廣州地鐵移動閉塞技術(shù)應(yīng)用與比較

糟明敏

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)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(tǒng)概況

廣州地鐵3、4號線信號系統(tǒng)均采用了基于通信的移動閉塞系統(tǒng)?；谕ㄐ诺囊苿娱]塞系統(tǒng)采用交叉感應(yīng)電纜環(huán)線、漏纜、裂縫波導(dǎo)管以及無線電臺等方式,實(shí)現(xiàn)車-地雙向數(shù)據(jù)通信,實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行;地面信號設(shè)備可得到每一列車連續(xù)的位置信息和列車運(yùn)行的其它信息,并據(jù)此計(jì)算出每一列車的運(yùn)行權(quán)限,動態(tài)更新發(fā)送給列車;列車根據(jù)接收到的運(yùn)行權(quán)限和自身的運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算出列車運(yùn)行的速度-距離曲線。車載列車自動運(yùn)行(ATO)子系統(tǒng)在列車自動保護(hù)(AT P)子系統(tǒng)保護(hù)下保證列車按此速度-距離曲線運(yùn)行,使追蹤列車之間保持一個(gè)最小的“安全距離”(即后續(xù)列車的指令停車點(diǎn)和前行列車尾部的確認(rèn)位置之間的動態(tài)距離)。這個(gè)安全距離允許在一系列最不利情況存在時(shí),仍能保證安全間隔,保證后續(xù)列車在移動授權(quán)上限的目標(biāo)點(diǎn)停車(見圖1)。列車安全間隔距離是根據(jù)最大允許速度、當(dāng)前停車點(diǎn)位置、線路狀況等信息計(jì)算出的。車-地通信信息被循環(huán)更新,以保證列車不斷收到實(shí)時(shí)信息,因此在保證安全的前提下,能最大程度地提高區(qū)間通過能力,實(shí)現(xiàn)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(huán)線通信為基礎(chǔ)的SelTrac S40移動閉塞列車自動控制系統(tǒng),通過感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)來提供列車與地面設(shè)備間的通信。其移動閉塞列車自動控制(ATC)系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)管理中心(SMC)、車輛控制中心(VCC)、列車車載設(shè)備(VOBC)、車站控制器系統(tǒng)(STC)、試車線設(shè)備、仿真及培訓(xùn)設(shè)備等硬件子系統(tǒng)。3號線信號ATC系統(tǒng)的中央設(shè)備由SMC和VCC組成。中央設(shè)備除實(shí)現(xiàn)列車自動監(jiān)視(ATS)功能外,還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)主要的ATP功能和聯(lián)鎖功能。車站設(shè)備只負(fù)責(zé)基本的聯(lián)鎖功能并完成與軌旁設(shè)備及其它機(jī)電設(shè)備的接口功能。車載設(shè)備與地面設(shè)備之間通過感應(yīng)環(huán)線來實(shí)現(xiàn)車-地實(shí)時(shí)通信。軌旁設(shè)備沿著線路分布,由感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、信號部件、計(jì)軸和接近傳感器感應(yīng)板等部件組成。各個(gè)系統(tǒng)之間相互協(xié)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(shè)備之間提供連續(xù)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(tǒng),通過無線通信系統(tǒng)來提供列車與地面設(shè)備間的通信。其移動閉塞ATC系統(tǒng)主要包含以下硬件子系統(tǒng):具有故障-安全、高可用性的SICAS型微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng),具備中央和本地操作能力的ATS系統(tǒng),TRAINGUARD MT ATP/ATO連續(xù)式移動閉塞列車控制系統(tǒng)。軌旁設(shè)備也沿著線路分布。它由SICAS微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、T RAINGUARD MT ATP/ATO系統(tǒng)軌旁單元、信號部件、計(jì)軸和應(yīng)答器部件等組成,共同執(zhí)行所有的聯(lián)鎖、軌旁ATP以及車-地通信功能。通信層在軌旁和車載設(shè)備之間提供連續(xù)式或點(diǎn)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(yīng)環(huán)線沿著鋼軌線路架空鋪設(shè),每6.25 m設(shè)一個(gè)支撐點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)),每25 m設(shè)一個(gè)交叉點(diǎn)(轉(zhuǎn)換點(diǎn));通信信息由轉(zhuǎn)換點(diǎn)匯集至軌旁設(shè)備,然后送至中央設(shè)備進(jìn)行運(yùn)算處理。列車在運(yùn)行過程中通過安裝在車底的4個(gè)通信天線實(shí)時(shí)接收來自軌旁的授權(quán)信息并將授權(quán)信息送至車載ATP/ATO系統(tǒng),以產(chǎn)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(yùn)行,并將列車的運(yùn)行狀況和定位信息等由感應(yīng)環(huán)線實(shí)時(shí)反饋給軌旁設(shè)備。這樣信息實(shí)時(shí)更新不斷循環(huán)達(dá)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(tǒng),在軌旁設(shè)置無線接入點(diǎn)(AP),利用無線通信系統(tǒng)來提供列車與地面設(shè)備間的通信(見圖3)。當(dāng)列車進(jìn)入某AP的覆蓋范圍后,列車通過安裝在車頂?shù)能囕d無線天線實(shí)時(shí)接收軌旁區(qū)域控制器產(chǎn)生的由AP發(fā)來的移動授權(quán)信息,并將此授權(quán)信息送至車載ATP/ATO系統(tǒng)以產(chǎn)生合理的速度-距離曲線。然后按此曲線控制列車的運(yùn)行,并將列車的運(yùn)行狀況和定位信息等實(shí)時(shí)通過無線AP反饋給軌旁設(shè)備,實(shí)現(xiàn)行車信息的實(shí)時(shí)更新,達(dá)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(yùn)行模式

3.1 3號線后備運(yùn)行模式

3.1.1 部分后退模式

(1)SMC故障、VCC正常時(shí)的部分后退模式:在SMC完全故障或VCC與SMC連接中斷后,系統(tǒng)即進(jìn)入VCC控制模式。VCC提供基本的ATC運(yùn)營,即實(shí)現(xiàn)基本的ATO、ATP功能。ATS功能不能實(shí)現(xiàn)。在此模式下,系統(tǒng)提供 ATP/ATO功能,VCC自動地獲取運(yùn)行線的分配,并根據(jù)分配的運(yùn)行線進(jìn)行自動進(jìn)路控制。列車通過 VCC與VOBC(車載設(shè)備)之間的通信接收所分配的運(yùn)行線。知道了運(yùn)行線號碼的列車可通過車載數(shù)據(jù)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(zhǔn)移動閉塞的原理組織行車。

(2)VCC故障、SMC正常時(shí)的部分后退模式:在該后退模式下,由司機(jī)通過觸摸屏輸入列車運(yùn)行線分配命令及其身份驗(yàn)證信息。數(shù)據(jù)信息從VOBC通過STC傳送到 LWS(現(xiàn)地工作站,用于聯(lián)鎖控制),然后送到SMC,SMC通過呼叫相應(yīng)的STC自動為列車排路。SMC根據(jù)閉塞占用原理在整個(gè)系統(tǒng)中跟蹤列車運(yùn)行。

3.1.2 完全后退模式

在SMC及VCC全部發(fā)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(jìn)路的排列;STC根據(jù)信號固定閉塞原理,在一個(gè)區(qū)間里只允許一列車通行,在此安全間隔的前提下,命令轉(zhuǎn)動相應(yīng)的道岔,開放相應(yīng)的信號機(jī)。

3.2 4號線后備運(yùn)行模式

3.2.1 點(diǎn)式ATP控制模式

點(diǎn)式ATP控制模式是指連續(xù)式車-地通信設(shè)備或連續(xù)式ATP設(shè)備故障,以及其他原因?qū)е逻B續(xù)式ATP功能喪失時(shí)的系統(tǒng)控制模式。此時(shí),由軌旁點(diǎn)式通信設(shè)備(固定數(shù)據(jù)應(yīng)答器,可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器)和車載ATP設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)完整的全線點(diǎn)式ATP超速防護(hù)功能。

當(dāng)列車運(yùn)行至線路中設(shè)置有應(yīng)答器的地點(diǎn)時(shí),車載系統(tǒng)發(fā)出能量信號激活軌旁應(yīng)答器,車載天線就會接收到一個(gè)用于應(yīng)答器識別的應(yīng)答器報(bào)文。根據(jù)應(yīng)答器的識別號,車載 ATP利用軌道數(shù)據(jù)庫(TDB)里的線路信息對應(yīng)答器進(jìn)行定位并考慮TDB中所有的詳細(xì)線路描述,自動服從所有的線路限速。該控制模式下,由聯(lián)鎖設(shè)備實(shí)現(xiàn)進(jìn)路的自動或人工設(shè)置,由計(jì)軸設(shè)備檢測列車對軌道的占用與出清情況,由中央行調(diào)人員在中央聯(lián)鎖控制工作站(或車站值班員在車站現(xiàn)地工作站)實(shí)現(xiàn)所有聯(lián)鎖設(shè)備的監(jiān)控功能,按照準(zhǔn)移動閉塞的原理來保障行車。

3.2.2 聯(lián)鎖級控制模式

聯(lián)鎖控制模式是連續(xù)式ATP功能和點(diǎn)式ATP功能均喪失且無軌旁到列車的通信,僅以聯(lián)鎖設(shè)備保證列車進(jìn)路安全,司機(jī)根據(jù)地面信號機(jī)的顯示人工駕駛列車時(shí)的系統(tǒng)控制模式。該模式下,由中央行調(diào)人員(在中央聯(lián)鎖控制工作站)和車站值班員(在車站現(xiàn)地工作站)對進(jìn)路進(jìn)行人工排列和解鎖,運(yùn)用信號固定閉塞原理,通過行調(diào)、車站值班員與列車司機(jī)之間的通信來保障行車安全。

4 結(jié)語

廣州地鐵3號線移動閉塞的設(shè)計(jì)理念為中央集中控制式,采用基于感應(yīng)環(huán)線通信的列車控制方式,中央設(shè)備除實(shí)現(xiàn)ATS功能外,還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)主要的ATP功能和聯(lián)鎖功能;車站設(shè)備只負(fù)責(zé)基本的聯(lián)鎖功能并完成與軌旁設(shè)備及其它機(jī)電設(shè)備的接口功能。如果中央VCC發(fā)生故障,會導(dǎo)致聯(lián)鎖和ATP功能癱瘓,牽一發(fā)而動全身。在啟用后備模式運(yùn)營時(shí),如果車站值班員不能熟練掌握后備模式排列進(jìn)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(dǎo)致全線全天運(yùn)營受阻,就是其典型故障案例。目前,地鐵3號線仍處于邊運(yùn)營邊調(diào)試的狀態(tài),系統(tǒng)性能不穩(wěn)定為運(yùn)營埋下了很多的隱患。如:采用感應(yīng)環(huán)線的方式來實(shí)現(xiàn)車-地通信,而感應(yīng)環(huán)線需要沿整個(gè)地鐵線路架空鋪設(shè),大大增加了維護(hù)量,且任何一處線路斷裂都會導(dǎo)致車-地通信失敗;由于感應(yīng)環(huán)線是在鋼軌中央架空設(shè)置,容易出現(xiàn)環(huán)線彎曲跌落影響車底天線的感應(yīng)靈敏度,這也大大增加了出現(xiàn)故障的概率。一旦環(huán)線出現(xiàn)長距離的跌落而維修不及時(shí),將造成車-地通信失敗,列車監(jiān)控丟失,車載系統(tǒng)自動施行緊急制動,影響正常運(yùn)營。

廣州地鐵4號線移動閉塞的設(shè)計(jì)理念為分散控制式,采用基于無線通信的列車控制技術(shù)。由于4號線大多采用開放式高架結(jié)構(gòu),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(yán)重。信息丟失將導(dǎo)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(shí)際運(yùn)營中每天都在發(fā)生。多次緊急制動必將導(dǎo)致乘客投訴。有時(shí)信息丟失嚴(yán)重甚至直接導(dǎo)致列車晚點(diǎn),大大影響了地鐵4號線的運(yùn)營質(zhì)量與地鐵品牌。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)受干擾過于嚴(yán)重或癱瘓都將導(dǎo)致車-地通信失敗,無法施行連續(xù)式車-地通信,從而不能完全實(shí)現(xiàn)CBTC的功能,因而其技術(shù)的先進(jìn)性也不能得到充分的體現(xiàn)。再加上4號線采用第三軌供電方式,其直線電機(jī)與感應(yīng)板之間產(chǎn)生的強(qiáng)大的電磁場也是干擾無線信息傳輸?shù)脑蛑弧?/p>

總之,采用環(huán)線方式實(shí)現(xiàn)車-地通信具有信息傳輸實(shí)時(shí)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),但是其環(huán)線線路過長而使故障點(diǎn)增多、維護(hù)量大,也增加了故障概率。采用無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)車-地通信雖具有軌旁設(shè)備簡單、維護(hù)量少的優(yōu)點(diǎn),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(zhì)量。這些都是在實(shí)際運(yùn)用中迫切需要解決的問題。目前,移動閉塞技術(shù)已成為新建地鐵的首選控制方式,其不足與缺點(diǎn)還需要不斷完善,才能以更好的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)城市軌道交通“高效、安全、舒適、快捷”的運(yùn)營理念。

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