城市軌道交通基于通信的列車自動控制系統中站臺軌旁無源應答器的布置方案

黃柒光

(卡斯柯信號有限公司, 200072, 上海)

應答器是城市軌道交通實現車地通信、列車定位校準的信號基礎設備,對實現列車安全運營、提高運營效率具有重要意義。應答器系統主要由車載設備與地面設備組成:車載設備由應答器查詢主機、應答器天線及天線電纜組成,地面設備由無源應答器、有源應答器及LEU(軌旁電子單元)組成。

無源應答器存儲固定信息,平時處于休眠狀態。當列車經過地面無源應答器上方時,無源應答器接收到車載應答器天線發射的電磁能量后,將其轉化為電能,并使地面應答器電子電路工作,將存儲在其內的固定信息循環發送出去,通過車載應答器天線進行接收,直到車載應答器天線遠離地面應答器。

有源應答器通過電纜與LEU相連,LEU與軌旁聯鎖系統相連。列車經過地面有源應答器上方,有源應答器接收到車載天線發射的電磁能量后,將其轉化為電能,并使地面有源應答器電子電路工作,將存儲在地面有源應答器的數據,以及通過LEU獲取的軌旁設備實時狀態數據循環發送出去,通過車載應答器天線進行接收,直到車載應答器天線遠離地面有源應答器。當發生LEU設備故障或通信故障時,有源應答器將轉變為無源應答器工作模式發送固定信息。有源應答器應用在點式后備移動閉塞信號系統中。

應答器布置的數量與安裝位置直接影響線路安全、運營效率及項目成本。應答器布置太多,會增加項目成本及安裝成本;布置太少,則會影響線路安全、運營效率及停車精度。

本方案介紹了CBTC(基于通信的列車自動控制)的站臺無源應答器布置方法。通過本方案在站臺布置無源應答器,確保了列車在FAO(全自動運行)模式下在站臺精準停車,且在確保列車安全和運營效率的情況下,使得無源應答器布置數量最少,節省了項目設備及安裝布置成本。

1 站臺軌旁無源應答器布置設計方案

1.1 站臺精準停車的設計原理

本文提出的站臺軌旁無源應答器布置方案可采用CBTC系統中FAO(全自動運行)或ATO(列車自動運行)系統實現站臺精準停車。所述CBTC系統包含ATC(列車自動控制)設備、ATS(列車自動監控)設備、CI(計算機聯鎖)設備、MSS(維護支持系統)設備及DCS(數據通信子系統)設備。

ATC設備包含車載ATC設備與軌旁ATC設備。其中,車載ATC設備安裝在車頭、車尾且兩端各1套,每套車載ATC設備同對應端速度傳感器和應答器車載處理模塊相連。其中:速度傳感器安裝在列車制動軸上,應答器包含軌旁設備和車載設備。軌旁設備為地面應答器,車載設備為應答器主機、應答器天線及連接電纜。每套車載ATC設備均包含ATO模塊和ATP(列車自動防護)模塊,且車頭、車尾兩端的ATP模塊和ATO模塊均通過網絡相連。ATO模塊根據車頭、車尾兩端健康度信息對比,選擇一端為主用,且該模塊負責列車FAO、自動開關門等功能;ATP模塊負責行車安全、超速防護、車門允許打開等功能。ATP模塊與車輛接口通過硬線和網絡相連,信號系統安全輸入、輸出均通過硬線實現,車載ATC設備與軌旁ATC設備、軌旁CI設備、軌旁ATS設備通過無線通信實現信息交互。

為提高列車進站速度,設計站臺出站信號機為可接近(即在出站信號機到區間方向設置一段距離為保護距離)。列車速度傳感器安裝在制動軸上。車載ATC在計算列車位置時存在一定偏差,稱為定位偏差。定位偏差同列車經過應答器行駛的距離與定位偏差率有關。定位偏差率與車輛、速度傳感器及信號等參數有關,且在最不利條件下進行取值。當列車減速度超過最大減速度且持續一定時間時,車載ATC設備將判斷為車輛打滑,并將輸出緊急制動。

列車停車點(列車車頭頂端位置)距出站信號機的距離設置為S2。S2取值若太大,會影響司機瞭望信號燈;S2取值若太小,則需增加站臺應答器數量。S2一般取5～7 m。

1.2 站臺無源應答器布置設計

為保證列車在ATO模式下停準、停穩,在站臺軌旁布置1對停準應答器(含車頭、車尾)、1對第一接近應答器(含車頭、車尾)及1對第二接近應答器(含車頭、車尾)。列車在ATO模式下進站的過程中,通過應答器天線讀取在站臺布置的3對應答器而精確停車,其中:ATO模塊采用了2對應答器,分別為第一接近應答器和第二接近應答器,列車車頭進站首先讀取的是第一接近應答器,再次讀取的是第二接近應答器;ATP模塊主要進行站臺門與車門的對準,采用了1對應答器,被命名為停準應答器。

1.2.1 停準應答器布置設計

列車經過停準應答器時進行定位校準,且從停準應答器到停車點運行距離產生的定位誤差應小于車門與站臺門的偏差(如0.5 m),這樣不會影響乘客上下車。列車從停準應答器到停車點運行產生的定位誤差,同運行距離與制動時產生的定位偏差率有關。列車在站臺的停準功能為ATP安全功能,其影響著乘客安全上下車。列車判斷停準后,給車輛發送切除牽引和制動施加命令,得到車輛成功反饋后,車載信號設備會發出允許車門打開的指令,此時根據駕駛模式和車門控制模式,CBTC系統自動或人工打開車門和站臺門。

1.2.2 第二接近應答器布置設計

第二接近應答器的布置需結合如下因素進行考慮:

1) 列車經過第二接近應答器時進行定位校準,并通過該應答器識別ATO存在的誤差,且在列車運行在第二接近應答器到停準應答器區段時進行誤差調整。

2) 第二接近應答器距停準應答器的距離太短時,會導致調整余量很小。第二接近應答器距停準應答器的距離太長時,列車經過這段距離產生的定位誤差會更大。如出站信號機紅燈時,CBTC系統計算的列車位置加上最大定位誤差不允許超過紅燈信號機,否則會導致列車無法停到停車點。

3)列車停在停車點時,第二接近應答器距查詢器天線的距離設為L1,列車緊急制動時的定位偏差率設為G。設計時需考慮1 m左右的停車點與出站信號機的現場安裝誤差,L1≤(S2-1)/G,同時需考慮一定的余量空間。

1.2.3 第一接近應答器布置設計

第一接近應答器的布置需結合如下因素進行考慮:

1) 第一接近應答器距第二接近應答器的距離不能設置太遠,太遠會導致此區間內ATO產生的誤差較大,從而使得列車在后續運行中不能調整。

2) 第一接近應答器距第二接近應答器的距離不能設置太近,太近會導致成本增加。

3) 同時考慮到列車進站速度、列車運營間隔等因素,列車停在停車點時,第一接近應答器距查詢器天線的距離設置為L2,第二接近應答器距查詢器天線的距離設置為3L1。

1.2.4 應答器布置設計其他說明

站臺軌旁無源應答器布置設計時還應考慮如下因素:

1) 針對車尾ATC設備,其軌旁無源應答器的布置方法應與車頭一致。

2) 基于現場安裝環境,停車點距信號機的距離小于S2時,需在停準應答器與第二接近應答器之間增加1對應答器(含車頭、車尾),避免信號機紅燈時信號系統結合最大定位誤差計算的列車位置越過紅燈禁止信號機,導致列車停不到停車點而產生欠?，F象。應答器應布置于停準應答器與第二接近應答器之間,并靠近停準應答器1/4～1/5位置。

3) 本文所述的站臺無源應答器布置方案主要指列車進站時確保站臺精準停車的軌旁無源應答器布置方案。若要求列車在站臺反向運行并停準,無源應答器布置應同本方案,且部分應答器可進行合并。

2 站臺軌旁無源應答器布置案例分析

選取鄭州地鐵10號線信號系統站臺軌旁無源應答器布置作為案例進行分析。圖1為車載應答器天線安裝位置示意圖。圖2為站臺軌旁車頭應答器安裝位置示意圖。圖3為S2>5 m時站臺軌旁車頭、車尾應答器安裝位置示意圖。圖4為因土建等其他因素導致停車點距離出站信號機較短(S2<5 m)時,站臺軌旁車頭、車尾應答器安裝位置示意圖。

注:S1為車載應答器天線距車端的距離。

圖2 站臺軌旁車頭應答器安裝位置示意圖

1) 車載應答器天線安裝在車頭第一車軸與第二車軸之間,以及車尾第一車軸與第二車軸之間。S1(見圖1)一般取3～4 m。停車點距出站信號機距離太長時,將會影響司機瞭望信號燈;停車點距出站信號機距離太近時,需增加站臺應答器布置數量。S2(見圖2)一般取5～7 m。

2) 列車在ATO模式下進站時:安裝在車頭的應答器天線接收到軌旁無源應答器信息,對列車進行位置較準;ATO模塊根據校準信息進行誤差計算,并將誤差在列車后續行程中進行調整;ATP模塊根據定位校準信息同速度傳感器計算的距離進行對比,從而消除定位誤差。列車經過停準應答器后,對列車進行定位校準,停準應答器到停車點允許產生的定位誤差要小于車門與站臺門允許的偏差,這樣不影響乘客上下車。停準應答器距停車點的定位誤差同列車運行距離,以及列車制動時產生的定位誤差率有關。列車在停車點時,停準應答器距應答器天線的距離設為L0,一般取1.3～1.5 m(見圖2)。

3) 列車在停車點時,車頭應答器1(車頭第二接近應答器)距應答器天線的距離L1同S2和G有關。考慮到停車點與出站信號機存在現場安裝誤差,設計時需考慮1 m左右的安裝誤差,且L1≤(S2-1)/G,同時需考慮一定的余量空間(見圖2)。列車在停車點時,車頭應答器2距應答器天線的距離L2=3L1。應答器進行布置設計時,需綜合考慮列車進站速度、列車運營間隔、應答器布置數量及成本等因素(見圖2)。

4) 軌旁車尾停準應答器的布置方法與車頭應答器一致(見圖3)。

圖3 站臺軌旁車頭、車尾應答器安裝位置示意圖(S2>5 m)

5) 當停車點距信號機的距離小于S2時,需在停準應答器與第二接近應答器之間增加1對應答器(含車頭、車尾),且增加的應答器布置在停準應答器與第二接近應答器中間,并靠近停準應答器1/4～1/5位置。當出站信號機紅燈,列車到達停車點前,信號系統計算的列車位置加上最大定位誤差,不允許越過紅燈信號機,否則ATP模塊將輸出緊急制動命令。結合最大定位誤差在CBTC系統中計算列車位置時,不允許其越過信號機紅燈,否則可能會導致列車停不到停車點而產生欠?，F象。為避免此現象發生,列車車頭應答器1與停準應答器之間,以及車尾應答器1與停準應答器之間應新增應答器(見圖4)。

圖4 站臺軌旁車頭、車尾應答器安裝位置示意圖(S2<5 m)

3 結語

通過本文提出的站臺無源應答器布置方案,列車進站時可實現在站臺精準停車,同時在確保列車安全與運營效率的前提下,軌旁無源應答器布置數量達到最少,減少了項目成本。本方案支持ATO及FAO,以及車門與站臺門的聯動,可實現自動開關門?？紤]到現場環境,可在一定范圍內根據具體環境對站臺軌旁無源應答器布置進行調整,避免由于安裝原因而進行的修改設計。本方案已成功應用于上海、成都、深圳、鄭州等地多條城市軌道交通的信號系統中,且運行效果良好。