下,由中央行調人員(在中央聯鎖控制工作站)和車站值班員(在車站現地工作站)對進路進行人工排列和解鎖,運用信號固定閉塞原理,通過行調、車站值班員與列車司機之間的通信來保障行車安全。

4 結語

廣州地鐵3號線移動閉塞的設計理念為中央集中控制式,采用基于感應環線通信的列車控制方式,中央設備除實現ATS功能外,還負責實現主要的ATP功能和聯鎖功能;車站設備只負責基本的聯鎖功能并完成與軌旁設備及其它機電設備的接口功能。如果中央VCC發生故障,會導致聯鎖和ATP功能癱瘓,牽一發而動全身。在啟用后備模式運營時,如果車站值班員不能熟練掌握后備模式排列進路的方法,則將大大影響組織行車的效率。2009年3月20日,廣州地鐵3號線1臺VCC故障導致全線全天運營受阻,就是其典型故障案例。目前,地鐵3號線仍處于邊運營邊調試的狀態,系統性能不穩定為運營埋下了很多的隱患。如:采用感應環線的方式來實現車-地通信,而感應環線需要沿整個地鐵線路架空鋪設,大大增加了維護量,且任何一處線路斷裂都會導致車-地通信失敗;由于感應環線是在鋼軌中央架空設置,容易出現環線彎曲跌落影響車底天線的感應靈敏度,這也大大增加了出現故障的概率。一旦環線出現長距離的跌落而維修不及時,將造成車-地通信失敗,列車監控丟失,車載系統自動施行緊急制動,影響正常運營。

廣州地鐵4號線移動閉塞的設計理念為分散控制式,采用基于無線通信的列車控制技術。由于4號線大多采用開放式高架結構,無線信息傳輸常受到各種外界信息干擾,因此其車-地通信信息丟失嚴重。信息丟失將導致列車自動施行緊急制動。這種因車-地通信信息丟失造成的列車制動在廣州地鐵4號線的實際運營中每天都在發生。多次緊急制動必將導致乘客投訴。有時信息丟失嚴重甚至直接導致列車晚點,大大影響了地鐵4號線的運營質量與地鐵品牌。無線傳輸網絡受干擾過于嚴重或癱瘓都將導致車-地通信失敗,無法施行連續式車-地通信,從而不能完全實現CBTC的功能,因而其技術的先進性也不能得到充分的體現。再加上4號線采用第三軌供電方式,其直線電機與感應板之間產生的強大的電磁場也是干擾無線信息傳輸的原因之一。

總之,采用環線方式實現車-地通信具有信息傳輸實時穩定的優點,但是其環線線路過長而使故障點增多、維護量大,也增加了故障概率。采用無線傳輸方式實現車-地通信雖具有軌旁設備簡單、維護量少的優點,但無線傳輸容易受到外界無線電波等因素的干擾,都將影響車-地通信質量。這些都是在實際運用中迫切需要解決的問題。目前,移動閉塞技術已成為新建地鐵的首選控制方式,其不足與缺點還需要不斷完善,才能以更好的技術來實現城市軌道交通“高效、安全、舒適、快捷”的運營理念。

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