趙家煒

(廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部,510380,廣州∥工程師)

列車運(yùn)行間隔的控制是信號(hào)系統(tǒng)列車控制的核心。目前,行車閉塞方式可分為固定閉塞、準(zhǔn)移動(dòng)閉塞和移動(dòng)閉塞。移動(dòng)閉塞與固定閉塞的區(qū)別在于:

(1)閉塞分區(qū)的劃分不同。移動(dòng)閉塞沒有劃分固定的閉塞分區(qū),列車間隔是動(dòng)態(tài)的并隨著前一列車的移動(dòng)而移動(dòng)。固定閉塞則將線路劃分為固定位置及某一長(zhǎng)度的閉塞分區(qū),一個(gè)分區(qū)只能被一列車占用。

(2)列車間隔的不同。移動(dòng)閉塞的列車間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下所需的制動(dòng)距離加上安全余量計(jì)算和控制的,可確保列車安全分隔。固定閉塞的列車間隔為若干閉塞分區(qū),與列車在分區(qū)內(nèi)的實(shí)際位置無關(guān)。

(3)制動(dòng)不同。移動(dòng)閉塞制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的,軌旁設(shè)備的數(shù)量與列車運(yùn)行間隔關(guān)系不大。固定閉塞制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)總是某一分區(qū)的邊界。

(4)傳輸信息量大小不同。移動(dòng)閉塞采用先進(jìn)的通信,確保車-地雙向傳輸,傳輸量大。固定閉塞采用模擬軌道電路傳輸,信息量少 。

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的首要設(shè)計(jì)原則是確保行車安全和提高通過能力。通過提高列車定位分辨率和移動(dòng)授權(quán)更新率可提高線路容量,并縮短列車運(yùn)行間隔。如何更精確地實(shí)現(xiàn)列車定位,就成為一個(gè)移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 阿爾卡特S40信號(hào)系統(tǒng)的組成及功能

圖1為阿爾卡特S40信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)基于移動(dòng)閉塞原理,通過3層控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的責(zé)任分工,保證系統(tǒng)安全、可靠、有效運(yùn)行。各層功能概述如下:

管理層——系統(tǒng)管理中心(SMC),提供列車自動(dòng)監(jiān)督(ATS)功能。

操作層——列車控制中心(VCC),提供列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)、列車自動(dòng)駕駛(ATO)和聯(lián)鎖功能,VCC與車載控制系統(tǒng)(VOBC)實(shí)現(xiàn)完整的ATP及ATO功能。

執(zhí)行層——由車載控制器(VOBC)、感應(yīng)環(huán)線、車站控制器(STC)等組成。每輛列車的VOBC負(fù)責(zé)在VCC的限制下自動(dòng)安全駕駛列車。列車與軌旁設(shè)備間的通信采用感應(yīng)環(huán)線傳輸系統(tǒng)。STC根據(jù)VCC的命令(由VCC計(jì)算并保證聯(lián)鎖條件的滿足),通過安全繼電器來轉(zhuǎn)動(dòng)道岔。道岔狀態(tài)、軌旁設(shè)備狀態(tài)(包括緊急制動(dòng)設(shè)備、屏蔽門、信號(hào)機(jī)等)由STC回送給VCC?？筛鶕?jù)實(shí)際線路長(zhǎng)短的不同設(shè)置多個(gè)VCC。

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能:

·防止列車敵對(duì)移動(dòng)造成的沖突;

·防止道岔錯(cuò)誤轉(zhuǎn)動(dòng)或錯(cuò)誤設(shè)置而造成的沖突;

·防止因車門意外打開、列車倒溜等造成的乘客傷害;

·防止因列車超過線路允許限速或指令速度而造成對(duì)線路的損害;

·通過車-地雙向通信系統(tǒng)連續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)列車在整個(gè)系統(tǒng)中的位置;

·列車間以所需的安全距離(SD)安全地分隔;

·安全停車距離根據(jù)線路限速、車輛和列車自動(dòng)控制(ATC)特性進(jìn)行計(jì)算;

·按照安全行車和線路限速的要求對(duì)列車進(jìn)行限速;

·監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的列車運(yùn)行方向;

·監(jiān)測(cè)列車無人駕駛運(yùn)行;

·監(jiān)測(cè)列車倒溜;

·車輪空轉(zhuǎn)或滑動(dòng)補(bǔ)償;

·檢測(cè)列車運(yùn)行方向中的障礙物;

·提供車門及屏蔽門控制的安全聯(lián)鎖;

·對(duì)中央和站臺(tái)緊急停車按鈕的監(jiān)督管理;

·提供對(duì)各種列車運(yùn)營(yíng)模式以及對(duì)各個(gè)模式間的切換的安全監(jiān)督;

·檢測(cè)列車完整性和列車控制線監(jiān)測(cè);

·在ATP功能施加的限制范圍內(nèi)調(diào)整列車運(yùn)行時(shí)間和(或)列車速度,并在乘客乘坐舒適度標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)控制、調(diào)整列車行駛;

·無人折返運(yùn)行;

·車站精確停車,包括門的開關(guān)。

圖1 阿爾卡特S40信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)

感應(yīng)環(huán)線電纜是一個(gè)帶有絕緣和非屏蔽外殼的標(biāo)準(zhǔn)銅線。對(duì)于感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng),該電纜既是發(fā)射天線又是接收天線。該電纜在鋼軌間按照大約間隔25 m有一個(gè)交叉點(diǎn)的方式鋪設(shè)。VCC在邏輯上將環(huán)線劃分為不同的環(huán)線區(qū)段。每個(gè)環(huán)線受各自環(huán)線通道的驅(qū)動(dòng),通過相應(yīng)的軌旁RLB(遠(yuǎn)端環(huán)線盒)作為分割點(diǎn)。這樣,感應(yīng)環(huán)線就以“環(huán)線→環(huán)線區(qū)段→環(huán)線交叉”的方式被分割開。每一個(gè)感應(yīng)環(huán)線區(qū)段對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)線ID識(shí)別號(hào)(LID)。

3 列車定位方式分析

列車定位系統(tǒng)分為車載定位設(shè)備和地面輔助定位設(shè)備兩部分。車載定位設(shè)備主要包括:安裝于車軸上的測(cè)速電機(jī),車載ATP計(jì)算機(jī),車地通信設(shè)備等。地面輔助定位設(shè)備包括:安裝于地面的交叉感應(yīng)環(huán)線或應(yīng)答器。系統(tǒng)通過車載定位設(shè)備和地面輔助定位設(shè)備,并結(jié)合車載線路數(shù)據(jù)庫來建立列車位置信息。

列車上的VOBC通過狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(SMS)決定列車位置。SMS由粗略定位和精準(zhǔn)定位測(cè)量系統(tǒng)組成。

3.1 粗略定位

粗略位置測(cè)量通過計(jì)算一個(gè)環(huán)線中的交叉點(diǎn)數(shù)目來完成。每隔25 m標(biāo)定一處環(huán)線交叉。

粗略定位基于在感應(yīng)環(huán)線電纜上傳送的信息——環(huán)線識(shí)別號(hào)(LID)和感應(yīng)環(huán)線電纜(交叉)物理坐標(biāo)的改變。LID將車輛位置分配給一個(gè)物理環(huán)線。ATC系統(tǒng)在邏輯上將環(huán)線劃分為幾個(gè)獨(dú)立的感應(yīng)環(huán)線,每個(gè)環(huán)線接受各自環(huán)線通道的驅(qū)動(dòng)。VCC在環(huán)線通道上傳送命令報(bào)文給指定的VOBC;如果車輛識(shí)別號(hào)匹配,“登載”VOBC發(fā)出響應(yīng)報(bào)文,確認(rèn)VOBC位于由環(huán)線通道驅(qū)動(dòng)的環(huán)線區(qū)的某個(gè)位置。

VOBC通過使用2個(gè)相同的用于接收VCC命令報(bào)文的天線來進(jìn)行交叉檢測(cè)。2個(gè)天線均接收來自環(huán)線電纜的36 k Hz數(shù)字頻率調(diào)制(FSK)信號(hào);同時(shí)將VOBC處理好的數(shù)據(jù)信息以 56 k Hz FSK信號(hào),通過環(huán)線電纜傳輸至VCC。車-地通信為實(shí)時(shí)的全雙工通信。2個(gè)接收天線接收信號(hào)之間的相位關(guān)系在環(huán)線交叉間保持平穩(wěn)。然而,由于系統(tǒng)在2個(gè)天線之間設(shè)有偏移距離,故只有當(dāng)2個(gè)天線再次處于交叉環(huán)線的同一側(cè)時(shí),它們的相位關(guān)系才會(huì)變成一致。相位的變化使交叉檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。

知道了從環(huán)線始端開始的交叉?zhèn)€數(shù)及交叉點(diǎn)的間隔(25 m),就能知道車輛的位置。當(dāng)列車進(jìn)入一個(gè)新的環(huán)線區(qū)(根據(jù)接收命令報(bào)文中的LID識(shí)別)時(shí),此數(shù)值被重置。

3.2 精準(zhǔn)定位

使用測(cè)速發(fā)電機(jī)生成的信息能準(zhǔn)確地確定交叉環(huán)線之間的車輛位置。TWR(定位計(jì)算機(jī))中的精準(zhǔn)定位測(cè)量系統(tǒng)使用從測(cè)速發(fā)電機(jī)處獲得的行車方向和距離,從而對(duì)車輛位置編號(hào)進(jìn)行計(jì)算。

系統(tǒng)設(shè)置車輛定位編號(hào)(VHPN),按環(huán)線交叉間距的1/4(即6.25 m)來計(jì)算。VHPN單元中有來自于VCC的目標(biāo)點(diǎn)信息和來自于VOBC的車輛位置信息。這些信息從環(huán)線邊界始端開始計(jì)算。

根據(jù)行車方向,VOBC增加或減少VHPN計(jì)數(shù)。任何環(huán)線的最大VHPN為512。VOBC從0開始往上計(jì)數(shù)或從511開始往下計(jì)數(shù)。命令報(bào)文規(guī)定了VHPN的計(jì)數(shù)方向和(缺省的)初始VHPN。進(jìn)入環(huán)線命令報(bào)文也規(guī)定了VHPN計(jì)數(shù)方向。

位置的確定主要基于與車輛所處環(huán)線的始端相關(guān)的車輛位置。來自于VCC的VOBC目標(biāo)點(diǎn)信息也與環(huán)線始端相關(guān)。如果目標(biāo)點(diǎn)在下一個(gè)環(huán)線內(nèi),VOBC將減去在前一個(gè)環(huán)線內(nèi)行駛過的距離,并決定在新環(huán)線中的目標(biāo)點(diǎn)。新環(huán)線中的命令報(bào)文包括經(jīng)VOBC計(jì)算的相同目標(biāo)點(diǎn)。

通過以上兩種定位后,可將列車定位精確到6.25 m,有效地提高了列車分辨率。列車定位示意圖如圖2示。

根據(jù)線路實(shí)際情況,環(huán)線鋪設(shè)長(zhǎng)度有所變化,最長(zhǎng)可達(dá)3.2 km。道岔區(qū)域同樣鋪設(shè)環(huán)線,不設(shè)置軌道電路,不設(shè)置絕緣節(jié)。圖2所示的測(cè)速儀脈沖由車載測(cè)速儀的性能參數(shù)所決定?，F(xiàn)場(chǎng)采用HASLER測(cè)速儀。列車在車站停車時(shí),利用軌旁接近傳感器(列車在站臺(tái)定位的硬件設(shè)備)使得停車精度達(dá)到±0.2 m。

圖2 列車定位示意圖

4 移動(dòng)閉塞技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)通過列車與地面間連續(xù)的雙向通信,實(shí)時(shí)提供列車的位置及速度等信息,動(dòng)態(tài)地控制列車運(yùn)行。移動(dòng)閉塞制式下,后續(xù)列車的最大制動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)較準(zhǔn)移動(dòng)閉塞和固定閉塞更靠近先行列車,因此可縮小列車運(yùn)行間隔,使運(yùn)營(yíng)公司有條件實(shí)現(xiàn)小編組、高密度,從而使系統(tǒng)在滿足同等客運(yùn)需求條件下減少旅客候車時(shí)間,縮小站臺(tái)長(zhǎng)度和空間,降低基建投資。此外,由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),核心部分均通過軟件實(shí)現(xiàn),因此使系統(tǒng)硬件數(shù)量大大減少,可節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的安全型計(jì)算機(jī)(如VCC)一般采取“三取二”或“二取二”的冗余配置;系統(tǒng)通過故障安全原則對(duì)軟、硬件及系統(tǒng)進(jìn)行量化和認(rèn)證,保證了系統(tǒng)的可靠性、安全性和可用度。

在廣州地鐵3號(hào)線采用的阿爾卡特S40信號(hào)系統(tǒng),超高峰行車間隔最小達(dá)到2 min 52 s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用固定閉塞的廣州地鐵1號(hào)線,充分體現(xiàn)出移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

[1]丁正庭.區(qū)間信號(hào)自動(dòng)控制[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1994.

[2]董昱,劉小娟,黨建武.安全列車間隔控制系統(tǒng)[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2002.