城市轨道交通基于通信的列车自动控制系统中站台轨旁无源应答器的布置方案

黄柒光

(卡斯柯信号有限公司, 200072, 上海)

应答器是城市轨道交通实现车地通信、列车定位校准的信号基础设备,对实现列车安全运营、提高运营效率具有重要意义。应答器系统主要由车载设备与地面设备组成:车载设备由应答器查询主机、应答器天线及天线电缆组成,地面设备由无源应答器、有源应答器及LEU(轨旁电子单元)组成。

无源应答器存储固定信息,平时处于休眠状态。当列车经过地面无源应答器上方时,无源应答器接收到车载应答器天线发射的电磁能量后,将其转化为电能,并使地面应答器电子电路工作,将存储在其内的固定信息循环发送出去,通过车载应答器天线进行接收,直到车载应答器天线远离地面应答器。

有源应答器通过电缆与LEU相连,LEU与轨旁联锁系统相连。列车经过地面有源应答器上方,有源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后,将其转化为电能,并使地面有源应答器电子电路工作,将存储在地面有源应答器的数据,以及通过LEU获取的轨旁设备实时状态数据循环发送出去,通过车载应答器天线进行接收,直到车载应答器天线远离地面有源应答器。当发生LEU设备故障或通信故障时,有源应答器将转变为无源应答器工作模式发送固定信息。有源应答器应用在点式后备移动闭塞信号系统中。

应答器布置的数量与安装位置直接影响线路安全、运营效率及项目成本。应答器布置太多,会增加项目成本及安装成本;布置太少,则会影响线路安全、运营效率及停车精度。

本方案介绍了CBTC(基于通信的列车自动控制)的站台无源应答器布置方法。通过本方案在站台布置无源应答器,确保了列车在FAO(全自动运行)模式下在站台精准停车,且在确保列车安全和运营效率的情况下,使得无源应答器布置数量最少,节省了项目设备及安装布置成本。

1 站台轨旁无源应答器布置设计方案

1.1 站台精准停车的设计原理

本文提出的站台轨旁无源应答器布置方案可采用CBTC系统中FAO(全自动运行)或ATO(列车自动运行)系统实现站台精准停车。所述CBTC系统包含ATC(列车自动控制)设备、ATS(列车自动监控)设备、CI(计算机联锁)设备、MSS(维护支持系统)设备及DCS(数据通信子系统)设备。

ATC设备包含车载ATC设备与轨旁ATC设备。其中,车载ATC设备安装在车头、车尾且两端各1套,每套车载ATC设备同对应端速度传感器和应答器车载处理模块相连。其中:速度传感器安装在列车制动轴上,应答器包含轨旁设备和车载设备。轨旁设备为地面应答器,车载设备为应答器主机、应答器天线及连接电缆。每套车载ATC设备均包含ATO模块和ATP(列车自动防护)模块,且车头、车尾两端的ATP模块和ATO模块均通过网络相连。ATO模块根据车头、车尾两端健康度信息对比,选择一端为主用,且该模块负责列车FAO、自动开关门等功能;ATP模块负责行车安全、超速防护、车门允许打开等功能。ATP模块与车辆接口通过硬线和网络相连,信号系统安全输入、输出均通过硬线实现,车载ATC设备与轨旁ATC设备、轨旁CI设备、轨旁ATS设备通过无线通信实现信息交互。

为提高列车进站速度,设计站台出站信号机为可接近(即在出站信号机到区间方向设置一段距离为保护距离)。列车速度传感器安装在制动轴上。车载ATC在计算列车位置时存在一定偏差,称为定位偏差。定位偏差同列车经过应答器行驶的距离与定位偏差率有关。定位偏差率与车辆、速度传感器及信号等参数有关,且在最不利条件下进行取值。当列车减速度超过最大减速度且持续一定时间时,车载ATC设备将判断为车辆打滑,并将输出紧急制动。

列车停车点(列车车头顶端位置)距出站信号机的距离设置为S2。S2取值若太大,会影响司机瞭望信号灯;S2取值若太小,则需增加站台应答器数量。S2一般取5～7 m。

1.2 站台无源应答器布置设计

为保证列车在ATO模式下停准、停稳,在站台轨旁布置1对停准应答器(含车头、车尾)、1对第一接近应答器(含车头、车尾)及1对第二接近应答器(含车头、车尾)。列车在ATO模式下进站的过程中,通过应答器天线读取在站台布置的3对应答器而精确停车,其中:ATO模块采用了2对应答器,分别为第一接近应答器和第二接近应答器,列车车头进站首先读取的是第一接近应答器,再次读取的是第二接近应答器;ATP模块主要进行站台门与车门的对准,采用了1对应答器,被命名为停准应答器。

1.2.1 停准应答器布置设计

列车经过停准应答器时进行定位校准,且从停准应答器到停车点运行距离产生的定位误差应小于车门与站台门的偏差(如0.5 m),这样不会影响乘客上下车。列车从停准应答器到停车点运行产生的定位误差,同运行距离与制动时产生的定位偏差率有关。列车在站台的停准功能为ATP安全功能,其影响着乘客安全上下车。列车判断停准后,给车辆发送切除牵引和制动施加命令,得到车辆成功反馈后,车载信号设备会发出允许车门打开的指令,此时根据驾驶模式和车门控制模式,CBTC系统自动或人工打开车门和站台门。

1.2.2 第二接近应答器布置设计

第二接近应答器的布置需结合如下因素进行考虑:

1) 列车经过第二接近应答器时进行定位校准,并通过该应答器识别ATO存在的误差,且在列车运行在第二接近应答器到停准应答器区段时进行误差调整。

2) 第二接近应答器距停准应答器的距离太短时,会导致调整余量很小。第二接近应答器距停准应答器的距离太长时,列车经过这段距离产生的定位误差会更大。如出站信号机红灯时,CBTC系统计算的列车位置加上最大定位误差不允许超过红灯信号机,否则会导致列车无法停到停车点。

3)列车停在停车点时,第二接近应答器距查询器天线的距离设为L1,列车紧急制动时的定位偏差率设为G。设计时需考虑1 m左右的停车点与出站信号机的现场安装误差,L1≤(S2-1)/G,同时需考虑一定的余量空间。

1.2.3 第一接近应答器布置设计

第一接近应答器的布置需结合如下因素进行考虑:

1) 第一接近应答器距第二接近应答器的距离不能设置太远,太远会导致此区间内ATO产生的误差较大,从而使得列车在后续运行中不能调整。

2) 第一接近应答器距第二接近应答器的距离不能设置太近,太近会导致成本增加。

3) 同时考虑到列车进站速度、列车运营间隔等因素,列车停在停车点时,第一接近应答器距查询器天线的距离设置为L2,第二接近应答器距查询器天线的距离设置为3L1。

1.2.4 应答器布置设计其他说明

站台轨旁无源应答器布置设计时还应考虑如下因素:

1) 针对车尾ATC设备,其轨旁无源应答器的布置方法应与车头一致。

2) 基于现场安装环境,停车点距信号机的距离小于S2时,需在停准应答器与第二接近应答器之间增加1对应答器(含车头、车尾),避免信号机红灯时信号系统结合最大定位误差计算的列车位置越过红灯禁止信号机,导致列车停不到停车点而产生欠停现象。应答器应布置于停准应答器与第二接近应答器之间,并靠近停准应答器1/4～1/5位置。

3) 本文所述的站台无源应答器布置方案主要指列车进站时确保站台精准停车的轨旁无源应答器布置方案。若要求列车在站台反向运行并停准,无源应答器布置应同本方案,且部分应答器可进行合并。

2 站台轨旁无源应答器布置案例分析

选取郑州地铁10号线信号系统站台轨旁无源应答器布置作为案例进行分析。图1为车载应答器天线安装位置示意图。图2为站台轨旁车头应答器安装位置示意图。图3为S2>5 m时站台轨旁车头、车尾应答器安装位置示意图。图4为因土建等其他因素导致停车点距离出站信号机较短(S2<5 m)时,站台轨旁车头、车尾应答器安装位置示意图。

注:S1为车载应答器天线距车端的距离。

图2 站台轨旁车头应答器安装位置示意图

1) 车载应答器天线安装在车头第一车轴与第二车轴之间,以及车尾第一车轴与第二车轴之间。S1(见图1)一般取3～4 m。停车点距出站信号机距离太长时,将会影响司机瞭望信号灯;停车点距出站信号机距离太近时,需增加站台应答器布置数量。S2(见图2)一般取5～7 m。

2) 列车在ATO模式下进站时:安装在车头的应答器天线接收到轨旁无源应答器信息,对列车进行位置较准;ATO模块根据校准信息进行误差计算,并将误差在列车后续行程中进行调整;ATP模块根据定位校准信息同速度传感器计算的距离进行对比,从而消除定位误差。列车经过停准应答器后,对列车进行定位校准,停准应答器到停车点允许产生的定位误差要小于车门与站台门允许的偏差,这样不影响乘客上下车。停准应答器距停车点的定位误差同列车运行距离,以及列车制动时产生的定位误差率有关。列车在停车点时,停准应答器距应答器天线的距离设为L0,一般取1.3～1.5 m(见图2)。

3) 列车在停车点时,车头应答器1(车头第二接近应答器)距应答器天线的距离L1同S2和G有关。考虑到停车点与出站信号机存在现场安装误差,设计时需考虑1 m左右的安装误差,且L1≤(S2-1)/G,同时需考虑一定的余量空间(见图2)。列车在停车点时,车头应答器2距应答器天线的距离L2=3L1。应答器进行布置设计时,需综合考虑列车进站速度、列车运营间隔、应答器布置数量及成本等因素(见图2)。

4) 轨旁车尾停准应答器的布置方法与车头应答器一致(见图3)。

图3 站台轨旁车头、车尾应答器安装位置示意图(S2>5 m)

5) 当停车点距信号机的距离小于S2时,需在停准应答器与第二接近应答器之间增加1对应答器(含车头、车尾),且增加的应答器布置在停准应答器与第二接近应答器中间,并靠近停准应答器1/4～1/5位置。当出站信号机红灯,列车到达停车点前,信号系统计算的列车位置加上最大定位误差,不允许越过红灯信号机,否则ATP模块将输出紧急制动命令。结合最大定位误差在CBTC系统中计算列车位置时,不允许其越过信号机红灯,否则可能会导致列车停不到停车点而产生欠停现象。为避免此现象发生,列车车头应答器1与停准应答器之间,以及车尾应答器1与停准应答器之间应新增应答器(见图4)。

图4 站台轨旁车头、车尾应答器安装位置示意图(S2<5 m)

3 结语

通过本文提出的站台无源应答器布置方案,列车进站时可实现在站台精准停车,同时在确保列车安全与运营效率的前提下,轨旁无源应答器布置数量达到最少,减少了项目成本。本方案支持ATO及FAO,以及车门与站台门的联动,可实现自动开关门。考虑到现场环境,可在一定范围内根据具体环境对站台轨旁无源应答器布置进行调整,避免由于安装原因而进行的修改设计。本方案已成功应用于上海、成都、深圳、郑州等地多条城市轨道交通的信号系统中,且运行效果良好。