西门子 CBTC信号系统在中国城市轨道交通的应用

毕危危

*西门子 (中国)有限公司 工程师,100102 北京

随着中国城市轨道交通的载客压力日益增加,地铁行驶速度不断提升 (目前最高速度已超过 100km/h)。如何在高速环境下确保运营安全,缩短行车间隔,提高运营效率,这对地铁车辆、信号系统、通信系统等都提出了极高要求。从最初的固定闭塞到准移动闭塞,再到现在最先进的基于通信的列车控制CBTC(Communications-Based Train Control)移动闭塞系统的应用,信号系统的持续改进是推动列车提速、保障行驶安全的最关键技术。

西门子凭借 “全面交通解决方案”的理念,将其先进的 CBTC解决方案引入到中国城市轨道交通中,并提供模块化产品 “Trainguard MT”列车自动控制系统。

1 “Trainguard MT”系统结构

“Trainguard MT”系统主要由列车自动监控系统 (ATS)、计算机联锁系统 (IXL)、轨道空闲检测系统 (TVD)、列车控制系统 (列车自动防护ATP及列车自动运行 ATO)、和双向通信系统(WLAN)等 5个子系统组成,如图 1所示。这 5个子系统被划分到 4个层级,以便分级实现系统指定的功能。

第 1层:ATS系统的集中控制层。包括中心控制和车站控制 2级。VICOS OC 501实现线路集中控制功能及其备用功能;VICOSOC 101则为车站控制和后备模式的功能提供操作员工作站和列车进路计算机 (TRC)。

第 2层:沿着线路分布的轨旁层。包括联锁系统 (IXL)、ATP轨旁系统、轨道空闲检测系统(TVD)及信号机、应答器部件等,执行联锁和ATP轨旁功能。联锁系统 (IXL)采用西门子计算机辅助信号 (Sicas)。Sicas基于联锁表原理,能够灵活调整,适应相关铁路运营商的运行规则和不同的用户需求。

第 3层:通信层。包括局域网络、无线 WLAN通信系统,以及应答器等车-地通信设备。

第 4层:连续式或点式通信级别时,Trainguard MT的车载 ATP和 ATO控制功能。

2 “TrainGuard MT”系统特点

与以往的固定闭塞和准移动闭塞相比,西门子“Trainguard MT”系统属于移动闭塞控制系统,通过配备在列车上以及轨道旁的无线设备,实现车-地间不中断的双向通信。控制系统可以根据列车实时的速度和位置动态计算和调整列车的最大制动距离,2个相邻列车能以很小的间隔同时前进,从而极大地提高运营效率。

“Trainguard MT”系统在保证安全的前提下提供了大量的自动化功能,例如 ATO和无人折返功能,不仅使司机从繁重的例行工作中解放了出来,还保证了列车在站台屏蔽门前的精确制动,极大地缩短了运行时间和行车间隔,从而确保了安全、可靠、稳定、舒适的载客环境。除此之外, “Trainguard MT”还具有以下显著特点。

2.1 支持混合运营模式

“Trainguard MT”系统是西门子在以往系统的基础上进行创新、完善的成果。一方面,各个子系统都相对独立、完整地保留在系统中;另一方面,各个子系统相互接口,逐层逐级扩充系统功能。这种设计理念使得 “Trainguard MT”系统能够区分对待其管辖范围内的非装备列车、点式控制列车和连续式控制列车,为列车提供不同的安全防护策略,从而允许不同控制级别的列车在同一信号系统的控制下安全运行。对于非装备列车,联锁系统提供进路保护;对于点式控制列车,联锁系统通过应答器为车载 ATP提供安全移动授权;对于连续式控制列车,则由轨旁 ATP设备通过无线系统向车载 ATP提供安全移动授权。

采用 “Trainguard MT”方案,将点式列车控制和连续式列车控制融合在一个系统中,让客户在特定情况下拥有多种运营策略和建设策略的选择。

2.2 列车控制级别和信号机的自动切换

Trainguard MT”系统中,列车在进入线路、具备升级条件后,可以自动从联锁级升级到点式控制级,最后到连续式控制级,无须人工介入。

对于连续式控制列车,信号灯处于灭灯状态,司机依据车载提示驾驶;对于点式控制列车或非装备列车,信号灯点灯,司机必须遵守实际信号。信号灯的点灯或灭灯控制,完全由信号系统依据信号灯前的列车控制级别来自动选择。

列车控制级别和信号机的自动切换设计,极大地简化了复杂情况下运营人员的操作强度。

2.3 车载设备的前后冗余功能

“Trainguard MT”系统大量采用冗余设计提高系统可靠性。其中,车载设备的前后冗余功能是难点。当一端车载无线设备、ATP设备、ATO设备、ITF设备发生故障时,另一端的车载设备会接管列车,在乘客毫无察觉的情况下继续保持列车的平稳运行。

2.4 WLAN和无线加密技术

出于在成本、可维护性、可用性和通信稳定性等方面的考虑,“Trainguard MT”采用基于无线 AP的 WLAN作为车-地通信通道。WLAN无线通道提供了一个强大的数据传输通道,其功能可以在整体系统中进行扩展。

WLAN数据通信基于 IPSec标准,专用加密模块在应用层为数据提供 256位加密、专用数据通道格式和密钥协商,防止对数据的访问和篡改;在AP数据链路层采用防火墙机制,拦截非法的数据报文。从而,使无线系统在满足 CTC系统对数据通信高实时性的要求之同时,最大限度地减少了黑客侵入的风险。

综上,可以说,基于 WLAN的 “Trainguard MT”列车自动控制系统为中国城市轨道交通的发展提供了一种新的选择和方向。北京地铁 10号线(含奥运支线)项目采用西门子公司的 “Trainguard MT”系统,于 2008年 7月 19日开始以移动闭塞的全功能投入载客运营,为北京奥运会献上了一份厚礼。同样采用西门子公司的 “Trainguard MT”系统的广州地铁 4号线于 2009年 3月份,5号线于 2009年 12月份也已经投入移动闭塞的全功能载客运营。经过实践检验的 “Trainguard MT”系统也会应用到南京、广佛、重庆,苏州等地区,开创无线移动闭塞系统的新时代。