城市軌道交通信號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案探討
摘 要 信號系統(tǒng)作為城市軌道交通工程中重要的組成部分,對行車的安全、正點(diǎn)、高效的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,但由于其中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不全面,給系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案造成了一定的隨意性。本文就其中的系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)計(jì)行車間隔和ATP 信息傳輸方式等主要的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞 城市軌道交通,信號系統(tǒng),設(shè)計(jì)方案
城市軌道交通的信號系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)著控制和指揮列車運(yùn)行的任務(wù),是影響整個城軌交通系統(tǒng)運(yùn)營安全和效益的關(guān)鍵點(diǎn)。信號系統(tǒng)的水平也成為城市快速軌道交通現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。設(shè)計(jì)出一個優(yōu)秀的系統(tǒng)方案不僅有利于保證行車安全,提高運(yùn)輸能力,實(shí)現(xiàn)迅速、及時(shí)、準(zhǔn)確的行車調(diào)度指揮和運(yùn)輸管理現(xiàn)代化,提高服務(wù)質(zhì)量,而且還有利于合理使用工程投資,降低工程造價(jià)。
1 系統(tǒng)構(gòu)成方案
城市軌道交通是一個技術(shù)先進(jìn),具備相當(dāng)程度自動化水平的運(yùn)輸體系。其中信號控制系統(tǒng)的構(gòu)成必須與整個交通運(yùn)輸相適應(yīng)。
在《城市快速軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)—試行本》中,把信號系統(tǒng)劃分了三個層次:第一層次設(shè)備在運(yùn)量較小、行車密度較低的線路上,可配置聯(lián)鎖設(shè)備、自動閉塞、機(jī)車信號和自動停車系統(tǒng);第二層次設(shè)備在運(yùn)量較大、行車密度較高的線路上,可配置列車自動監(jiān)控(ATS) 系統(tǒng)和列車自動防護(hù)(ATP) 系統(tǒng); 第三層次設(shè)備在運(yùn)量大、行車密度高的線路上,配置列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、列車自動防護(hù)系統(tǒng)和列車自動運(yùn)行(ATO) 系統(tǒng)。
上述第一層次系統(tǒng)配置屬最低水平等級,只適于行車間隔大于3 min 的線路運(yùn)用。也就是說,在行車密度較高時(shí), 這種線路將面臨整個系統(tǒng)的改造,造成大量的廢棄工程;另一方面,由于機(jī)車信號和自動停車裝置所能容納的信息量少,列車運(yùn)行的安全性很大程度上只能依賴于司機(jī)的駕駛;然而其國產(chǎn)化率水平是最高的,工程造價(jià)是最低的。應(yīng)該說,該層次的設(shè)備適宜在近期運(yùn)量小、行車密度低, 而且遠(yuǎn)期運(yùn)量無明顯變化的工程,如在中等城市或是郊區(qū)軌道交通系統(tǒng)中運(yùn)用。
第二層次的信號系統(tǒng)配置,適于行車間隔在2 min 以上的線路運(yùn)用,行車安全可以完全由列車自動防護(hù)系統(tǒng)來保證。雖然其國產(chǎn)化率水平降低,工程造價(jià)增高,但是該層次設(shè)備技術(shù)先進(jìn),便于向第三層次擴(kuò)展,不存在明顯的廢棄工程,符合工程按近遠(yuǎn)期分步實(shí)施、合理預(yù)留的原則,所以系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是合理的。這種系統(tǒng)能適應(yīng)大多數(shù)城市軌道交通的運(yùn)用需要,是大運(yùn)量的城市輕軌交通的首選方案。
第三層次的系統(tǒng)配置具備很高的現(xiàn)代化技術(shù)水平,適于行車間隔小于2 min 的線路運(yùn)用,不僅行車安全可以完全由列車自動防護(hù)系統(tǒng)來保證,而且列車自動運(yùn)行系統(tǒng)還可以完成站間自動運(yùn)行、定位停車,接收控制中心運(yùn)行指令,實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行自動調(diào)整,使整套信號系統(tǒng)能夠滿足列車高速、高密度運(yùn)行的需要。這種系統(tǒng)的國產(chǎn)化率水平低,工程造價(jià)高,是其在工程運(yùn)用中不利的一面,但系統(tǒng)高水平的自動化程度無疑將給日后的運(yùn)營、管理帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益;另外,由于安裝屏蔽門對列車精確定位停車功能和大運(yùn)量對列車高折返能力等等方面的具體需求,這種線路的運(yùn)行都要由列車自動運(yùn)行(ATO) 系統(tǒng)來保證。所以只要條件許可,在城市軌道交通中,特別是高運(yùn)量的地鐵工程中,該系統(tǒng)方案非常值得推薦。
2 主要技術(shù)方案
2. 1 設(shè)計(jì)行車間隔
城市軌道交通工程為適應(yīng)乘客運(yùn)量大、行車密度高的特點(diǎn),往往采取縮短行車間隔的辦法。這樣一方面有利于減少旅客候車時(shí)間以提高服務(wù)質(zhì)量; 另一方面可以減少列車編組輛數(shù),節(jié)省工程投資。但是由于信號ATP 系統(tǒng)技術(shù)的限制,如軌道區(qū)段的長度、“ 車-地”通信的有效速率、列車進(jìn)路的建立和恢復(fù)時(shí)間等等因素,正常的行車間隔不可能無限制縮短。換言之,最小行車間隔極大地影響著信號的ATP 系統(tǒng)方案和工程造價(jià)。確定合理的行車間隔時(shí)分成為信號ATP 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的控制參數(shù)。
根據(jù)一些發(fā)達(dá)國家城市軌道交通的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn), 信號ATP 系統(tǒng)可按滿足高峰運(yùn)營流量130 % 的能力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。也就是說,如果線路的客流量在某個特殊時(shí)段增加到預(yù)測高峰值的130 % 時(shí),ATP 系統(tǒng)仍有能力滿足運(yùn)營采取的臨時(shí)措施,如臨時(shí)增加運(yùn)營列車等。表1 以某一條線路運(yùn)營方案為例予以說明。
兩種方案均可滿足運(yùn)量要求,但它們的運(yùn)能余量,即單向運(yùn)輸能力與高峰小時(shí)單向最大斷面客流量比是不同的。其中方案A 為1. 00 , 方案B 為1. 08 。那么,如果按方案A 實(shí)施,在高峰時(shí)間內(nèi)的線路運(yùn)營將處于全飽和狀態(tài), 按上述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的ATP 系統(tǒng)應(yīng)采用184 s 的設(shè)計(jì)行車間隔;如果按方案B 實(shí)施,在高峰時(shí)間內(nèi)的線路運(yùn)營尚有8 % 的調(diào)節(jié)余量,相應(yīng)的ATP 系統(tǒng)只需采用245 s 的設(shè)計(jì)行車間隔。顯而易見,從信號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度來看,方案B 優(yōu)于方案A 。
應(yīng)該指出的是,ATS 系統(tǒng)所具備的行車間隔調(diào)控能力與上述的ATP 的設(shè)計(jì)行車間隔能力是有區(qū)別的。ATS 對列車運(yùn)行的調(diào)控主要是當(dāng)列車運(yùn)行秩序有紊亂時(shí),通過控制列車停站時(shí)分而使列車運(yùn)行秩序盡快恢復(fù)的一種措施。當(dāng)然,這種調(diào)控能力的實(shí)現(xiàn)也是要體現(xiàn)在ATP 行車間隔能力上的。
在實(shí)際的工程運(yùn)用中,應(yīng)結(jié)合線路近、遠(yuǎn)期運(yùn)量,以及工程實(shí)施方案、ATS 調(diào)控能力等綜合因素, 確定一個合理的滿足運(yùn)營要求、節(jié)省工程投資的設(shè)計(jì)行車間隔。
2. 2 ATP 信息傳輸方式
ATP 系統(tǒng)是確保列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵設(shè)備,它由軌旁設(shè)備和車載設(shè)備組成, 列車通過地面ATP 設(shè)備接收運(yùn)行信息,實(shí)現(xiàn)列車的間隔控制。ATP 設(shè)備主要有兩種劃分方式,一是按“車-地”ATP 信息傳輸方式分為連續(xù)式和點(diǎn)式發(fā)碼方式;另一種是按對列車控制方式分為模式曲線方式和階梯式控制方式。其中按前一種劃分的兩種ATP 設(shè)備工程造價(jià)差異大,是選擇ATP 系統(tǒng)方案的主要比較點(diǎn)。
連續(xù)式的ATP 設(shè)備一般可利用軌道電路或連續(xù)敷設(shè)的電纜向車載接收設(shè)備連續(xù)不斷地傳遞地面信息。其特點(diǎn)是信息傳遞實(shí)時(shí)性高、技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)昂貴。點(diǎn)式ATP 設(shè)備利用地面應(yīng)答器或點(diǎn)式環(huán)線把地面信息傳至列車。這種方式實(shí)時(shí)性較差, 但技術(shù)簡單、造價(jià)低廉。
控制實(shí)時(shí)性較差高行車間隔大于90 s 可小于90 s 自動駕駛功能尚無產(chǎn)品有列車檢測功能需另設(shè)軌道電路有系統(tǒng)擴(kuò)展對行車干擾較小對行車干擾大安裝調(diào)試周期較短周期長工程造價(jià)較低高維修成本低高生產(chǎn)廠家少多
在我國現(xiàn)有的地鐵交通中,由于運(yùn)量大、行車密度高、地鐵隧道內(nèi)駕駛條件較差等特點(diǎn),均采用連續(xù)發(fā)碼方式的ATP 系統(tǒng)是適宜的。
隨著點(diǎn)式ATP 技術(shù)的發(fā)展,在城市軌道交通工程,特別是城市輕軌工程中采用點(diǎn)式ATP 設(shè)備顯得越來越合理。在點(diǎn)式ATP 系統(tǒng)中,以目前較有代表性的西門子公司ZUB120 為例,其主要的技術(shù)指標(biāo)如下:
·傳輸制式 移頻鍵控(FSK) ,串行
·傳輸速率 50k·-1
·傳輸間距 130～210 mm
·電碼可靠性 循環(huán)碼多次判斷,海明距為4
·電碼長度 可編程有用比特96 位
·機(jī)車設(shè)備平均故障間隔時(shí)間 2 ×104 h
·地面應(yīng)答器平均故障間隔時(shí)間 9 ×105 h
對于點(diǎn)式系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)較差、缺乏緊急停車功能等缺點(diǎn),則可以通過接近連續(xù)式發(fā)碼方式進(jìn)行彌補(bǔ)。上海莘閔輕軌交通線作為我國第一條城市輕軌線路就已按點(diǎn)式ATP 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。另據(jù)西門子公司介紹,目前該公司新研制的點(diǎn)式ATP 系統(tǒng)不僅打破了90 s 行車間隔的限制,也具備了自動駕駛功能。
3 小結(jié)
在實(shí)際的工程運(yùn)用中,結(jié)合工程具體情況就不難設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的系統(tǒng)方案。例如:在天津市區(qū)至濱海新區(qū)輕軌工程招標(biāo)中,我方依據(jù)輕軌客運(yùn)量近、遠(yuǎn)期分別為18. 4 萬人次/ 日、28. 4 萬人次/ 日,列車運(yùn)行近、遠(yuǎn)期3 min 的追蹤間隔,以及列車4 列、6 列的不同編組,首先確定的投標(biāo)方案中設(shè)計(jì)行車間隔為135 s , 采用點(diǎn)式ATP 和國產(chǎn)ATS , 預(yù)留ATO 方案;而結(jié)合本線列車運(yùn)行速度高達(dá)100 km/h , 列車制動距離長的特點(diǎn),從保證行車安全、節(jié)省工程造價(jià)的角度出發(fā),我方又推薦了采用模擬無絕緣軌道電路加連續(xù)式環(huán)線的ATP 方案。兩種方案的技術(shù)論證受到了評判專家組的一致好評。
總之,在系統(tǒng)構(gòu)成和主要的技術(shù)方案確定以后,信號系統(tǒng)雖已基本定型,但要真正全面地設(shè)計(jì)出一個良好的系統(tǒng),還有許多細(xì)節(jié)需要考慮。例如:為發(fā)揮投資效益,根據(jù)城市軌道交通工程近、遠(yuǎn)期不同的建設(shè)規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn),信號系統(tǒng)的配置應(yīng)考慮按不同階段的運(yùn)量要求分步實(shí)施、合理預(yù)留,并使之容易進(jìn)行技術(shù)改造和升級;信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中應(yīng)充分考慮到國家對機(jī)電設(shè)備國產(chǎn)化率的要求,除某些必須引進(jìn)的設(shè)備外,盡量選用國產(chǎn)設(shè)備或與引進(jìn)國外技術(shù)國內(nèi)組裝相結(jié)合的方式。
另外,城市軌道交通信號系統(tǒng)的特殊技術(shù)指標(biāo)也是應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮的問題。如在長大坡道上設(shè)立的保護(hù)性延續(xù)進(jìn)路對列車運(yùn)行追蹤時(shí)分的影響;為縮短折返進(jìn)路建立時(shí)間,如何處理折返進(jìn)路有關(guān)的渡線道岔等技術(shù)問題。
參 考 文 獻(xiàn)
1 吳汶麒主編. 城市軌道交通信號與通信系統(tǒng). 北京:中國鐵道出版社,1998
