西安市軌道交通2號線信號系統選擇探析

邢紅霞

(西安鐵路職業技術學院交通運輸系,710014,西安∥講師)

一個城市的軌道交通列車自動控制(ATC)系統究竟選擇何種水平等級至關重要,因為ATC系統的水平等級選擇,不僅要考慮城市軌道交通系統的運力水平發揮、旅客乘坐的準點率、安全性、舒適度等因素,還與初期的建設投資額度有很大的關系。如果只考慮減少初期投資,選擇的ATC系統等級過低,會影響整條線路的運力水平;但如果ATC系統的等級選擇過高,片面追求技術上的先進性而忽略實際的運能需求,又會造成功能的閑置,無謂增加初期大量的工程投資,也是不經濟的。所以,城市軌道交通ATC系統方案的選擇,應從綜合的角度去考慮,既要考慮長遠的規劃,又要顧及實際需要、系統設備使用壽命,以及政治、經濟環境上的因素。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程作為西安市首條建設的線路,其信號系統制式的選擇要作全面的比選,應吸取國內其他城市軌道交通建設的經驗教訓,站在西安市軌道交通規劃全網的高度來考慮,既能可持續發展,又應功能合理、經濟實用。

1 ATC系統方案比選原則

(1)系統的效率,指系統在其有效的控制能力下線路的通過能力。

(2)系統的實用化程度,指系統目前已被使用的成熟程度,它反映了系統的可實施性指標。

(3)系統的經濟性,狹義地指系統的造價。

(4)系統的先進性,指系統所采用的技術的先進程度,它在一定程度上表明了系統今后的發展能力。

(5)系統的技術特點,包括速度控制方式、閉塞方式、傳輸信息量等。

(6)系統的國產化,指引進系統實現國產化的程度,其重要指標是國產化率。

2 三種ATC系統方案對于本工程的適用性

2.1 基于固定閉塞方式的ATC系統分析

2.1.1 系統能力

該系統設計最大行車密度為36對/h,可滿足西安市城市快速軌道交通2號線近期最大行車密度18對/h的運能需求,也滿足遠期30對/h的運能要求,預儲遠期運能。其缺點是:一旦因系統故障或其它原因造成時刻表偏離時,該系統對時刻表的實時可調能力差,尤其在高峰時段列車追蹤間隔較小的情況下,基本無調整的余量;系統依靠駕駛員駕駛的熟練程度來保證列車正點運行,當列車追蹤間隔較小時,駕駛員的緊張程度會加大;乘客旅行的舒適度稍差。

2.1.2 系統的實用化程度

這種列車控制技術目前廣泛應用于國鐵,有比較成熟的運營和維護經驗,已被鐵道部確定為統一的制式在全路大面積推廣使用。在城市軌道交通領域,北京的地鐵1、2號線,八通線,城鐵13號線,以及上海地鐵1號線和大連快軌3號線等,相繼開通投入使用固定閉塞方式的 ATC,取得了良好的經濟、社會效益,并積累了一定的運營和維護經驗;其個別線路最高列車運行速度已達100 km/h,有的線路追蹤間隔已達2 min。特別是自20世紀90年代初引進法國UM71型無絕緣軌道電路設備以來,經過十幾年的不斷創新和開發,我國已擁有具有自主知識產權的此類產品,無論從其技術的先進程度還是在經濟造價上,都優于國外同類產品。但不足的是,隨著數字化信息技術的發展,此種列車控制技術將逐漸成為列控技術發展的歷史。另外,此制式的信號室外設備回流器、均流器體形較大,對安裝限界的要求較高(安裝處隧道需向外鑿洞深、寬、高分別為150 mm、1 000 mm、2 000 mm),將會增加一部分土建的工作量和難度。

2.1.3 系統的經濟性及國產化

該系統由于大量采用國內廠家研制生產的器材和設備,造價低廉,系統國產化程度高,國產化率可達95%以上,因此,工程建設初期投資為最低。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程如果采用此方案,初期投資估算約為1.7億～1.9億元。

2.1.4 系統的先進性

該系統的列車自動保護(ATP)系統和無絕緣移頻軌道電路是國外20世紀80年代的技術,等級較低。經過十幾年的成功運用,我國已形成具體自主知識產權的該系列產品。這些產品雖然在技術上得到不斷的創新,功能上也有一定的可擴展性,但不符合專業領域技術發展方向。

2.2 基于準移動閉塞方式的ATC系統分析

2.2.1 系統能力

系統設計最大行車密度為42對/h,也能滿足2號線近期最大行車密度18對/h、遠期30對/h的運能要求,預儲遠期運能較大。系統對時刻表的實時調整能力較強,駕駛員駕駛較為輕松,也可實現自動駕駛,乘客旅行的舒適度較好。

2.2.2 系統的實用化程度

該系統目前在廣州、上海、南京等地的軌道交通中已得到應用,有工程運作和運營及維護經驗,其軌旁設備(數字軌道電路、均回流設施等)的室外部件體積較小。和固定閉塞制式相比,該系統無土建配套工程的工作量,節省了土建方面的一些投資。

2.2.3 系統的經濟性及國產化

目前,我國研制的基于數字無絕緣軌道電路的準移動閉塞系統已處在上道試驗階段,但與之配套的ATO子系統還處在研發、試驗階段,仍要依靠進口。因此,其國產化率主要是通過部分國外引進、國內系統集成的辦法來實現,可達60%以上。該系統工程建設初期投資較固定閉塞制式高。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程如果采用此種方案,初期投資估算大約需要2.2億～2.4億元。在工程完工開通運營后,后期維護成本相對固定閉塞制式較高,對維護人員的綜合基礎知識、技術水平要求較高。近幾年,國內各大城市建設的軌道交通系統基本上都采用引進、消化吸收的方式來提高國產化率和本地化生產維護水平。相信隨著技術的發展和城市軌道交通領域的不斷拓展,該系統的國產化率和本地化生產維護水平會得到進一步的提高。因此,西安市軌道交通在后續路網其它線路建設時,在系統方案的選擇上受制約的可能性會減小,投資也可能會減少。

2.2.4 系統的先進性

基于準移動閉塞制式的ATC系統,其ATP子系統、數字無絕緣軌道電路及完成聯鎖運算和編碼的聯鎖子系統屬于國外20世紀90年代先進技術,等級較高,代表著城市軌道交通ATC系統的技術水平。該系統介于固定閉塞制式和移動閉塞制式之間,它通過數字編碼軌道電路向列車傳遞控制信息,實現對列車的“連續”控制,在技術上可實現功能上的擴展。例如:通過增加無線發射、接收天線等技術改造,可過渡為移動閉塞方式,以滿足更小的追蹤間隔要求。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程如果采用此方案,符合技術水平等級要求,工程方案具備技術上的優勢。

2.3 基于移動閉塞方式的ATC系統分析

2.3.1 系統能力

該系統設計最大行車密度大于45對/h,可滿足2號線近、遠期的運能要求,預儲遠期運能最大。系統對時刻表的實時調整能力強,可實現無人自動駕駛,乘客旅行的舒適度最好。

2.3.2 系統的實用化程度

基于移動閉塞的ATC系統除ALCAT EL公司的基于交叉感應電纜的ATC系統在我國有應用實例外,基于其它傳輸方式的ATC系統發展也較快,目前正在大面積推廣、實施階段。其中最具代表性的有:加拿大ALCATEL公司基于交叉感應電纜的ATC系統、美國GE公司基于無線通信的ATC系統、法國ALSTOM公司基于裂縫波導的ATC系統以及德國SIEMENS公司基于環線的ATC系統。該系統軌旁設備較少,室外部件體積較小,因此,在西安市城市快速軌道交通2號線一期工程中,采用此種系統帶來的土建配套工程改造費用最少。

2.3.3 系統的經濟性及國產化

基于移動閉塞制式的ATC系統目前在我國還處在一個引進、消化階段,各子系統基本上依賴進口,國產化率仍是通過國外引進、國內系統集成的辦法實現,僅為30%左右。在工程投資上,它和準移動閉塞制式相比高10%～15%左右。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程如采用此種方案,初期投資估算約為2.5億～2.7億元。其對系統維護人員的綜合基礎知識、技術水平的要求更高,但在工程開通后,運營、維護成本較低。

2.3.4 系統的先進性

基于移動閉塞制式的ATC系統真正實現了對列車的連續、自動控制,可滿足最小的追蹤間隔要求。此種制式系統的技術等級當前為最高,是ATC列車控制系統發展的方向。目前,它還存在著沒有實際運營和維護經驗、系統故障復原不利等缺點,需增加單獨的后備模式設備,在系統故障后實現降級使用的目的。它的大多數子系統由于缺乏廣泛的應用經驗,技術上還不夠成熟,有待進一步的完善。

2.4 三種ATC系統的比較

三種ATC系統的特點比較如表1所示。

表1 三種制式ATC系統特點比較

3 ATC系統方案的優化選擇

通過以上分析可以看出,三種方案都能滿足西安市城市快速軌道交通2號線工程的運營要求。但作為合理的工程方案,應適當考慮2號線與路網規劃中后續線路之間資源共享、互聯互通的關系,所選擇的信號系統應成為整個路網系統設備的主流,在技術上占有主導地位。作為路網規劃建設的第一條線,2號線選擇的信號系統設備應在滿足安全、可靠、運能需要的前提下,力求造價合理、技術上先進;要考慮系統設備的生命周期,適當預留遠期運能,從而滿足西安市城市快速軌道交通2號線工程“安全、實用、經濟、高效”的總體建設目標。

由于固定閉塞式的 ATC系統技術上相對落后,對列車運行控制的實時能力差,旅行的舒適度不如準移動和移動制式,所以本工程不宜選擇此種制式。如果選擇移動閉塞的ATC系統,雖然其對列車的控制調節性能、旅行的舒適度、后期維護成本等比準移動制式好,但初期投入成本比準移動制式高出了2～3千萬元。另外,從2號線初、近、遠期客流預測分析和運營交路來看,初期運能需求僅為18對/h,采用準移動閉塞制式就能很好地完成對列車的調節控制,并預儲遠期(2036年)30對/h的運能需求;而如果采用移動閉塞制式,除了初期、近期對列車的調節控制能力預儲較大、初期成本較大外,對長遠運營有百利而無一害。準移動閉塞制式的ATC系統已在我國上海、深圳、廣州、南京、天津等城市的多條城市軌道交通線路上開通使用,技術上比較成熟可靠,并已經積累了大量的維護經驗。本工程采用此種制式,風險相對較小,但對長遠發展有一些制約。移動閉塞代表著本世紀的先進水平,站在發展的高度上,顯然采用基于無線通信的移動閉塞ATC系統更有前景。

4 結語

根據對三種不同閉塞制式ATC系統方案的對比分析,結合2號線工程實際需求情況,如果就成本和風險而言,西安市城市快速軌道交通2號線一期工程信號ATC系統推薦采用基于數字軌道電路的準移動閉塞制式的ATC系統;就遠期運營發展而言,因為2號線是西安的第一條地鐵線路,考慮到與后續1號線及其他線路的互通互聯,推薦采用基于無線通信的移動閉塞制式的ATC系統。

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北京地鐵1號線列車