美式和欧式有源信标特点及适用性分析

2023-12-05王静

城市轨道交通研究 2023年11期

王静

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司,200235,上海∥工程师)

信标是列车经过其上方时,可以向列车传输其内部存储的行车控制信息的一种电子装置。当前主流信标有美式和欧式两种制式,泰雷兹、安萨尔多等供应商的信号系统采用的是美式信标,卡斯柯、西门子等供应商的信号系统采用的是欧式信标。信标按照供电特性不同分为两类:通过外部供电的为有源信标,也称为动态信标;不用外部供电的为无源信标,也称为静态信标[1]。有源信标主要应用于CBTC(基于通信的列车控制)系统的点式后备系统,是一种向列车提供前方信号机、道岔等状态的重要信号设备,列车将根据上述设备状态信息并结合车载数据库信息最终生成后备模式下的行车许可。本文从信标工作方式、设置方式和外部控制方式三个方面对比分析美式与欧式有源信标的特点。

1 信标工作方式

根据信号系统需求,在点式后备系统下,向列车传送的主要为前方信号机开放状态、前方道岔开通位置等可以由“0”和“1”定义的二进制变量信息。因此有源信标向列车传送的主要为二进制变量信息,而美式信标和欧式信标对此的实现方式有所不同[2]。

美式信标传输的数据仅限于自身ID(识别号),有源美式信标和无源美式信标的差别在于:有源美式信标被外部电源(AC 110 V)上电激活后,列车经过其上方时方能读取到该信标ID;无源美式信标不需要外部供电,因此无需被激活,列车经过其上方时就可读取到该信标ID。由此可知,对照车载数据库,一个有源信标就能关联一位二进制变量,通过是否能够有效读取到有源信标ID即可译出关联二进制变量的状态是“0”还是“1”。

欧式信标传输的是根据一定规则编制的二进制信息,即报文信息。报文信息一般由报文头、信标ID、用户信息以及循环校验码等构成。已经成熟使用的报文编码策略有高速铁路中应用的ETCS(欧洲列车控制系统)编码方式、城市轨道交通中应用的SACEM(司机辅助运营及维修系统)编码方式和CBTC互联互通编码方式等。有源欧式信标和无源欧式信标的差别在于:有源信标发送的报文是可变的,所以信标必须串行连接到一个LEU(轨旁电子单元),实时接收其发送的报文内容,列车经过其上方时,把从LEU收到的报文内容发送出去;无源欧式信标只能发送其内部存储的固定报文,无需外部连接。一个有源信标的用户可定义的二进制位最高可达32位,再通过比对车载数据库,因此可关联多个二进制变量,通过读取信标报文并进行译码后可确定多个二进制变量的状态[3]。

2 信标设置方式

在城市轨道交通信号系统中,信标根据设置位置不同一般可分为主体信标和预告信标(或称复示信标、填充信标)。主体信标一般设置在与关联设备如信号机、道岔相同的位置,向列车传送该位置对应设备状态信息;预告信标设置在主体信标前一定的距离,用以复示主体信标的信息,以使列车不再默认前方未知的信号变量处于最限制状态,造成制动减速,而可保持较高速度运行。在实际工程中,美式信标与欧式信标的设置有显著差异[4]。

单个美式有源信标仅能关联一个变量,因此,当在同一位置需要向列车传送多个变量时,则需要设置多个信标。美式信标一般被封装在专用的信标终端盒内,1个信标终端盒中可以容纳1～3个不同ID的有源信标,关联变量数量受到限制。在布置信标时,根据安装位置对信标数量的实际需求,选用封装相应数量信标的信标终端盒即可。常用的信标终端盒有6种类型(见表1)。美式有源信标主要向列车传送关联信号机的状态以及开通进路的信息,当同一信号机防护多条线路时,为了区分由于不同进路中的道岔位置差异而导致的不同限速,可以增加信标数量,如:信号机绿灯状态代表信号机所防护的进路已锁闭且所有道岔处于定位,该进路是唯一的;信号机白灯状态代表信号机所防护的进路已锁闭且至少有一组道岔处于反位。这类进路会由于道岔处于定反位的先后顺序不同而产生不同的限速要求,需要用不同的变量加以区分。需要说明的是,同一信号机防护的进路均互为抵触,不会同时开通,因此信号处于开放状态是多重信标中有且仅有一个会被激活的情况。

表1 美式有源信标终端盒类型

根据上述原理并结合表1可知:单个信标作为主体信标主要设置在无岔信号机或是关联信号机的防护进路只有1条的点位;多重信标一般只作为主体信标,设置在关联信号机所防护进路不止1条的点位,由于1个信标终端盒内最多可容纳3个有源信标,因此最多关联1条直向进路(进路开通信号机显示绿灯)和2条限速最低的侧向进路(进路开通信号机显示白灯)。对于关联多条进路的多重主体信标,由于列车未读取到信标前需按最不利情况考虑,应按所有进路中限速最低接近信标的信息运行,因此,为提高运输效率,在关联直向进路的主体信标前一定防护距离设置该主体信标的预告信标,当信号机已开放绿灯时提前向列车预告进路已锁闭且所有道岔处于定位的信息,使列车不减速快速通过;若信号机开放白灯或关闭,则预告信标不会被激活,列车将减速到最低限速下再读取主体信标信息。

相比之下,由于欧式有源信标将信号机、道岔位置等变量整合在报文信息内,且最高可关联32个变量,关联数量几乎不受限制[5],因此,对于同一个欧式有源信标,既可以作为主体信标描述安装位置所对应的关联变量信息,又能在此基础上增加复示前方需要预告的关联变量信息,抑或是单独作为预告信标使用。若所关联信号机所防护的进路不止1条,将不会受到美式有源信标要以进路为变量基本单位且最多描述3条进路的限制,而是把所有允许建立进路的全部道岔的位置状态作为变量基本单位进行描述并发送给列车,进路相关信息更为完整精确。

3 信标控制方式

由于美式有源信标和欧式有源信标工作方式显著不同,因而在控制方式上,对于美式有源信标而言,仅需控制其电源通断即可;对于欧式有源信标而言,必须将其连接到LEU,由其进行报文的编码。

美式有源信标由于只有上电激活和断电未激活两种工作状态,因此可以通过若干继电器接点的组合直接控制其电源通断,从而将关联变量的状态传送给列车。美式有源信标一般可分为从LED(发光二极管)信号机终端电缆盒取电和从继电器架取电两种方式。对于关联绿灯信号变量的信标,包括进路信标,由于与绿灯点灯继电控制逻辑一致且输入电压同为AC 110 V,因此可以将信标电源线直接并联接在关联信号机旁设置的终端电缆盒的绿灯电源线和绿灯电源回线接线端子上,无需独立串接继电器接点。对于关联白灯信号变量的信标,需要白灯点灯控制逻辑叠加道岔位置以区分不同进路的情况,因此信标电源线将从电源屏引出,经过继电器架的白灯点灯继电器以及相关道岔表示继电器的接点进行双断控制后,再接入信标。

LEU是欧式有源信标内部报文的编码设备。以采用SACEM编码规则的系统为例,LEU内部将存储有采集到的继电变量映射到所有情况下信标所需报文映射表,LEU通过采集继电器接点构成的继电电路是否得电获取相关信号设备状态;根据映射表,将所采集到的信息根据编码规则转化为报文信息并传送给受控信标;当列车经过信标上方时,信标将从LEU接收到的报文发送给列车[6]。

一个LEU同时可以采集10个由继电电路构成的关联变量,并可以同时控制4个欧式有源信标。直流电源DC 24 V经继电器接点双断控制形成采集电路后输入LEU,LEU将映射后的报文通过2根串行通信电缆传送至有源信标。一般来说,对于需要传送信号机状态的有源信标,其所连接的LEU应采集对应信号机点灯继电器前接点;对于需要传送道岔位置的有源信标,其所连接的LEU应采集对应道岔表示继电器的前接点;同时,为保证信标发送信息和信号机点灯状态的一致性,各继电采集电路需串接反点灯继电器的前接点[7]。

欧式有源信标SACEM编码基本规则见表2,共有232位二进制变量,其中信标ID、用户变量、信标默认信息、变量有效性由用户根据相关规则自行定义,备用位用0填充,校验码根据校验公式生成。

表2 欧式有源信标SACEM编码基本规则

4 美式和欧式有源信标对比分析

美式有源信标和欧式有源信标特点对比分析如表3所示。

表3 美式有源信标和欧式有源信标特点对比分析表

通过对比分析可知:美式有源信标控制方式简单,利用既有信号点灯电路和道岔表示电路直接控制,无需添加额外设备,经济性强,维护简单,但传输信息量有限,难以满足复杂站场控制信息覆盖需求,且在实际应用中易出现漏读的现象,故障率相对较高;欧式有源信标控制方式较为复杂,必须连接到LEU以进行传输报文的编码,成本相对较高,并且增加了额外的维护工作量,但其传输信息量较大且能根据用户需求自行定义,灵活性佳,可用于复杂站场的控制信息覆盖,同时设备运行稳定,故障率低。