移動閉塞信號系統的列車定位方式

趙家煒

(廣州市地下鐵道總公司運營事業總部,510380,廣州∥工程師)

列車運行間隔的控制是信號系統列車控制的核心。目前,行車閉塞方式可分為固定閉塞、準移動閉塞和移動閉塞。移動閉塞與固定閉塞的區別在于:

(1)閉塞分區的劃分不同。移動閉塞沒有劃分固定的閉塞分區,列車間隔是動態的并隨著前一列車的移動而移動。固定閉塞則將線路劃分為固定位置及某一長度的閉塞分區,一個分區只能被一列車占用。

(2)列車間隔的不同。移動閉塞的列車間隔是按后續列車在當前速度下所需的制動距離加上安全余量計算和控制的,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,與列車在分區內的實際位置無關。

(3)制動不同。移動閉塞制動的起點和終點是動態的,軌旁設備的數量與列車運行間隔關系不大。固定閉塞制動的起點和終點總是某一分區的邊界。

(4)傳輸信息量大小不同。移動閉塞采用先進的通信,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 。

移動閉塞系統的首要設計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授權更新率可提高線路容量,并縮短列車運行間隔。如何更精確地實現列車定位,就成為一個移動閉塞信號系統的關鍵。

1 阿爾卡特S40信號系統的組成及功能

圖1為阿爾卡特S40信號系統結構框圖。系統基于移動閉塞原理,通過3層控制結構實現相應的責任分工,保證系統安全、可靠、有效運行。各層功能概述如下:

管理層——系統管理中心(SMC),提供列車自動監督(ATS)功能。

操作層——列車控制中心(VCC),提供列車自動防護(ATP)、列車自動駕駛(ATO)和聯鎖功能,VCC與車載控制系統(VOBC)實現完整的ATP及ATO功能。

執行層——由車載控制器(VOBC)、感應環線、車站控制器(STC)等組成。每輛列車的VOBC負責在VCC的限制下自動安全駕駛列車。列車與軌旁設備間的通信采用感應環線傳輸系統。STC根據VCC的命令(由VCC計算并保證聯鎖條件的滿足),通過安全繼電器來轉動道岔。道岔狀態、軌旁設備狀態(包括緊急制動設備、屏蔽門、信號機等)由STC回送給VCC?？筛鶕嶋H線路長短的不同設置多個VCC。

系統可以實現以下功能:

·防止列車敵對移動造成的沖突;

·防止道岔錯誤轉動或錯誤設置而造成的沖突;

·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線路的損害;

·通過車-地雙向通信系統連續不斷地監測列車在整個系統中的位置;

·列車間以所需的安全距離(SD)安全地分隔;

·安全停車距離根據線路限速、車輛和列車自動控制(ATC)特性進行計算;

·按照安全行車和線路限速的要求對列車進行限速;

·監測整個系統內的列車運行方向;

·監測列車無人駕駛運行;

·監測列車倒溜;

·車輪空轉或滑動補償;

·檢測列車運行方向中的障礙物;

·提供車門及屏蔽門控制的安全聯鎖;

·對中央和站臺緊急停車按鈕的監督管理;

·提供對各種列車運營模式以及對各個模式間的切換的安全監督;

·檢測列車完整性和列車控制線監測;

·在ATP功能施加的限制范圍內調整列車運行時間和(或)列車速度,并在乘客乘坐舒適度標準范圍內控制、調整列車行駛;

·無人折返運行;

·車站精確停車,包括門的開關。

圖1 阿爾卡特S40信號系統結構框圖

2 感應環線通信系統

感應環線電纜是一個帶有絕緣和非屏蔽外殼的標準銅線。對于感應環線通信系統,該電纜既是發射天線又是接收天線。該電纜在鋼軌間按照大約間隔25 m有一個交叉點的方式鋪設。VCC在邏輯上將環線劃分為不同的環線區段。每個環線受各自環線通道的驅動,通過相應的軌旁RLB(遠端環線盒)作為分割點。這樣,感應環線就以“環線→環線區段→環線交叉”的方式被分割開。每一個感應環線區段對應一個環線ID識別號(LID)。

3 列車定位方式分析

列車定位系統分為車載定位設備和地面輔助定位設備兩部分。車載定位設備主要包括:安裝于車軸上的測速電機,車載ATP計算機,車地通信設備等。地面輔助定位設備包括:安裝于地面的交叉感應環線或應答器。系統通過車載定位設備和地面輔助定位設備,并結合車載線路數據庫來建立列車位置信息。

列車上的VOBC通過狀態測量系統(SMS)決定列車位置。SMS由粗略定位和精準定位測量系統組成。

3.1 粗略定位

粗略位置測量通過計算一個環線中的交叉點數目來完成。每隔25 m標定一處環線交叉。

粗略定位基于在感應環線電纜上傳送的信息——環線識別號(LID)和感應環線電纜(交叉)物理坐標的改變。LID將車輛位置分配給一個物理環線。ATC系統在邏輯上將環線劃分為幾個獨立的感應環線,每個環線接受各自環線通道的驅動。VCC在環線通道上傳送命令報文給指定的VOBC;如果車輛識別號匹配,“登載”VOBC發出響應報文,確認VOBC位于由環線通道驅動的環線區的某個位置。

VOBC通過使用2個相同的用于接收VCC命令報文的天線來進行交叉檢測。2個天線均接收來自環線電纜的36 k Hz數字頻率調制(FSK)信號;同時將VOBC處理好的數據信息以 56 k Hz FSK信號,通過環線電纜傳輸至VCC。車-地通信為實時的全雙工通信。2個接收天線接收信號之間的相位關系在環線交叉間保持平穩。然而,由于系統在2個天線之間設有偏移距離,故只有當2個天線再次處于交叉環線的同一側時,它們的相位關系才會變成一致。相位的變化使交叉檢測得以實現。

知道了從環線始端開始的交叉個數及交叉點的間隔(25 m),就能知道車輛的位置。當列車進入一個新的環線區(根據接收命令報文中的LID識別)時,此數值被重置。

3.2 精準定位

使用測速發電機生成的信息能準確地確定交叉環線之間的車輛位置。TWR(定位計算機)中的精準定位測量系統使用從測速發電機處獲得的行車方向和距離,從而對車輛位置編號進行計算。

系統設置車輛定位編號(VHPN),按環線交叉間距的1/4(即6.25 m)來計算。VHPN單元中有來自于VCC的目標點信息和來自于VOBC的車輛位置信息。這些信息從環線邊界始端開始計算。

根據行車方向,VOBC增加或減少VHPN計數。任何環線的最大VHPN為512。VOBC從0開始往上計數或從511開始往下計數。命令報文規定了VHPN的計數方向和(缺省的)初始VHPN。進入環線命令報文也規定了VHPN計數方向。

位置的確定主要基于與車輛所處環線的始端相關的車輛位置。來自于VCC的VOBC目標點信息也與環線始端相關。如果目標點在下一個環線內,VOBC將減去在前一個環線內行駛過的距離,并決定在新環線中的目標點。新環線中的命令報文包括經VOBC計算的相同目標點。

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。

根據線路實際情況,環線鋪設長度有所變化,最長可達3.2 km。道岔區域同樣鋪設環線,不設置軌道電路,不設置絕緣節。圖2所示的測速儀脈沖由車載測速儀的性能參數所決定?，F場采用HASLER測速儀。列車在車站停車時,利用軌旁接近傳感器(列車在站臺定位的硬件設備)使得停車精度達到±0.2 m。

圖2 列車定位示意圖

4 移動閉塞技術的優勢

移動閉塞系統通過列車與地面間連續的雙向通信,實時提供列車的位置及速度等信息,動態地控制列車運行。移動閉塞制式下,后續列車的最大制動目標點較準移動閉塞和固定閉塞更靠近先行列車,因此可縮小列車運行間隔,使運營公司有條件實現小編組、高密度,從而使系統在滿足同等客運需求條件下減少旅客候車時間,縮小站臺長度和空間,降低基建投資。此外,由于系統采用模塊化設計,核心部分均通過軟件實現,因此使系統硬件數量大大減少,可節省維護費用。

移動閉塞系統的安全型計算機(如VCC)一般采取“三取二”或“二取二”的冗余配置;系統通過故障安全原則對軟、硬件及系統進行量化和認證,保證了系統的可靠性、安全性和可用度。

在廣州地鐵3號線采用的阿爾卡特S40信號系統,超高峰行車間隔最小達到2 min 52 s,遠遠小于使用固定閉塞的廣州地鐵1號線,充分體現出移動閉塞信號系統的優勢。

[1]丁正庭.區間信號自動控制[M].北京:中國鐵道出版社,1994.

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