完整版城軌道交通移動閉塞ATC系統(tǒng)淺析

1、1、前言移動閉塞是一種區(qū)間不分割，根據(jù)連續(xù)檢測先行列車位置和速度，進(jìn)行列車間隔控 制，確保后續(xù)列車不會與先行列車發(fā)生沖突，能夠安全停車的列車安全系統(tǒng)。移動閉塞的想法產(chǎn)生于60年代，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，難以變成現(xiàn)實(shí)。到了 80年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為移動閉塞系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。近年來，各國相繼投入力量研制基于通信的列車控制系統(tǒng)CBTC ,具有代表性的主要有法國國鐵的ASTREE,日本鐵道綜合技術(shù)研究所的CARAT系統(tǒng)、歐洲鐵道聯(lián)盟研究所的ETCS系統(tǒng)和美國加拿大鐵路協(xié)會的ATCS系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的共同點(diǎn)是列車和地面間有各種類型的雙向通信手段，可以在確保列車運(yùn)行安全的前提下，

2、最大限度地縮短列車運(yùn)行間隔，提高線路通過能力。2、移動閉塞原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1、 移動閉塞原理移動閉塞是相對于固定閉塞而言的。固定閉塞是在區(qū)間設(shè)置固定的閉塞分區(qū)和相應(yīng) 的防護(hù)信號，而移動閉塞雖然也有防護(hù)列車運(yùn)行安全的閉塞分區(qū)，但其閉塞區(qū)間是移動的， 是隨著后續(xù)列車和前方列車的實(shí)際行車速度、位置、載重量、制動能力、區(qū)間的坡度、彎道 等列車參數(shù)和線路參數(shù)的變化而改變，隨著列車運(yùn)行而移動。根據(jù)是否考慮先行列車的速度，移動閉塞的構(gòu)成分為兩種：一是考慮先行列車速度的移動閉塞系統(tǒng)（MB-V方式）；二是不考慮先行列車速度的移動閉塞系統(tǒng)（MB-V0方式）。 j" 莫小阿.圖1移動閉塞條件下列車追蹤控

3、制原理2.2、 移動閉塞的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移動閉塞系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)有多種，但從基本組成上來說，移動閉塞ATC系統(tǒng)通常分為三個(gè)層次：管理層、操作層和執(zhí)行層，其典型結(jié)構(gòu)如下圖2所示。系統(tǒng)管理中心 SMCB于管理層，其任務(wù)是統(tǒng)一指揮整個(gè)全段內(nèi)列車運(yùn)行。SMC!過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)監(jiān)督著整條線路的自動操作，實(shí)現(xiàn)ATS的功能及其它中央調(diào)度功能。 車輛控制中心 VCQi于操作層，它根據(jù)smM命令，按移動閉塞原理對列車運(yùn)行間隔進(jìn)行控制，并和車站聯(lián)鎖設(shè)備相聯(lián)系， 為列車進(jìn)出站安排接發(fā)車進(jìn)路。VCC SMd間通過現(xiàn)代通信傳輸系統(tǒng) （如SDH, OTN等）進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的雙向傳輸。車載控制器VOBg于執(zhí)行層，它通過和 V

4、CCN間不間斷的通訊來實(shí)現(xiàn)ATP/ATO功能，控制列車安全高速運(yùn)行。通訊方法可采用有線通信（如交叉感應(yīng)電纜）或無線的方式（如擴(kuò)頻通信）具備冗余校驗(yàn)的車載計(jì)算機(jī)使列車控制在VCC限定的速度和距離之內(nèi)，并以數(shù)據(jù)報(bào)文形式向VCC?；赜嘘P(guān)車輛位置、速度、運(yùn)行方向以及子系統(tǒng)情況。每列車都配置了冗余的車載控制系統(tǒng)，一旦某一個(gè)出了問題，另一個(gè)會自動啟動。MB4為式<b* VoTJiA圖2移動閉塞系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)3、移動閉塞的實(shí)現(xiàn)方式按照列車定位和信息傳輸方式的不同，實(shí)現(xiàn)移動閉塞的CBTC（統(tǒng)主要有以下幾種：（1）利用交叉感應(yīng)電纜的實(shí)現(xiàn)方式；（2）基于泄漏同軸電纜的實(shí)現(xiàn)方式；（3）利用全球定位系統(tǒng)（GPS

5、 ）;（4）慣性定位系統(tǒng)（IPS ）;（5）車載多普勒雷達(dá)定位系統(tǒng)；（6）無線擴(kuò)頻通信定位。4、我國軌道交通信號系統(tǒng)的方案探討4.1、 軌道交通直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)簡介城市軌道交通直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)的機(jī)理是固定在車輛轉(zhuǎn)向架上的初級線圈（定子）通過交流電流，產(chǎn)生移動磁場（行波磁場），通過相互作用，使固定在整體道床上的次級感應(yīng)板 （展開的轉(zhuǎn)子）產(chǎn)生磁場，通過磁力，實(shí)現(xiàn)車輛的運(yùn)行和控制。我國早在上世紀(jì)80年代已開始研究直線電機(jī)驅(qū)動的運(yùn)載系統(tǒng)，但一直處于可行性研究和系統(tǒng)選擇階段，直至上世紀(jì)90年代，隨著磁懸浮鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)線及試驗(yàn)車的研制，直線電機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)備的研制才進(jìn)入實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段。4.2、 信號系統(tǒng)

6、的設(shè)計(jì)原則及軌道交通的具體要求信號系統(tǒng)的選擇必須遵循以下幾個(gè)基本原則：1、信號系統(tǒng)必須滿足安全、成熟、技術(shù)先進(jìn)的基本原則；2、信號系統(tǒng)必須滿足實(shí)際的運(yùn)營要求，符合相應(yīng)的功能和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并充分考慮到未來發(fā)展的需要；3、信號系統(tǒng)應(yīng)具有較高的安全性和可靠性，凡涉及行車安全的設(shè)備必須滿足故障-安全原則；4、信號系統(tǒng)及設(shè)備選型，應(yīng)根據(jù)具體的運(yùn)營要求，進(jìn)行綜合性能價(jià)格比分析。方案應(yīng)能滿足功能要求，經(jīng)濟(jì)合理。為了實(shí)現(xiàn)行車自動化，減少運(yùn)營成本，與直線感應(yīng)電機(jī)車輛相結(jié)合的行車控制系統(tǒng) 需要實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行自動化與列車指揮自動化，這就需要采用列車自動控制系統(tǒng)ATG目前，我國己建和在建軌道交通的 ATC系統(tǒng)主要采用的是

7、基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞和有人 值守的自動駕駛系統(tǒng)，高峰期列車運(yùn)行間隔為 120so為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，降低工程造價(jià)及運(yùn)營費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、低成本運(yùn)營，籌建中的軌道交通準(zhǔn)備采用小編組、高密度的 運(yùn)營模式，提出了 90s的列車運(yùn)行間隔要求。 這就為當(dāng)今前沿的城軌交通信號技術(shù)在我國的 應(yīng)用提出了現(xiàn)實(shí)要求。4.3、 采用移動閉塞是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通過能力的必然要求城市軌道交通的通過能力是指在采用一定的車輛類型、信號設(shè)備和行車組織方法條 件下，軌道交通線路的各項(xiàng)固定設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)（高峰小時(shí)）所能通過的列車數(shù)。 軌道交通的通過能力主要按照線路、列車折返設(shè)備、車輛段設(shè)備、牽引供電設(shè)備等固定設(shè)備進(jìn)行計(jì)算。

8、 根據(jù)各項(xiàng)固定設(shè)備計(jì)算出來的通過能力，一般是各不相同的，其中通過能力最小的設(shè)備限制了整個(gè)線路的通過能力，因此，該項(xiàng)設(shè)備的通過能力即為線路的最終通過能力。實(shí)踐表明，對軌道交通系統(tǒng)來說，線路運(yùn)能的主要損失發(fā)生在列車停站和終點(diǎn)車站 的折返作業(yè)上。由于采用線性電機(jī)的車輛能為高密度運(yùn)營需要的優(yōu)良的加減速性能提供保 證，結(jié)合移動閉塞技術(shù)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)“小編組、高密度”的運(yùn)營模式。一方面，通過 減小列車編組、提高行車密度，使車站上下車人數(shù)得到分散，從而可以減小列車停站時(shí)間； 另一方面，移動閉塞技術(shù)的精確控制和靈活運(yùn)行的特性也有利于提高折返效率，從而可以從總體上減少線路運(yùn)能的損失，達(dá)到每小時(shí)40對列車的系

9、統(tǒng)通過能力。總之，從滿足系統(tǒng)運(yùn)營要求及系統(tǒng)的先進(jìn)性考慮，軌道交通信號系統(tǒng)應(yīng)采用移動閉塞技術(shù)。4.4、 采用移動閉塞信號系統(tǒng)的可行性及相關(guān)問題移動閉塞系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)對列車連續(xù)控制，是經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)的安 全系統(tǒng)。移動閉塞技術(shù)已經(jīng)在北美、歐洲I、亞洲許多國家的軌道交通建設(shè)中得到應(yīng)用。最早使用移動閉塞技術(shù)的溫哥華無人駕駛輕軌系統(tǒng)至今已安全運(yùn)行近20年，這充分驗(yàn)證了移動閉塞的安全性以及技術(shù)的成熟度。在中國，香港西線鐵路工程于1998年采納了倫敦鐵路工程師協(xié)會的建議，使用先進(jìn)的移動閉塞技術(shù)代替原來的固定閉塞設(shè)計(jì)方案，不僅使香港西線鐵路實(shí)現(xiàn)了更短更好的運(yùn)營目標(biāo) -達(dá)到每小時(shí)每方向10萬人次的運(yùn)

10、量，高峰期運(yùn)行間隔90s, 而且使工程總成本由原來的超過644億美元降至517億美元，節(jié)省造價(jià)約 20%.可見，根據(jù)實(shí)際運(yùn)營要求和當(dāng)前信號技術(shù)的發(fā)展水平，軌道交通采用移動閉塞技術(shù)是必要且可行的。軌道交通采用移動閉塞的優(yōu)點(diǎn)如下：1）能輕松達(dá)到90S的行車間隔要求，且當(dāng)需求增長而需要調(diào)整運(yùn)營間隔時(shí)，無需改變或增加硬件；2）可取消區(qū)間的信號機(jī)、 軌道電路等地面設(shè)備， 降低系統(tǒng)的安裝維護(hù)費(fèi)用；利用其精確的控制能力，可以有效地通過在折返區(qū)域調(diào)整速度曲線來減少在盡端折返線的過走防護(hù) 距離，從而減少折返站的土建費(fèi)用；3）車上-地面可靠傳輸?shù)男畔⒘看?，便于?shí)現(xiàn)全程無人自動駕駛。全程無人自動駕 駛方式是列車上沒

11、有任何駕駛員或工作人員的全自動方式。站停，發(fā)車、運(yùn)行、折返、入庫 等過程由操作控制中心直接管理。主控中心可以更精確地控制列車按運(yùn)行圖運(yùn)行，減少了列車在區(qū)間不必要地加速、制動，可節(jié)省能源，增加旅客舒適度；同時(shí)這種方式具備非常高的靈活性，對突然增長的能力需求和不可預(yù)見的事件具備敏捷的反應(yīng)能力；4）易于實(shí)現(xiàn)列車雙向運(yùn)行。當(dāng)軌道交通系統(tǒng)因線路、車輛等故障造成運(yùn)行中斷時(shí)， 可通過組織臨時(shí)反向載客運(yùn)行來保持軌道交通系統(tǒng)不間斷運(yùn)作。從目前的技術(shù)成熟度來看，對于軌道交通來說，選用基于交叉感應(yīng)電纜或泄漏同軸 電纜的方案是比較合適的，相關(guān)的系統(tǒng)已在國外有多年成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。例如，新加坡軌道交通東北線設(shè)計(jì)能力單向達(dá)

12、到75,000人次/小時(shí)，采用了 ALSTOM公司的基于泄漏波導(dǎo)的移動閉塞信號系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了最小列車運(yùn)行間隔90S的營運(yùn)目標(biāo)。ALCATE公司基于感應(yīng)環(huán)線或泄漏同軸電纜的 SelTrac移動閉塞系統(tǒng)己在倫敦道克蘭輕軌、吉隆坡LRT2舊金山MUNI等城軌交通得到多年應(yīng)用，被證明是安全、高效、靈活的列車控制系統(tǒng)。移動閉塞系統(tǒng)的列控 方式均采用速度-距離模式，對軌道交通來說，在運(yùn)營初期可采用相對位置方式（MB-V0方式），在遠(yuǎn)期運(yùn)營要求提高后，可采用相對速度方式（MB-V方式），以進(jìn)一步縮短行車間隔。在具體選擇移動閉塞系統(tǒng)時(shí)，還必須考慮該系統(tǒng)的故障恢復(fù)能力和可靠性，并注意解決方案中是否有進(jìn)行斷軌檢測和列車完整性檢測的方法。此外，由于采用直線電機(jī)的系統(tǒng)一般將次級感應(yīng)板鋪設(shè)于軌道中間的地面上，因此聯(lián)鎖車站的配線不能采用交叉渡線，這會對聯(lián)鎖車站的道岔布置和折返車站的折返線布置產(chǎn)生一定影響，這也是需要考慮的問題。5、小結(jié)本文簡要介紹了移動閉塞的原理，討論了其典型結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式