移動閉塞信號系統(tǒng)的列車定位方式

趙家煒

(廣州市地下鐵道總公司運營事業(yè)總部,510380,廣州∥工程師)

列車運行間隔的控制是信號系統(tǒng)列車控制的核心。目前,行車閉塞方式可分為固定閉塞、準移動閉塞和移動閉塞。移動閉塞與固定閉塞的區(qū)別在于:

(1)閉塞分區(qū)的劃分不同。移動閉塞沒有劃分固定的閉塞分區(qū),列車間隔是動態(tài)的并隨著前一列車的移動而移動。固定閉塞則將線路劃分為固定位置及某一長度的閉塞分區(qū),一個分區(qū)只能被一列車占用。

(2)列車間隔的不同。移動閉塞的列車間隔是按后續(xù)列車在當前速度下所需的制動距離加上安全余量計算和控制的,可確保列車安全分隔。固定閉塞的列車間隔為若干閉塞分區(qū),與列車在分區(qū)內(nèi)的實際位置無關。

(3)制動不同。移動閉塞制動的起點和終點是動態(tài)的,軌旁設備的數(shù)量與列車運行間隔關系不大。固定閉塞制動的起點和終點總是某一分區(qū)的邊界。

(4)傳輸信息量大小不同。移動閉塞采用先進的通信,確保車-地雙向傳輸,傳輸量大。固定閉塞采用模擬軌道電路傳輸,信息量少 。

移動閉塞系統(tǒng)的首要設計原則是確保行車安全和提高通過能力。通過提高列車定位分辨率和移動授權更新率可提高線路容量,并縮短列車運行間隔。如何更精確地實現(xiàn)列車定位,就成為一個移動閉塞信號系統(tǒng)的關鍵。

1 阿爾卡特S40信號系統(tǒng)的組成及功能

圖1為阿爾卡特S40信號系統(tǒng)結構框圖。系統(tǒng)基于移動閉塞原理,通過3層控制結構實現(xiàn)相應的責任分工,保證系統(tǒng)安全、可靠、有效運行。各層功能概述如下:

管理層——系統(tǒng)管理中心(SMC),提供列車自動監(jiān)督(ATS)功能。

操作層——列車控制中心(VCC),提供列車自動防護(ATP)、列車自動駕駛(ATO)和聯(lián)鎖功能,VCC與車載控制系統(tǒng)(VOBC)實現(xiàn)完整的ATP及ATO功能。

執(zhí)行層——由車載控制器(VOBC)、感應環(huán)線、車站控制器(STC)等組成。每輛列車的VOBC負責在VCC的限制下自動安全駕駛列車。列車與軌旁設備間的通信采用感應環(huán)線傳輸系統(tǒng)。STC根據(jù)VCC的命令(由VCC計算并保證聯(lián)鎖條件的滿足),通過安全繼電器來轉動道岔。道岔狀態(tài)、軌旁設備狀態(tài)(包括緊急制動設備、屏蔽門、信號機等)由STC回送給VCC。可根據(jù)實際線路長短的不同設置多個VCC。

系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能:

·防止列車敵對移動造成的沖突;

·防止道岔錯誤轉動或錯誤設置而造成的沖突;

·防止因車門意外打開、列車倒溜等造成的乘客傷害;

·防止因列車超過線路允許限速或指令速度而造成對線路的損害;

·通過車-地雙向通信系統(tǒng)連續(xù)不斷地監(jiān)測列車在整個系統(tǒng)中的位置;

·列車間以所需的安全距離(SD)安全地分隔;

·安全停車距離根據(jù)線路限速、車輛和列車自動控制(ATC)特性進行計算;

·按照安全行車和線路限速的要求對列車進行限速;

·監(jiān)測整個系統(tǒng)內(nèi)的列車運行方向;

·監(jiān)測列車無人駕駛運行;

·監(jiān)測列車倒溜;

·車輪空轉或滑動補償;

·檢測列車運行方向中的障礙物;

·提供車門及屏蔽門控制的安全聯(lián)鎖;

·對中央和站臺緊急停車按鈕的監(jiān)督管理;

·提供對各種列車運營模式以及對各個模式間的切換的安全監(jiān)督;

·檢測列車完整性和列車控制線監(jiān)測;

·在ATP功能施加的限制范圍內(nèi)調整列車運行時間和(或)列車速度,并在乘客乘坐舒適度標準范圍內(nèi)控制、調整列車行駛;

·無人折返運行;

·車站精確停車,包括門的開關。

圖1 阿爾卡特S40信號系統(tǒng)結構框圖

2 感應環(huán)線通信系統(tǒng)

感應環(huán)線電纜是一個帶有絕緣和非屏蔽外殼的標準銅線。對于感應環(huán)線通信系統(tǒng),該電纜既是發(fā)射天線又是接收天線。該電纜在鋼軌間按照大約間隔25 m有一個交叉點的方式鋪設。VCC在邏輯上將環(huán)線劃分為不同的環(huán)線區(qū)段。每個環(huán)線受各自環(huán)線通道的驅動,通過相應的軌旁RLB(遠端環(huán)線盒)作為分割點。這樣,感應環(huán)線就以“環(huán)線→環(huán)線區(qū)段→環(huán)線交叉”的方式被分割開。每一個感應環(huán)線區(qū)段對應一個環(huán)線ID識別號(LID)。

3 列車定位方式分析

列車定位系統(tǒng)分為車載定位設備和地面輔助定位設備兩部分。車載定位設備主要包括:安裝于車軸上的測速電機,車載ATP計算機,車地通信設備等。地面輔助定位設備包括:安裝于地面的交叉感應環(huán)線或應答器。系統(tǒng)通過車載定位設備和地面輔助定位設備,并結合車載線路數(shù)據(jù)庫來建立列車位置信息。

列車上的VOBC通過狀態(tài)測量系統(tǒng)(SMS)決定列車位置。SMS由粗略定位和精準定位測量系統(tǒng)組成。

3.1 粗略定位

粗略位置測量通過計算一個環(huán)線中的交叉點數(shù)目來完成。每隔25 m標定一處環(huán)線交叉。

粗略定位基于在感應環(huán)線電纜上傳送的信息——環(huán)線識別號(LID)和感應環(huán)線電纜(交叉)物理坐標的改變。LID將車輛位置分配給一個物理環(huán)線。ATC系統(tǒng)在邏輯上將環(huán)線劃分為幾個獨立的感應環(huán)線,每個環(huán)線接受各自環(huán)線通道的驅動。VCC在環(huán)線通道上傳送命令報文給指定的VOBC;如果車輛識別號匹配,“登載”VOBC發(fā)出響應報文,確認VOBC位于由環(huán)線通道驅動的環(huán)線區(qū)的某個位置。

VOBC通過使用2個相同的用于接收VCC命令報文的天線來進行交叉檢測。2個天線均接收來自環(huán)線電纜的36 k Hz數(shù)字頻率調制(FSK)信號;同時將VOBC處理好的數(shù)據(jù)信息以 56 k Hz FSK信號,通過環(huán)線電纜傳輸至VCC。車-地通信為實時的全雙工通信。2個接收天線接收信號之間的相位關系在環(huán)線交叉間保持平穩(wěn)。然而,由于系統(tǒng)在2個天線之間設有偏移距離,故只有當2個天線再次處于交叉環(huán)線的同一側時,它們的相位關系才會變成一致。相位的變化使交叉檢測得以實現(xiàn)。

知道了從環(huán)線始端開始的交叉?zhèn)€數(shù)及交叉點的間隔(25 m),就能知道車輛的位置。當列車進入一個新的環(huán)線區(qū)(根據(jù)接收命令報文中的LID識別)時,此數(shù)值被重置。

3.2 精準定位

使用測速發(fā)電機生成的信息能準確地確定交叉環(huán)線之間的車輛位置。TWR(定位計算機)中的精準定位測量系統(tǒng)使用從測速發(fā)電機處獲得的行車方向和距離,從而對車輛位置編號進行計算。

系統(tǒng)設置車輛定位編號(VHPN),按環(huán)線交叉間距的1/4(即6.25 m)來計算。VHPN單元中有來自于VCC的目標點信息和來自于VOBC的車輛位置信息。這些信息從環(huán)線邊界始端開始計算。

根據(jù)行車方向,VOBC增加或減少VHPN計數(shù)。任何環(huán)線的最大VHPN為512。VOBC從0開始往上計數(shù)或從511開始往下計數(shù)。命令報文規(guī)定了VHPN的計數(shù)方向和(缺省的)初始VHPN。進入環(huán)線命令報文也規(guī)定了VHPN計數(shù)方向。

位置的確定主要基于與車輛所處環(huán)線的始端相關的車輛位置。來自于VCC的VOBC目標點信息也與環(huán)線始端相關。如果目標點在下一個環(huán)線內(nèi),VOBC將減去在前一個環(huán)線內(nèi)行駛過的距離,并決定在新環(huán)線中的目標點。新環(huán)線中的命令報文包括經(jīng)VOBC計算的相同目標點。

通過以上兩種定位后,可將列車定位精確到6.25 m,有效地提高了列車分辨率。列車定位示意圖如圖2示。

根據(jù)線路實際情況,環(huán)線鋪設長度有所變化,最長可達3.2 km。道岔區(qū)域同樣鋪設環(huán)線,不設置軌道電路,不設置絕緣節(jié)。圖2所示的測速儀脈沖由車載測速儀的性能參數(shù)所決定?，F(xiàn)場采用HASLER測速儀。列車在車站停車時,利用軌旁接近傳感器(列車在站臺定位的硬件設備)使得停車精度達到±0.2 m。

圖2 列車定位示意圖

4 移動閉塞技術的優(yōu)勢

移動閉塞系統(tǒng)通過列車與地面間連續(xù)的雙向通信,實時提供列車的位置及速度等信息,動態(tài)地控制列車運行。移動閉塞制式下,后續(xù)列車的最大制動目標點較準移動閉塞和固定閉塞更靠近先行列車,因此可縮小列車運行間隔,使運營公司有條件實現(xiàn)小編組、高密度,從而使系統(tǒng)在滿足同等客運需求條件下減少旅客候車時間,縮小站臺長度和空間,降低基建投資。此外,由于系統(tǒng)采用模塊化設計,核心部分均通過軟件實現(xiàn),因此使系統(tǒng)硬件數(shù)量大大減少,可節(jié)省維護費用。

移動閉塞系統(tǒng)的安全型計算機(如VCC)一般采取“三取二”或“二取二”的冗余配置;系統(tǒng)通過故障安全原則對軟、硬件及系統(tǒng)進行量化和認證,保證了系統(tǒng)的可靠性、安全性和可用度。

在廣州地鐵3號線采用的阿爾卡特S40信號系統(tǒng),超高峰行車間隔最小達到2 min 52 s,遠遠小于使用固定閉塞的廣州地鐵1號線,充分體現(xiàn)出移動閉塞信號系統(tǒng)的優(yōu)勢。

[1]丁正庭.區(qū)間信號自動控制[M].北京:中國鐵道出版社,1994.

[2]董昱,劉小娟,黨建武.安全列車間隔控制系統(tǒng)[M].蘭州:蘭州大學出版社,2002.