無(wú)線通訊——開(kāi)創(chuàng)軌道交通控制系統(tǒng)的新時(shí)代

畢危危

(西門(mén)子(中國(guó))有限公司交通集團(tuán)鐵路自動(dòng)化部門(mén),100102,北京∥工程師)

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展,軌道交通已成為民眾出行的首選交通方式,客流逐年高速增長(zhǎng)。在部分大城市,客流的增速已經(jīng)大幅超過(guò)了線路運(yùn)能的增速。城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)壓力日益增加,列車(chē)的運(yùn)行間隔不斷縮短,列車(chē)的行駛速度也在不斷提高,目前有些列車(chē)的設(shè)計(jì)時(shí)速已超過(guò)100 km。在小間隔、高速度的環(huán)境下,如何確保運(yùn)營(yíng)安全,提高運(yùn)營(yíng)效率,既對(duì)城市軌道交通的日常運(yùn)營(yíng)管理工作提出了更高的要求,同時(shí)對(duì)軌道交通車(chē)輛、信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等軌道交通設(shè)備都提出了極高的要求。從最初的固定閉塞到準(zhǔn)移動(dòng)閉塞,再到現(xiàn)在最先進(jìn)的基于通信的列車(chē)控制(CBTC)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的應(yīng)用,信號(hào)系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)是在小間隔、高速度的環(huán)境下保障列車(chē)安全行駛的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 西門(mén)子“TrainGuard M T”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

西門(mén)子先進(jìn)的CBTC解決方案是其“全面交通解決方案”理念的完整體現(xiàn),已被成功應(yīng)用到我國(guó)多個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)中。針對(duì)我國(guó)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)多樣化的特點(diǎn),西門(mén)子又推出了先進(jìn)的模塊化產(chǎn)品——“TrainGuard MT”自動(dòng)列車(chē)控制系統(tǒng)。

1 “TrainGuard MT”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“TrainGuard MT”系統(tǒng)主要由列車(chē)自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)(ATS)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)(IXL)、軌道空閑檢測(cè)系統(tǒng)(TVD)、列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)(自動(dòng)防護(hù)ATP及自動(dòng)駕駛ATO)和雙向通信系統(tǒng)(W-LAN)5個(gè)子系統(tǒng)組成?！癟 rainGuard MT”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

“T rainGuard MT”系統(tǒng)的5個(gè)子系統(tǒng)被劃分為4個(gè)層級(jí),以便分層級(jí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指定的功能。

第一層級(jí),ATS系統(tǒng)的集中控制層,包括中心控制和車(chē)站控制兩級(jí)。VICOS OC 501實(shí)現(xiàn)線路集中控制功能及其備用功能;VICOS OC 101則為車(chē)站控制和后備模式的功能提供操作員工作站和列車(chē)進(jìn)路計(jì)算機(jī)(T RC)。

第二層級(jí),沿著線路分布的軌旁層。包括聯(lián)鎖系統(tǒng)(IXL)、AT P軌旁系統(tǒng)、軌道空閑檢測(cè)系統(tǒng)(TVD)及信號(hào)機(jī)、應(yīng)答器部件等,執(zhí)行聯(lián)鎖和ATP軌旁功能。聯(lián)鎖系統(tǒng)(IXL)采用了技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的電子聯(lián)鎖技術(shù)Sicas(西門(mén)子計(jì)算機(jī)輔助信號(hào))。Sicas聯(lián)鎖基于聯(lián)鎖表原理,能夠靈活調(diào)整,適應(yīng)相關(guān)鐵路運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行規(guī)則和不同的用戶(hù)需求。

第三層級(jí),通信層。包括局域網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線 WLAN通信系統(tǒng)以及應(yīng)答器等地—車(chē)通信設(shè)備。

第四層級(jí),連續(xù)式或點(diǎn)式通信級(jí)別時(shí),“T rainGuard MT”系統(tǒng)的車(chē)載ATP和ATO控制功能。

2 “TrainGuard MT”系統(tǒng)特點(diǎn)

與以往的固定閉塞和準(zhǔn)移動(dòng)閉塞相比,西門(mén)子“T rainguard MT”系統(tǒng)屬于移動(dòng)閉塞控制系統(tǒng),通過(guò)配備在列車(chē)上以及軌道旁的無(wú)線設(shè)備,實(shí)現(xiàn)車(chē)-地間不中斷的雙向通信,控制系統(tǒng)可以根據(jù)列車(chē)實(shí)時(shí)的速度和位置,動(dòng)態(tài)計(jì)算和調(diào)整列車(chē)的最大制動(dòng)距離,兩個(gè)相鄰列車(chē)能以很小的間隔同時(shí)前進(jìn),從而極大地提高運(yùn)營(yíng)效率。

“T rainguard MT”系統(tǒng)在保證安全的前提下提供了大量的自動(dòng)化功能,例如ATO和無(wú)人折返功能,不僅使司機(jī)從繁重的例行工作中解放了出來(lái),還保證了列車(chē)在站臺(tái)屏蔽門(mén)前的精確制動(dòng),能夠極大地縮短列車(chē)的運(yùn)行時(shí)間和行車(chē)間隔。除此之外,“T rainguard MT”系統(tǒng)還具有以下顯著特點(diǎn)。

2.1 支持混合運(yùn)營(yíng)模式

“T rainguard MT”系統(tǒng)是西門(mén)子在原CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新、完善的成果。一方面,原CBTC各個(gè)子系統(tǒng)都相對(duì)獨(dú)立、完整地保留在“T rainguard MT”系統(tǒng)中;另一方面,各個(gè)子系統(tǒng)相互接口,逐層逐級(jí)擴(kuò)充系統(tǒng)功能。這種設(shè)計(jì)理念使得“Trainguard MT”系統(tǒng)能夠區(qū)別對(duì)待其管轄范圍內(nèi)的非裝備列車(chē)、點(diǎn)式控制列車(chē)和連續(xù)式控制列車(chē),為列車(chē)提供不同的安全防護(hù)策略,從而允許不同控制級(jí)別的列車(chē)在同一信號(hào)系統(tǒng)的控制下安全運(yùn)行。對(duì)于非裝備列車(chē),聯(lián)鎖系統(tǒng)提供進(jìn)路保護(hù);對(duì)于點(diǎn)式控制列車(chē),聯(lián)鎖系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)答器為車(chē)載ATP提供安全移動(dòng)授權(quán);對(duì)于連續(xù)式控制列車(chē),則由軌旁ATP設(shè)備通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)向車(chē)載ATP提供安全移動(dòng)授權(quán)。采用“TrainGuard MT”系統(tǒng),將點(diǎn)式列車(chē)控制和連續(xù)式列車(chē)控制融合在一個(gè)系統(tǒng)中,讓客戶(hù)在特定情況下?lián)碛卸喾N運(yùn)營(yíng)策略和建設(shè)策略的選擇。

2.2 列車(chē)控制級(jí)別和信號(hào)機(jī)的自動(dòng)切換

“T rainguard MT”系統(tǒng)中,列車(chē)在進(jìn)入線路、具備升級(jí)條件后,可以自動(dòng)從聯(lián)鎖級(jí)升級(jí)到點(diǎn)式控制級(jí),最后到連續(xù)式控制級(jí),無(wú)須人工介入。對(duì)于連續(xù)式控制列車(chē),信號(hào)燈處于滅燈狀態(tài),司機(jī)依據(jù)車(chē)載提示駕駛;對(duì)于點(diǎn)式控制列車(chē)或非裝備列車(chē),信號(hào)燈點(diǎn)燈,司機(jī)必須遵守實(shí)際信號(hào)。信號(hào)燈的點(diǎn)燈或滅燈控制,完全由信號(hào)系統(tǒng)依據(jù)信號(hào)燈前的列車(chē)控制級(jí)別自動(dòng)選擇。列車(chē)控制級(jí)別和信號(hào)機(jī)的自動(dòng)切換設(shè)計(jì),極大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜情況下運(yùn)營(yíng)人員的操作強(qiáng)度。

2.3 車(chē)載設(shè)備的前后冗余功能

“Trainguard MT”系統(tǒng)大量采用冗余設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)可靠性。其中,車(chē)載設(shè)備的前后冗余功能是難點(diǎn)。當(dāng)一端車(chē)載無(wú)線設(shè)備、ATP設(shè)備、ATO設(shè)備、ITF設(shè)備發(fā)生故障時(shí),另一端的車(chē)載設(shè)備會(huì)接管列車(chē),在乘客毫無(wú)察覺(jué)的情況下繼續(xù)保持列車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 W-LAN和無(wú)線加密技術(shù)

基于成本、可維護(hù)性、可用性和通信穩(wěn)定性等方面的考量,“Trainguard MT”系統(tǒng)采用了基于無(wú)線AP(訪問(wèn)節(jié)點(diǎn))的W-LAN作為車(chē)地通信通道。WLAN無(wú)線通道提供了一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸通道,其功能可以在整體系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展。

W-LAN數(shù)據(jù)通信基于IPSec標(biāo)準(zhǔn),專(zhuān)用加密模塊在應(yīng)用層為數(shù)據(jù)提供256位加密、專(zhuān)用數(shù)據(jù)通道格式和密鑰協(xié)商,防止對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和篡改;在AP數(shù)據(jù)鏈路層采用防火墻機(jī)制,攔截非法的數(shù)據(jù)報(bào)文。從而,使無(wú)線系統(tǒng)在滿足CTC(連續(xù)式列車(chē)控制)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信高實(shí)時(shí)性的要求的同時(shí),最大限度地減少了黑客侵入的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述,基于W-LAN的“Trainguard MT”自動(dòng)列車(chē)控制系統(tǒng)為我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展提供了一種新的選擇和方向。北京地鐵10號(hào)線(含奧運(yùn)支線)采用了西門(mén)子的“Trainguard MT”系統(tǒng),于2008年7月19日開(kāi)始以移動(dòng)閉塞的全功能投入載客運(yùn)營(yíng),至今已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)一年多的時(shí)間。同樣采用了西門(mén)子“Trainguard MT”系統(tǒng)的廣州地鐵4號(hào)線于2009年3月、5號(hào)線于2009年12月以移動(dòng)閉塞的全功能投入載客運(yùn)營(yíng)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的“Trainguard MT”系統(tǒng)還將會(huì)應(yīng)用到南京、廣佛、重慶、蘇州等城市的軌道交通系統(tǒng)中。西門(mén)子的“Trainguard MT”系統(tǒng)正在開(kāi)創(chuàng)無(wú)線移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的新時(shí)代。