广州地铁移动闭塞技术应用与比较

糟明敏

(西安市地下铁道有限责任公司运营分公司,710018,西安∥助理工程师)

1 广州地铁3、4号线信号系统概况

广州地铁3、4号线信号系统均采用了基于通信的移动闭塞系统。基于通信的移动闭塞系统采用交叉感应电缆环线、漏缆、裂缝波导管以及无线电台等方式,实现车-地双向数据通信,实时监控列车运行;地面信号设备可得到每一列车连续的位置信息和列车运行的其它信息,并据此计算出每一列车的运行权限,动态更新发送给列车;列车根据接收到的运行权限和自身的运行状态计算出列车运行的速度-距离曲线。车载列车自动运行(ATO)子系统在列车自动保护(AT P)子系统保护下保证列车按此速度-距离曲线运行,使追踪列车之间保持一个最小的“安全距离”(即后续列车的指令停车点和前行列车尾部的确认位置之间的动态距离)。这个安全距离允许在一系列最不利情况存在时,仍能保证安全间隔,保证后续列车在移动授权上限的目标点停车(见图1)。列车安全间隔距离是根据最大允许速度、当前停车点位置、线路状况等信息计算出的。车-地通信信息被循环更新,以保证列车不断收到实时信息,因此在保证安全的前提下,能最大程度地提高区间通过能力,实现移动闭塞。

图1 移动闭塞原理示意图

广州地铁3号线采用阿尔卡特以环线通信为基础的SelTrac S40移动闭塞列车自动控制系统,通过感应环线通信系统来提供列车与地面设备间的通信。其移动闭塞列车自动控制(ATC)系统主要包含系统管理中心(SMC)、车辆控制中心(VCC)、列车车载设备(VOBC)、车站控制器系统(STC)、试车线设备、仿真及培训设备等硬件子系统。3号线信号ATC系统的中央设备由SMC和VCC组成。中央设备除实现列车自动监视(ATS)功能外,还负责实现主要的ATP功能和联锁功能。车站设备只负责基本的联锁功能并完成与轨旁设备及其它机电设备的接口功能。车载设备与地面设备之间通过感应环线来实现车-地实时通信。轨旁设备沿着线路分布,由感应环线数据通信系统、信号部件、计轴和接近传感器感应板等部件组成。各个系统之间相互协作共同完成车-地通信、轨旁ATP等功能。通信层在轨旁和车载设备之间提供连续式车-地通信。

广州地铁4号线采用西门子T RAINGUARD MT移动闭塞列车自动控制系统,通过无线通信系统来提供列车与地面设备间的通信。其移动闭塞ATC系统主要包含以下硬件子系统:具有故障-安全、高可用性的SICAS型微机联锁系统,具备中央和本地操作能力的ATS系统,TRAINGUARD MT ATP/ATO连续式移动闭塞列车控制系统。轨旁设备也沿着线路分布。它由SICAS微机联锁系统、T RAINGUARD MT ATP/ATO系统轨旁单元、信号部件、计轴和应答器部件等组成,共同执行所有的联锁、轨旁ATP以及车-地通信功能。通信层在轨旁和车载设备之间提供连续式或点式车-地通信。

2 广州地铁3、4号线车-地通信原理

广州地铁3号线车-地通信示意图如图2所示:感应环线沿着钢轨线路架空铺设,每6.25 m设一个支撑点(节点),每25 m设一个交叉点(转换点);通信信息由转换点汇集至轨旁设备,然后送至中央设备进行运算处理。列车在运行过程中通过安装在车底的4个通信天线实时接收来自轨旁的授权信息并将授权信息送至车载ATP/ATO系统,以产生合理的速度-距离曲线。然后按此速度-距离曲线控制列车的运行,并将列车的运行状况和定位信息等由感应环线实时反馈给轨旁设备。这样信息实时更新不断循环达到移动闭塞功能。

图2 广州地铁3号线车-地通信示意图

广州地铁4号线采用的列车自动控制系统,在轨旁设置无线接入点(AP),利用无线通信系统来提供列车与地面设备间的通信(见图3)。当列车进入某AP的覆盖范围后,列车通过安装在车顶的车载无线天线实时接收轨旁区域控制器产生的由AP发来的移动授权信息,并将此授权信息送至车载ATP/ATO系统以产生合理的速度-距离曲线。然后按此曲线控制列车的运行,并将列车的运行状况和定位信息等实时通过无线AP反馈给轨旁设备,实现行车信息的实时更新,达到移动闭塞的功能。

图3 广州地铁4号线车-地通信示意图

3 广州地铁3、4号线后备运行模式

3.1 3号线后备运行模式

3.1.1 部分后退模式

(1)SMC故障、VCC正常时的部分后退模式:在SMC完全故障或VCC与SMC连接中断后,系统即进入VCC控制模式。VCC提供基本的ATC运营,即实现基本的ATO、ATP功能。ATS功能不能实现。在此模式下,系统提供 ATP/ATO功能,VCC自动地获取运行线的分配,并根据分配的运行线进行自动进路控制。列车通过 VCC与VOBC(车载设备)之间的通信接收所分配的运行线。知道了运行线号码的列车可通过车载数据库查得行车目的地,在VCC提供的基本功能下按照固定闭塞或准移动闭塞的原理组织行车。

(2)VCC故障、SMC正常时的部分后退模式:在该后退模式下,由司机通过触摸屏输入列车运行线分配命令及其身份验证信息。数据信息从VOBC通过STC传送到 LWS(现地工作站,用于联锁控制),然后送到SMC,SMC通过呼叫相应的STC自动为列车排路。SMC根据闭塞占用原理在整个系统中跟踪列车运行。

3.1.2 完全后退模式

在SMC及VCC全部发生故障的完全后退模式下,通过LWS的人工命令控制STC来完成进路的排列;STC根据信号固定闭塞原理,在一个区间里只允许一列车通行,在此安全间隔的前提下,命令转动相应的道岔,开放相应的信号机。

3.2 4号线后备运行模式

3.2.1 点式ATP控制模式

点式ATP控制模式是指连续式车-地通信设备或连续式ATP设备故障,以及其他原因导致连续式ATP功能丧失时的系统控制模式。此时,由轨旁点式通信设备(固定数据应答器,可变数据应答器)和车载ATP设备一起实现完整的全线点式ATP超速防护功能。

当列车运行至线路中设置有应答器的地点时,车载系统发出能量信号激活轨旁应答器,车载天线就会接收到一个用于应答器识别的应答器报文。根据应答器的识别号,车载 ATP利用轨道数据库(TDB)里的线路信息对应答器进行定位并考虑TDB中所有的详细线路描述,自动服从所有的线路限速。该控制模式下,由联锁设备实现进路的自动或人工设置,由计轴设备检测列车对轨道的占用与出清情况,由中央行调人员在中央联锁控制工作站(或车站值班员在车站现地工作站)实现所有联锁设备的监控功能,按照准移动闭塞的原理来保障行车。

3.2.2 联锁级控制模式

联锁控制模式是连续式ATP功能和点式ATP功能均丧失且无轨旁到列车的通信,仅以联锁设备保证列车进路安全,司机根据地面信号机的显示人工驾驶列车时的系统控制模式。该模式下,由中央行调人员(在中央联锁控制工作站)和车站值班员(在车站现地工作站)对进路进行人工排列和解锁,运用信号固定闭塞原理,通过行调、车站值班员与列车司机之间的通信来保障行车安全。

4 结语

广州地铁3号线移动闭塞的设计理念为中央集中控制式,采用基于感应环线通信的列车控制方式,中央设备除实现ATS功能外,还负责实现主要的ATP功能和联锁功能;车站设备只负责基本的联锁功能并完成与轨旁设备及其它机电设备的接口功能。如果中央VCC发生故障,会导致联锁和ATP功能瘫痪,牵一发而动全身。在启用后备模式运营时,如果车站值班员不能熟练掌握后备模式排列进路的方法,则将大大影响组织行车的效率。2009年3月20日,广州地铁3号线1台VCC故障导致全线全天运营受阻,就是其典型故障案例。目前,地铁3号线仍处于边运营边调试的状态,系统性能不稳定为运营埋下了很多的隐患。如:采用感应环线的方式来实现车-地通信,而感应环线需要沿整个地铁线路架空铺设,大大增加了维护量,且任何一处线路断裂都会导致车-地通信失败;由于感应环线是在钢轨中央架空设置,容易出现环线弯曲跌落影响车底天线的感应灵敏度,这也大大增加了出现故障的概率。一旦环线出现长距离的跌落而维修不及时,将造成车-地通信失败,列车监控丢失,车载系统自动施行紧急制动,影响正常运营。

广州地铁4号线移动闭塞的设计理念为分散控制式,采用基于无线通信的列车控制技术。由于4号线大多采用开放式高架结构,无线信息传输常受到各种外界信息干扰,因此其车-地通信信息丢失严重。信息丢失将导致列车自动施行紧急制动。这种因车-地通信信息丢失造成的列车制动在广州地铁4号线的实际运营中每天都在发生。多次紧急制动必将导致乘客投诉。有时信息丢失严重甚至直接导致列车晚点,大大影响了地铁4号线的运营质量与地铁品牌。无线传输网络受干扰过于严重或瘫痪都将导致车-地通信失败,无法施行连续式车-地通信,从而不能完全实现CBTC的功能,因而其技术的先进性也不能得到充分的体现。再加上4号线采用第三轨供电方式,其直线电机与感应板之间产生的强大的电磁场也是干扰无线信息传输的原因之一。

总之,采用环线方式实现车-地通信具有信息传输实时稳定的优点,但是其环线线路过长而使故障点增多、维护量大,也增加了故障概率。采用无线传输方式实现车-地通信虽具有轨旁设备简单、维护量少的优点,但无线传输容易受到外界无线电波等因素的干扰,都将影响车-地通信质量。这些都是在实际运用中迫切需要解决的问题。目前,移动闭塞技术已成为新建地铁的首选控制方式,其不足与缺点还需要不断完善,才能以更好的技术来实现城市轨道交通“高效、安全、舒适、快捷”的运营理念。

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