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基于通信的列车控制技术在轨道交通信号系统升级中的应用

　　摘　要　对轨道交通系统中信号系统的升级需求进行了分析,归纳了系统升级中应考虑的几个问题。以英国伦敦维多利亚线信号系统升级项目为实例,分别从过渡设备的安装、车辆测试、信号系统更新、控制中心升级等方面介绍了基于通信的列车控制技术的应用及其关键技术。
关键词　基于通信的列车控制,移动闭塞,信号系统
　　基于通信的列车控制(简为ＣＢＴＣ)技术,利用先进的通信、计算机技术,突破了固定闭塞的局限,实现了移动闭塞,技术和成本上较传统的信号系统有明显的优势。该技术无需在轨道上进行固定长度、固定位置的闭塞分区,而是把每一列车加上前后的一定安全距离作为一个移动的分区,列车制动的起点和终点都是动态的。列车的安全间距是按后续列车在当前速度下所需的制动距离加上安全余量计算得出的。列车的最小运行间隔在90ｓ以内,个别条件下可实现小于60ｓ的间隔时间。和传统的固定闭塞、准移动闭塞技术相比,移动闭塞技术实现了车载设备与轨旁设备不间断的信息双向传输,使列车定位更精确、控制更灵活,可以安全有效地缩短列车间隔,提高列车运行的安全性与可靠性,降低列车的运营和维护成本[1,2]。我国于2004年投入运营的武汉轻轨是国内第一条采用ＣＢＴＣ方案的城市轨道交通线路。然而对于仍在运营的轨道交通系统,如何在不影响服务的条件下应用先进的信号系统,是运营商在考虑对信号系统进行升级时必须面对的问题。本文结合一个工程实例说明ＣＢＴＣ技术在信号系统升级中的应用。
1 信号系统升级需求
欧洲的许多轨道系统设备超过了30年的历史,潜在的轨道交通信号系统升级业务巨大。在亚洲也存在着类似的情况。信号系统升级的需求来自以下几个方面。
·技术过时:20世纪70年代建造的轨道系统都使用了当时的先进技术,如香港ＭＴＲ使用当时先进的基于轨道的模拟列车自动防护(ＡＴＰ)和数字化的列车自动运行(ＡＴＯ)系统。而现在这样的信号系统已过时,组成系统的构件或子系统部件已很难获得,甚至无法找到合适的替代品用以更换。同样,维护这些过时系统所需的人力成本也相当高。缺少可替换元件及相应的维修人员,使维护时间延长,导致系统可靠性下降。
·性能:在亚洲,许多城市轨道交通系统的建设滞后于交通需求的增长,使得投入运营的线路马上达到了其设计通行能力甚至超负荷运行。上海轨道交通1号线北延伸段就是一例,为了缓解运能紧张,不得不采用地面公交分散客流。提高运能最直接的手段就是缩短发车间隔,而这又受到信号系统本身能力的限制。
·标准:一个城市轨道交通网络中存在多条线路运营,如采用了不同供应商的系统,则不同信号系统使用的标准可能不同,这不利于轨道网络的互联互通。而采用ＣＢＴＣ,其控制系统间的接口均通过数据通信系统实现,采用开放式的国际标准,有利于实现不同线路的互联互通。
2 升级中应考虑的问题
在确定了信号系统升级需求后,对升级项目进行规划是非常必要的。有三种可以考虑的方案:
·使用兼容新旧两个ＡＴＰ系统的轨旁设备,使车辆始终在信号控制系统中运行;
·使用兼容新旧两个ＡＴＰ系统的车载设备,使升级工程在局部展开;
·停止服务或使系统运行于没有ＡＴＰ的特殊环境下,更换所有ＡＴＰ设备。
选择以上任一方案时,应考虑以下问题。
(1)列车应照常运行
世界上只有少数的城市轨道系统能保证在列车运行时进行维护工作。纽约的轨道交通系统是一例,它在部分区段有4条并行的线路,保证了列车运行和维护工作完全隔离。其它许多轨道系统没有这样的条件,也不可能在进行信号系统升级时将整个系统关闭,通常每晚只有3～4ｈ可以进行系统升级工作,且同时必须兼顾正常维护工作的进行。这使得系统升级必须分阶段实施,并制定周密的计划保证系统运行的可靠性和安全性。
(2)可用空间
信号系统升级过程中必然有一个阶段是新旧两个系统共同存在的,这就要求轨旁、列车及控制系统中有足够的空间。这个问题往往在制定计划时被忽略。如果需要在列车上同时安装两套设备,这个问题就更加突出了。
(3)设备的兼容性
如果新的设备或ＡＴＰ系统能从已有系统中获得信息并发送给新的信号系统,这将使升级中的风险大大降低。现有的联锁系统和ＡＴＰ系统可工作到所有ＡＴＰ都更换完成时,而这要求新系统对已有系统的兼容能力。为此,新系统的模块化(包括硬件、软件、数据等方面)是有效手段。

　　3 应用实例
于1968年开始运行的伦敦维多利亚线使用的系统,虽然经过一些小的改造,但基本保留了建设初期使用的信号系统:电压联锁和单机,基于轨道代码的ＡＴＰ和基于轨道电路的ＡＴＯ系统、控制机和控制中心。其升级目标为:计算机控制联锁,高性能车辆控制系统(包括先进的基于无线通信的ＡＴＰ及ＡＴＯ),先进的控制中心。
由于列车内可用空间和站台空间的限制,决定在新列车上使用新的ＡＴＰ和ＡＴＯ,并改造轨旁系统使其能兼容两套信号系统直到所有旧的列车被替换。升级工程包括:过渡性设备的安装,车辆测试,信号系统更新,控制中心升级等。
1) 过渡性设备的安装
新列车的安装、调试和运行需要在非运营时间进行,包括如下工作:在设备方面安装联锁机和ＡＴＰ系统的接口设备,安装ＡＴＰ处理器以及无线电通信设备;在轨旁安装漏泄电缆无线电通信设备,安装绝对定位参照信标。上述工作可采用不同的次序进行。在实际工程中,首先从维多利亚线的北端一段线路开始;一旦这一段线路的安装、调试和试运行完成,就可以进行下一段线路的升级工程。
2) 车辆测试
车辆测试同样要分阶段进行,这包括在不断扩大的范围内进行的测试:在试车场进行;非运营时间单车测试;非运营时间多车测试;运营时间单车测试;运营时间多车测试。经过这些系统的测试,才能确保新旧车辆、新旧信号系统安全可靠地联合运行。
3) 信号系统更新
由于在联锁机和ＡＴＰ系统安装了接口设备,故可将现有的联锁机更新。新的联锁机设备是数据驱动的,这使得更新过程中涉及到的只是输入输出数据的改变和相应的测试。当旧的列车都被更换掉后,将旧的联锁机、代码选择电路和ＡＴＰ、ＡＴＯ系统停止工作。其他设备的更新如轨道电路、报文头等也同时展开。
4) 控制中心升级
控制中心的安装可与信号系统的安装相互独立。本地计算机(ＬｏｃａｌＳｉｔｅＣｏｍｐｕｔｅｒｓ)和接口设备以及无线电通信设备一起安装,并通过接口设备与已有信号系统交互。在经过必要的出厂测试后,控制中心可以在受控模式下运行,此时控制输出被屏蔽。一旦系统运行稳定后,控制中心开始对设备进行控制,这时新旧系统运行在一个可相互切换的状态。一旦相关的控制设备更换完成,新的信号系统完全控制联锁系统,这时旧控制中心可以被拆除了。
从以上的应用实例中可以归纳出如下信号系统升级中的几个关键技术。
·覆盖方式:在进行新旧系统的更新时,必然会以一定的方式用新设备将旧设备覆盖,但又要保证过渡时期设备运行的平稳性。ＣＢＴＣ实现灵活高精度的列车控制,提高了系统的集成度,简化了系统的结构,本身能为互联互通提供技术基础,可以叠加在已有信号系统上,便于已有系统的改造。使用无线通信技术很大程度上提高了这种方法的可行性。只要符合频率和通信协议的要求,任何一个厂商的无线电系统都可以被采用,这增加了系统的灵活性。
·模块化:在升级项目中不可避免地将工作分阶段进行,因此信号及车辆控制设备的模块化相当关键。通过使用接口设备使新设备运行时对已有设备的干扰最小,这样也减少了测试所需的时间。
·系统安全保障:从技术特点来讲,ＣＢＴＣ提供的是基于软件和信息安全的控制,使得系统调度安全控制向自动化、智能化、信息化的方向发展。系统安全在设备设计、生产、安装、测试和运行的每个阶段都必须予以统一考虑。在工程的每个阶段,都需要用户及监管部门的授权以降低风险,这也是工程顺利进行的必要保障。
希望通过本文的介绍,加深对信号系统升级中涉及的控制技术、工程技术等问题的认识,推动ＣＢＴＣ技术及相关信号系统国产化的进程。
　　参考文献
[1]　诸蓉萍,吴汶麒.移动闭塞技术及其应用[Ｊ].城市轨道交通研究,2004(2):81.
　张超,董德存.基于无线通信的列车控制系统[Ｊ].城市轨道交通研究,2005(3):75.
　段綦,孙章,徐金祥.基于无线通信的列车控制技术与互联互通[Ｊ].城市轨道交通研究,2004(1):10.