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移動閉塞的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能
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摘要：闡述了移動閉塞技術(shù)的原理。介紹了典型的基于無線通信的移動閉塞系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分析了移動閉塞相對于傳統(tǒng)閉塞方式的優(yōu)勢。指出基于通信的列車控制將是未來列車控制技術(shù)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞 移動閉塞, 數(shù)據(jù)通信, 車載控制器, 區(qū)域控制器 基于通信的移動閉塞(MB) 技術(shù),是全球鐵路及軌道交通信號界公認(rèn)的最先進(jìn)的信號產(chǎn)品。以Sel2 Trac 為代表,該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用將近20 年,并且給運營商們帶來了良好的經(jīng)濟和社會效益。本文將從闡述移動閉塞技術(shù)的原理入手,分析其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢,供國內(nèi)同仁參照。
1 移動閉塞技術(shù)的原理
1.1 鐵信號和列車自動保護(hù)系統(tǒng)
在輪軌交通中, 為保證列車運行安全, 須保證列車間以一定的安全間隔運行。早期, 人們通常將線路劃分為若干閉塞分區(qū), 以不同的信號表示該分區(qū)或前方分區(qū)是否被列車占用等狀態(tài), 列車則根據(jù)信號顯示運行。不論采取何種信號顯示制式, 列車間都必須有一定數(shù)量的空閑分區(qū)作為列車安全間隔。
地鐵的信號原理也基于此。但由于地鐵的特殊條件,對安全的要求更加嚴(yán)格,因此必須配備列車自動保護(hù)(A TP) 系統(tǒng)。A TP 通過列車間的安全間隔、超速防護(hù)及車門控制來保證列車運行的安全暢通。在固定劃分的閉塞分區(qū)中,每一個分區(qū)均有最大速度限制。若列車進(jìn)入了某限速為零或被占用的分區(qū),或者列車當(dāng)前速度高于該分區(qū)限速,A TP 系統(tǒng)便會實施緊急制動。A TP 地面設(shè)備以一定間隔或連續(xù)地向列車傳遞速度控制信息。該信息至少包含兩部分:分區(qū)最高限速和目標(biāo)速度(下一分區(qū)的限速) 。列車根據(jù)接收到的信息和車載信息等進(jìn)行計算并合理動作。速度控制代碼可通過軌道電路、軌間應(yīng)答器、感應(yīng)環(huán)線或無線通信等傳輸,不同的傳遞方式和介質(zhì)也決定了不同列車控制系統(tǒng)的特點。為了保證安全,地鐵A TP 在兩列車之間還增加了一個防護(hù)區(qū)段,即雙紅燈區(qū)段防護(hù)(見圖1) 。后續(xù)列車必須停在第二個紅燈的外方,保證兩列車之間至少間隔一個閉塞分區(qū)。
1.2 移動閉塞-基于通信的列車控制系統(tǒng)
傳統(tǒng)的固定閉塞制式下,系統(tǒng)無法知道列車在分區(qū)內(nèi)的具體位置,因此列車制動的起點和終點總在某一分區(qū)的邊界。為充分保證安全,必須在兩列車間增加一個防護(hù)區(qū)段,這使得列車間的安全間隔較大,影響了線路的使用效率。
準(zhǔn)移動閉塞在控制列車的安全間隔上比固定閉塞進(jìn)了一步。它通過采用報文式軌道電路輔之環(huán)線或應(yīng)答器來判斷分區(qū)占用并傳輸信息,信息量大;可以告知后續(xù)列車?yán)^續(xù)前行的距離,后續(xù)列車可根據(jù)這一距離合理地采取減速或制動,列車制動的起點可延伸至保證其安全制動的地點,從而可改善列車速度控制,縮小列車安全間隔,提高線路利用效率。但準(zhǔn)移動閉塞中后續(xù)列車的最大目標(biāo)制動點仍必須在先行列車占用分區(qū)的外方,因此它并沒有完全突破軌道電路的限制。
移動閉塞技術(shù)則在對列車的安全間隔控制上更進(jìn)了一步。通過車載設(shè)備和軌旁設(shè)備不間斷的雙向通信,控制中心可以根據(jù)列車實時的速度和位置動態(tài)計算列車的最大制動距離。列車的長度加上這一最大制動距離并在列車后方加上一定的防護(hù)距離, 便組成了一個與列車同步移動的虛擬分區(qū)( 見圖2) 。由于保證了列車前后的安全距離,兩個相鄰的移動閉塞分區(qū)就能以很小的間隔同時前進(jìn),這使列車能以較高的速度和較小的間隔運行,從而提高運營效率。
移動閉塞的線路取消了物理層次上的分區(qū)劃分,而是將線路分成了若干個通過數(shù)據(jù)庫預(yù)先定義的線路單元,每個單元長度為幾米到十幾米之間,移動閉塞分區(qū)即由一定數(shù)量的單元組成,單元的數(shù)目可隨著列車的速度和位置而變化,分區(qū)的長度也是動態(tài)變化的。線路單元以數(shù)字地圖的矢量表示。如圖3 所示,線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示意圖由一系列的節(jié)點和邊線表示。任何軌道的分叉、匯合、走行方向的變更以及線路的盡頭等位置均由節(jié)點(Node) 表示,任何連接兩個節(jié)點的線路稱為邊線。每一條邊線有一個從起始節(jié)點至終止節(jié)點的默認(rèn)運行方向。一條邊線上的任何一點均由它與起點的距離表示,稱為偏移。因此所有線路上的位置均可由【邊線,偏移】矢量來定義,且標(biāo)識是唯一的。
移動閉塞系統(tǒng)中列車和軌旁設(shè)備必須保持連續(xù)的雙向通信。列車不間斷向軌旁控制器傳輸其標(biāo)識、位置、方向和速度,軌旁控制器根據(jù)來自列車的信息計算、確定列車的安全行車間隔,并將相關(guān)信息(如先行列車位置,移動授權(quán)等) 傳遞給列車,控制列車運行。
邊線e7 連接節(jié)點n5 和n6 , 默認(rèn)方向為從n6 到n5 方向; 節(jié)點n5 與邊線e7 、e8 和e11 相連。早期的移動閉塞系統(tǒng)是通過在軌間布置感應(yīng)環(huán)線來定位列車和實現(xiàn)車載計算機(VOBC) 與車輛控制中心(VCC) 之間的連續(xù)通信�，F(xiàn)今,大多數(shù)先進(jìn)的移動閉塞系統(tǒng)已采用無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的通信。在采用軌旁基站的無線通信系統(tǒng)中,系統(tǒng)一般考慮100 % 的無線信號冗余率進(jìn)行基站布置,以消除在某個基站故障時可能出現(xiàn)的信號盲區(qū)。
2 典型無線移動閉塞系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
目前,世界上諸多信號供應(yīng)商如阿爾卡特、阿爾斯通、西門子、龐巴迪和西屋等,均開發(fā)出了各自的移動閉塞技術(shù)并已在全球廣泛應(yīng)用。 典型的移動閉塞線路中,線路被劃分為若干個區(qū)域,每一個區(qū)域由一定數(shù)量的線路單元組成。區(qū)域的組成和劃分預(yù)先定義,每一個區(qū)域均由本地控制器和通信系統(tǒng)控制。本地控制器和區(qū)域內(nèi)的列車及聯(lián)鎖等子系統(tǒng)保持連續(xù)的雙向通信,控制本區(qū)域內(nèi)的列車運行。列車從一個控制區(qū)域進(jìn)入下一個區(qū)域的移交是通過相鄰區(qū)域控制器之間的無線通信實現(xiàn)。當(dāng)列車到達(dá)區(qū)域邊界,后方控制器將列車到達(dá)信息傳遞給前方控制器,同時命令列車調(diào)整其通話頻率;前方控制器在接收并確認(rèn)列車身份后發(fā)出公告,移交便告完成。兩個相鄰的控制區(qū)域有一定的重疊,保證了列車移交時無線通信不中斷(見圖4) 。
區(qū)域控制器(ZC) 即區(qū)域的本地計算機,與聯(lián)鎖區(qū)一一對應(yīng),通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)保持與控制區(qū)域內(nèi)所有列車的安全信息通信。ZC 根據(jù)來自列車的位置報告跟蹤列車并對區(qū)域內(nèi)列車發(fā)布移動授權(quán),實施聯(lián)鎖。區(qū)域控制器采取三取二的檢驗冗余配置。
冗余結(jié)構(gòu)的A TS 可實現(xiàn)與所有列車運行控制子系統(tǒng)的通信,用于傳輸命令及監(jiān)督子系統(tǒng)狀況。
車載控制器(VOBC) 與列車一一對應(yīng),實現(xiàn)列車自動保護(hù)(A TP) 和列車自動運行(A TO) 的功能。車載控制器也采取三取二的冗余配置。車載應(yīng)答器查詢器和天線與地面的應(yīng)答器(信標(biāo)) 進(jìn)行列車定位,測速發(fā)電機用于測速和對列車定位進(jìn)行校正。
司機顯示提供司機與車載控制器及A TS 的接口,顯示的信息包括最大允許速度、當(dāng)前測速度、到站距離、列車運行模式及系統(tǒng)出錯信息等。
數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實現(xiàn)所有列車運行控制子系統(tǒng)間的通信。系統(tǒng)采用開放的國際標(biāo)準(zhǔn):以802. 3(以太網(wǎng)) 作為列車控制子系統(tǒng)間的接口標(biāo)準(zhǔn),以802. 11 作為無線通信接口標(biāo)準(zhǔn)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)均支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議( IP : Internet Protocol) 。
3 移動閉塞技術(shù)的優(yōu)勢
移動閉塞系統(tǒng)通過列車與地面間連續(xù)的雙向通信,實時提供列車的位置及速度等信息,動態(tài)地控制列車運行。固定閉塞、準(zhǔn)移動閉塞與移動閉塞三種閉塞方式的比較見文獻(xiàn)[ 3 ] 。移動閉塞制式下后續(xù)列車的最大制動目標(biāo)點可比準(zhǔn)移動閉塞和固定閉塞更靠近先行列車,因此可以縮小列車運行間隔,使運營公司有條件實現(xiàn)“小編組,高密度”,從而使系統(tǒng)可以在滿足同等客運需求條件下減少旅客候車時間, 縮小站臺寬度和空間,降低基建投資。此外,由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,核心部分均通過軟件實現(xiàn),因此使系統(tǒng)硬件數(shù)量大大減少,可節(jié)省維護(hù)費用。
移動閉塞系統(tǒng)的安全關(guān)聯(lián)計算機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軟、硬件及系統(tǒng)進(jìn)行量化和認(rèn)證,可保證系統(tǒng)的可靠性、安全性和可用度。
無線移動閉塞的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對所有的子系統(tǒng)透明,對通信數(shù)據(jù)的安全加密和接入防護(hù)等措施可保證數(shù)據(jù)通信的安全。由于采取了開放的國際標(biāo)準(zhǔn),可實現(xiàn)子系統(tǒng)間邏輯接口的標(biāo)準(zhǔn)化,從而有可能實現(xiàn)路網(wǎng)的互聯(lián)互通。采取開放式的國際標(biāo)準(zhǔn)也使國內(nèi)廠商可從部分部件的國產(chǎn)化著手,逐步實現(xiàn)整個系統(tǒng)的國產(chǎn)化。
在對既有點式A TP 或數(shù)字軌道電路系統(tǒng)的改造中,移動閉塞系統(tǒng)能直接添加到既有系統(tǒng)之上,因此對于混合列車運行模式來說,移動閉塞技術(shù)是非常理想的選擇。
4 結(jié)語
最早使用移動閉塞技術(shù)之一的溫哥華無人駕駛輕軌系統(tǒng)至今已安全運行近20 年,充分驗證了移動閉塞的安全性以及技術(shù)的成熟性。此外,移動閉塞技術(shù)在北美、歐洲、亞洲許多國家的軌道交通建設(shè)中也得到應(yīng)用。早期的移動閉塞系統(tǒng)大部分采用基于感應(yīng)環(huán)線的技術(shù),據(jù)不完全統(tǒng)計,目前全球已有11 個城市約217 km 此類線路投入運營。而近年新建的移動閉塞項目(如漢城地鐵) 及舊系統(tǒng)改造項目(如紐約卡納西線和巴黎地鐵13 號線) 絕大多數(shù)采用基于無線通信的技術(shù)。據(jù)資料,全世界目前有近10 個城市約220 km 線路正在進(jìn)行無線CB TC 的設(shè)計或安裝。在中國,2002 年6 月和2003 年5 月,武漢輕軌一期和廣州地鐵3 號線也相繼決定采用基于環(huán)線的移動閉塞技術(shù),以實現(xiàn)列車安全、高效運行。
城市軌道交通信號技術(shù)已經(jīng)歷了傳統(tǒng)運行方式、列車自動控制(A TC) 技術(shù)、全自動無人駕駛方式(如法國的VAL 系統(tǒng)、日本的新交通系統(tǒng)等[ 2 ]) 等幾個發(fā)展階段,從間斷、間接的控制到連續(xù)、直接的列車控制, 人們逐步實現(xiàn)了更加安全、有效和經(jīng)濟(節(jié)能) 的列車控制技術(shù)。而實現(xiàn)直接列車控制的關(guān)鍵是安全可靠的車-地雙向通信及列車定位技術(shù)。
參考文獻(xiàn)
1 阿爾卡特交通自動化. Seltrac S40 無線CBTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 2003
2 孫章. 城市軌道交通世紀(jì)回眸. 科學(xué),2003(1) :6～10
3 黃鐘. 上海城市軌道交通ATC 系統(tǒng)的發(fā)展策略. 城市軌道交通研
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