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铁路与轨道交通 |
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城市轨道交通移动闭塞ATC系统浅析 |
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摘要：移动闭塞是城市轨道交通信号系统的发展方向。本文讨论了基于通信的移动闭塞信号系统的原理、典型结构和实现方式。在此基础上，对我国大城市轨道交通信号系统的选择进行了探讨，指出了轨道交通直线电机运载系统采用移动闭塞技术的必要性和可行性。
关键字：轨道交通 通信 移动闭塞 ATC
1、前言
移动闭塞是一种区间不分割，根据连续检测先行列车位置和速度，进行列车间隔控制，确保后续列车不会与先行列车发生冲突，能够安全停车的列车安全系统。移动闭塞的想法产生于60年代，由于当时技术条件的限制，难以变成现实。到了80年代，计算机技术和通信技术的飞速发展，为移动闭塞系统的实现创造了条件。近年来，各国相继投入力量研制基于通信的列车控制系统CBTC，具有代表性的主要有法国国铁的ASTREE,日本铁道综合技术研究所的CARAT系统、欧洲铁道联盟研究所的ETCS系统和美国加拿大铁路协会的ATCS系统等。这些系统的共同点是列车和地面间有各种类型的双向通信手段，可以在确保列车运行安全的前提下，最大限度地缩短列车运行间隔，提高线路通过能力。
2、移动闭塞原理及系统结构
2.1、移动闭塞原理
移动闭塞是相对于固定闭塞而言的。固定闭塞是在区间设置固定的闭塞分区和相应的防护信号，而移动闭塞虽然也有防护列车运行安全的闭塞分区，但其闭塞区间是移动的，是随着后续列车和前方列车的实际行车速度、位置、载重量、制动能力、区间的坡度、弯道等列车参数和线路参数的变化而改变，随着列车运行而移动。根据是否考虑先行列车的速度，移动闭塞的构成分为两种：一是考虑先行列车速度的移动闭塞系统(MB-V方式)；二是不考虑先行列车速度的移动闭塞系统(MB-V0方式)。
图1 移动闭塞条件下列车追踪控制原理
2.2、移动闭塞的系统结构
移动闭塞系统的具体结构有多种，但从基本组成上来说，移动闭塞ATC系统通常分为三个层次：管理层、操作层和执行层，其典型结构如下图2所示。系统管理中心SMC位于管理层，其任务是统一指挥整个全段内列车运行。SMC通过先进的计算机和网络技术监督着整条线路的自动操作，实现ATS的功能及其它中央调度功能。车辆控制中心VCC位于操作层，它根据SMC的命令，按移动闭塞原理对列车运行间隔进行控制，并和车站联锁设备相联系，为列车进出站安排接发车进路。VCC和SMC之间通过现代通信传输系统(如SDH, OTN等)进行大数据量的双向传输。车载控制器VOBC位于执行层，它通过和VCC之间不间断的通讯来实现ATP/ATO功能，控制列车安全高速运行。通讯方法可采用有线通信(如交叉感应电缆)或无线的方式(如扩频通信) 具备冗余校验的车载计算机使列车控制在VCC限定的速度和距离之内，并以数据报文形式向VCC传回有关车辆位置、速度、运行方向以及子系统情况。每列车都配置了冗余的车载控制系统，一旦某一个出了问题，另一个会自动启动。
图2 移动闭塞系统的三层结构
3、移动闭塞的实现方式
按照列车定位和信息传输方式的不同，实现移动闭塞的CBTC系统主要有以下几种:
（1）利用交叉感应电缆的实现方式；
（2）基于泄漏同轴电缆的实现方式；
（3）利用全球定位系统(GPS )；
（4）惯性定位系统(IPS )；
（5）车载多普勒雷达定位系统；
（6）无线扩频通信定位。
4、我国轨道交通信号系统的方案探讨
4.1、轨道交通直线电机运载系统简介
城市轨道交通直线电机运载系统的机理是固定在车辆转向架上的初级线圈(定子)通过交流电流，产生移动磁场(行波磁场)，通过相互作用，使固定在整体道床上的次级感应板(展开的转子)产生磁场，通过磁力，实现车辆的运行和控制。我国早在上世纪80年代已开始研究直线电机驱动的运载系统，但一直处于可行性研究和系统选择阶段，直至上世纪90年代，随着磁悬浮铁路系统试验线及试验车的研制，直线电机及其控制系统设备的研制才进入实质性发展阶段。
4.2、信号系统的设计原则及轨道交通的具体要求
信号系统的选择必须遵循以下几个基本原则:
1、信号系统必须满足安全、成熟、技术先进的基本原则；
2、信号系统必须满足实际的运营要求，符合相应的功能和技术标准，并充分考虑到未来发展的需要；
3、信号系统应具有较高的安全性和可靠性，凡涉及行车安全的设备必须满足故障-安全原则；
4、信号系统及设备选型，应根据具体的运营要求，进行综合性能价格比分析。方案应能满足功能要求，经济合理。
为了实现行车自动化，减少运营成本，与直线感应电机车辆相结合的行车控制系统需要实现列车运行自动化与列车指挥自动化，这就需要采用列车自动控制系统ATC。目前，我国己建和在建轨道交通的ATC系统主要采用的是基于数字轨道电路的准移动闭塞和有人值守的自动驾驶系统， 高峰期列车运行间隔为120s。为了实现系统小型化，降低工程造价及运营费用，实现高效、节能、低成本运营，筹建中的轨道交通准备采用小编组、高密度的运营模式，提出了90s的列车运行间隔要求。这就为当今前沿的城轨交通信号技术在我国的应用提出了现实要求。
4.3、采用移动闭塞是实现系统通过能力的必然要求
城市轨道交通的通过能力是指在采用一定的车辆类型、信号设备和行车组织方法条件下，轨道交通线路的各项固定设备在单位时间内(高峰小时)所能通过的列车数。轨道交通的通过能力主要按照线路、列车折返设备、车辆段设备、牵引供电设备等固定设备进行计算。根据各项固定设备计算出来的通过能力，一般是各不相同的，其中通过能力最小的设备限制了整个线路的通过能力，因此，该项设备的通过能力即为线路的最终通过能力。
实践表明，对轨道交通系统来说，线路运能的主要损失发生在列车停站和终点车站的折返作业上。由于采用线性电机的车辆能为高密度运营需要的优良的加减速性能提供保证，结合移动闭塞技术，可以很容易的实现“小编组、高密度”的运营模式。一方面，通过减小列车编组、提高行车密度，使车站上下车人数得到分散，从而可以减小列车停站时间；另一方面，移动闭塞技术的精确控制和灵活运行的特性也有利于提高折返效率，从而可以从总体上减少线路运能的损失，达到每小时40对列车的系统通过能力。总之，从满足系统运营要求及系统的先进性考虑，轨道交通信号系统应采用移动闭塞技术。
4.4、采用移动闭塞信号系统的可行性及相关问题
移动闭塞系统采用先进的通信、计算机技术对列车连续控制，是经过实际检验的安全系统。移动闭塞技术已经在北美、欧洲、亚洲许多国家的轨道交通建设中得到应用。最早使用移动闭塞技术的温哥华无人驾驶轻轨系统至今已安全运行近20年，这充分验证了移动闭塞的安全性以及技术的成熟度。在中国，香港西线铁路工程于1998年采纳了伦敦铁路工程师协会的建议，使用先进的移动闭塞技术代替原来的固定闭塞设计方案，不仅使香港西线铁路实现了更短更好的运营目标-达到每小时每方向10万人次的运量，高峰期运行间隔90s，而且使工程总成本由原来的超过644亿美元降至517亿美元，节省造价约20%.可见，根据实际运营要求和当前信号技术的发展水平，轨道交通采用移动闭塞技术是必要且可行的。
轨道交通采用移动闭塞的优点如下:
1) 能轻松达到90S的行车间隔要求，且当需求增长而需要调整运营间隔时，无需改变或增加硬件；
2) 可取消区间的信号机、轨道电路等地面设备，降低系统的安装维护费用；利用其精确的控制能力，可以有效地通过在折返区域调整速度曲线来减少在尽端折返线的过走防护距离，从而减少折返站的土建费用；
3) 车上-地面可靠传输的信息量大，便于实现全程无人自动驾驶。全程无人自动驾驶方式是列车上没有任何驾驶员或工作人员的全自动方式。站停，发车、运行、折返、入库等过程由操作控制中心直接管理。主控中心可以更精确地控制列车按运行图运行，减少了列车在区间不必要地加速、制动，可节省能源，增加旅客舒适度；同时这种方式具备非常高的灵活性，对突然增长的能力需求和不可预见的事件具备敏捷的反应能力；
4) 易于实现列车双向运行。当轨道交通系统因线路、车辆等故障造成运行中断时，可通过组织临时反向载客运行来保持轨道交通系统不间断运作。
从目前的技术成熟度来看，对于轨道交通来说，选用基于交叉感应电缆或泄漏同轴电缆的方案是比较合适的，相关的系统已在国外有多年成功的应用经验。例如，新加坡轨道交通东北线设计能力单向达到75,000人次/小时，采用了ALSTOM 公司的基于泄漏波导的移动闭塞信号系统，实现了最小列车运行间隔90S的营运目标。ALCATEL公司基于感应环线或泄漏同轴电缆的SelTrac移动闭塞系统己在伦敦道克兰轻轨、吉隆坡LRT2、旧金山MUNI等城轨交通得到多年应用，被证明是安全、高效、灵活的列车控制系统。移动闭塞系统的列控方式均采用速度-距离模式，对轨道交通来说，在运营初期可采用相对位置方式(MB-V0方式)，在远期运营要求提高后，可采用相对速度方式(MB-V方式)， 以进一步缩短行车间隔。在具体选择移动闭塞系统时，还必须考虑该系统的故障恢复能力和可靠性，并注意解决方案中是否有进行断轨检测和列车完整性检测的方法。此外，由于采用直线电机的系统一般将次级感应板铺设于轨道中间的地面上，因此联锁车站的配线不能采用交叉渡线，这会对联锁车站的道岔布置和折返车站的折返线布置产生一定影响，这也是需要考虑的问题。
5、小结
本文简要介绍了移动闭塞的原理，讨论了其典型结构和实现方式。对基于通信的移动闭塞来说，其常见的实现方式有基于交叉感应电缆或泄漏同轴电缆的实现方式，有利用全球定位系统GPS、惯性定位系统IPS、车载多普勒雷达定位系统及无线扩频定位的实现方式等。作为应用，本文分析讨论了城市轨道交通采用移动闭塞技术的必要性和可行性，指出移动闭塞技术是实现“小编组、高密度”运营模式的最佳选择，对于提高系统通过能力、减少运营维护成本、节能降耗等具有现实意义。
参考文献
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[2] 吴汉麒.城市轨道交通信号与通信系统.北京: 中国铁道出版社.1999:93-126
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[4] 贺均.浅论移动闭塞的结构与功能一移动闭塞与轨道交通建设.地铁与轻轨.2001(4):28-32
[5] 黄钟、陈其昌.上海地铁二号线ATC系统的技术比选及对国产化的认识.地铁与轻轨.1997 (4):43-45(end)
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(12/4/2006) |
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