無線通訊——開創軌道交通控制系統的新時代

畢危危

(西門子(中國)有限公司交通集團鐵路自動化部門,100102,北京∥工程師)

隨著我國城市軌道交通的快速發展,軌道交通已成為民眾出行的首選交通方式,客流逐年高速增長。在部分大城市,客流的增速已經大幅超過了線路運能的增速。城市軌道交通的運營壓力日益增加,列車的運行間隔不斷縮短,列車的行駛速度也在不斷提高,目前有些列車的設計時速已超過100 km。在小間隔、高速度的環境下,如何確保運營安全,提高運營效率,既對城市軌道交通的日常運營管理工作提出了更高的要求,同時對軌道交通車輛、信號系統、通信系統等軌道交通設備都提出了極高的要求。從最初的固定閉塞到準移動閉塞,再到現在最先進的基于通信的列車控制(CBTC)移動閉塞系統的應用,信號系統的持續改進是在小間隔、高速度的環境下保障列車安全行駛的關鍵技術。

圖1 西門子“TrainGuard M T”系統的結構

西門子先進的CBTC解決方案是其“全面交通解決方案”理念的完整體現,已被成功應用到我國多個城市軌道交通系統中。針對我國城市軌道交通CBTC系統多樣化的特點,西門子又推出了先進的模塊化產品——“TrainGuard MT”自動列車控制系統。

1 “TrainGuard MT”系統結構

“TrainGuard MT”系統主要由列車自動監督系統(ATS)、計算機聯鎖系統(IXL)、軌道空閑檢測系統(TVD)、列車自動控制系統(自動防護ATP及自動駕駛ATO)和雙向通信系統(W-LAN)5個子系統組成。“T rainGuard MT”系統的結構如圖1所示。

“T rainGuard MT”系統的5個子系統被劃分為4個層級,以便分層級實現系統指定的功能。

第一層級,ATS系統的集中控制層,包括中心控制和車站控制兩級。VICOS OC 501實現線路集中控制功能及其備用功能;VICOS OC 101則為車站控制和后備模式的功能提供操作員工作站和列車進路計算機(T RC)。

第二層級,沿著線路分布的軌旁層。包括聯鎖系統(IXL)、AT P軌旁系統、軌道空閑檢測系統(TVD)及信號機、應答器部件等,執行聯鎖和ATP軌旁功能。聯鎖系統(IXL)采用了技術成熟、應用廣泛的電子聯鎖技術Sicas(西門子計算機輔助信號)。Sicas聯鎖基于聯鎖表原理,能夠靈活調整,適應相關鐵路運營商的運行規則和不同的用戶需求。

第三層級,通信層。包括局域網絡、無線 WLAN通信系統以及應答器等地—車通信設備。

第四層級,連續式或點式通信級別時,“T rainGuard MT”系統的車載ATP和ATO控制功能。

2 “TrainGuard MT”系統特點

與以往的固定閉塞和準移動閉塞相比,西門子“T rainguard MT”系統屬于移動閉塞控制系統,通過配備在列車上以及軌道旁的無線設備,實現車-地間不中斷的雙向通信,控制系統可以根據列車實時的速度和位置,動態計算和調整列車的最大制動距離,兩個相鄰列車能以很小的間隔同時前進,從而極大地提高運營效率。

“T rainguard MT”系統在保證安全的前提下提供了大量的自動化功能,例如ATO和無人折返功能,不僅使司機從繁重的例行工作中解放了出來,還保證了列車在站臺屏蔽門前的精確制動,能夠極大地縮短列車的運行時間和行車間隔。除此之外,“T rainguard MT”系統還具有以下顯著特點。

2.1 支持混合運營模式

“T rainguard MT”系統是西門子在原CBTC系統基礎上進行創新、完善的成果。一方面,原CBTC各個子系統都相對獨立、完整地保留在“T rainguard MT”系統中;另一方面,各個子系統相互接口,逐層逐級擴充系統功能。這種設計理念使得“Trainguard MT”系統能夠區別對待其管轄范圍內的非裝備列車、點式控制列車和連續式控制列車,為列車提供不同的安全防護策略,從而允許不同控制級別的列車在同一信號系統的控制下安全運行。對于非裝備列車,聯鎖系統提供進路保護;對于點式控制列車,聯鎖系統通過應答器為車載ATP提供安全移動授權;對于連續式控制列車,則由軌旁ATP設備通過無線系統向車載ATP提供安全移動授權。采用“TrainGuard MT”系統,將點式列車控制和連續式列車控制融合在一個系統中,讓客戶在特定情況下擁有多種運營策略和建設策略的選擇。

2.2 列車控制級別和信號機的自動切換

“T rainguard MT”系統中,列車在進入線路、具備升級條件后,可以自動從聯鎖級升級到點式控制級,最后到連續式控制級,無須人工介入。對于連續式控制列車,信號燈處于滅燈狀態,司機依據車載提示駕駛;對于點式控制列車或非裝備列車,信號燈點燈,司機必須遵守實際信號。信號燈的點燈或滅燈控制,完全由信號系統依據信號燈前的列車控制級別自動選擇。列車控制級別和信號機的自動切換設計,極大地簡化了復雜情況下運營人員的操作強度。

2.3 車載設備的前后冗余功能

“Trainguard MT”系統大量采用冗余設計,提高了系統可靠性。其中,車載設備的前后冗余功能是難點。當一端車載無線設備、ATP設備、ATO設備、ITF設備發生故障時,另一端的車載設備會接管列車,在乘客毫無察覺的情況下繼續保持列車的平穩運行。

2.4 W-LAN和無線加密技術

基于成本、可維護性、可用性和通信穩定性等方面的考量,“Trainguard MT”系統采用了基于無線AP(訪問節點)的W-LAN作為車地通信通道。WLAN無線通道提供了一個強大的數據傳輸通道,其功能可以在整體系統中進行擴展。

W-LAN數據通信基于IPSec標準,專用加密模塊在應用層為數據提供256位加密、專用數據通道格式和密鑰協商,防止對數據的訪問和篡改;在AP數據鏈路層采用防火墻機制,攔截非法的數據報文。從而,使無線系統在滿足CTC(連續式列車控制)系統對數據通信高實時性的要求的同時,最大限度地減少了黑客侵入的風險。

綜上所述,基于W-LAN的“Trainguard MT”自動列車控制系統為我國城市軌道交通的發展提供了一種新的選擇和方向。北京地鐵10號線(含奧運支線)采用了西門子的“Trainguard MT”系統,于2008年7月19日開始以移動閉塞的全功能投入載客運營,至今已經平穩運營一年多的時間。同樣采用了西門子“Trainguard MT”系統的廣州地鐵4號線于2009年3月、5號線于2009年12月以移動閉塞的全功能投入載客運營。經過實踐檢驗的“Trainguard MT”系統還將會應用到南京、廣佛、重慶、蘇州等城市的軌道交通系統中。西門子的“Trainguard MT”系統正在開創無線移動閉塞系統的新時代。