摘 要 上海軌道交通既有的信號控制系統(tǒng)各不相同。針對上海軌道交通1 號線、2 號線、3 號線(明珠線一期) 以及5 號線(莘閔輕軌交通線) 的列車自動控制(ATC) 系統(tǒng),在軌道電路、微機聯(lián)鎖、ATP 、ATO 、A TS 等方面進行了比較和分析,并對上海軌道交通線A TC 系統(tǒng)所應采取的制式進行了初步的探討。
關(guān)鍵詞 城市軌道交通,列車自動控制,列車自動保護,列車自動運行,列車自動監(jiān)控,軌道電路
目前,既有上海軌道交通線所采用的列車自動控制系統(tǒng)(A TC 系統(tǒng)) 各不相同。上海軌道交通1 號線采用了美國GRS 公司(現(xiàn)為AL STOM 公司的一部分) 的A TC 系統(tǒng),上海軌道交通2 號線采用了美國USS 公司的技術(shù),上海軌道交通3 號線(明珠線一期) 采用了法國ALSTOM 公司的A TC 技術(shù), 而上海軌道交通5 號線(莘閔輕軌線) 采用了德國SIEMENS 公司的設(shè)備。下面從不同的方面對這四套系統(tǒng)進行比較。
1 上海軌道交通A TC 系統(tǒng)概況
1 號線(地鐵1 號線) 一期工程北起上海火車站,南至上海南站,后南延伸至莘莊。1 號線及南延伸共計16 個車站,約22 km , 設(shè)7 個信號設(shè)備集中站和一個車輛段,現(xiàn)已全線開通使用。1 號線北延伸自上海火車站起向北延伸12. 5 km , 經(jīng)過8 個車站,終點站為泰和路,設(shè)4 個設(shè)備集中站。1 號線是一個重軌運輸系統(tǒng),采用靈活的6 節(jié)編組(具備將來8 節(jié)編組升級的能力),并裝備了列車自動控制系統(tǒng)(A TC) 的全套設(shè)備。車載A TP 設(shè)備雙套冗余,A TO 設(shè)備單套。
2 號線(地鐵2 號線) 西起浦西的中山公園,東至浦東的張江站,現(xiàn)有13 座車站,全程18. 16 km , 設(shè)有4 個聯(lián)鎖集中站和2 個非聯(lián)鎖集中站。2 號線正向運行實現(xiàn)完全的自動控制, 包括A TP 、A TO 、A TS 功能。車載A TP 設(shè)備雙套冗余,A TO 設(shè)備單套。
3 號線(明珠線一期) 由漕河涇至江灣鎮(zhèn),全程24. 975 km , 共包括19 個車站、一個車輛段。系統(tǒng)中共設(shè)10 個設(shè)備集中站。控制中心設(shè)于寶興路站控制中心。3 號線裝備了全套的A TC 系統(tǒng),車輛采用6 節(jié)編組和8 節(jié)編組。
5 號線(莘閔輕軌線) 由莘莊站至天星站,全長約17 km 。正線共設(shè)13 座旅客車站,除莘莊站為地面車站外,其余均為高架車站。系統(tǒng)設(shè)5 個聯(lián)鎖集中站。5 號線裝備了全套的A TP 、A TS 系統(tǒng), A TO 功能沒有要求,車輛采用6 節(jié)編組和8 節(jié)編組。
2 軌道電路的比較
軌道交通1 號線采用音頻無絕緣軌道電路,將4 種列車檢測載頻調(diào)制在2 個碼率上,并有序地使用在線路上,以達到列車檢測的目的。機車信號載頻為2 250 Hz , 調(diào)制在10 個碼率上,以向列車傳輸8 個速度碼(1 個預留) 、2 個開門信息;同時,無碼表示停車信息。
2 號線采用AF -902 和AF -904 數(shù)字式無絕緣軌道電路檢測列車的位置。軌道電路采用9. 5 ～16. 5 kHz 的載頻,用頻移鍵控(FSK) 方式進行調(diào)制,向列車傳送信息,傳輸速率為200 bit/ s。軌道電路向車載設(shè)備傳送的信息除信息頭和CRC 校驗外,還包括軌道電路號、運行方向、下一個載頻、線路限速、目標速度和停穩(wěn)信息等。
3 號線采用D TC921 -1 型無絕緣Digicode 數(shù)字軌道電路,D TC921 -1 可分別采用8 個不同的載頻進行信息傳輸,用MSK 方式進行調(diào)制。Digi2 code 用于列車檢測時傳輸速率為400 bit/s , 與SACEM 地對車通訊時為500 bit/s , 支持雙向傳輸,在地鐵中僅用了地到車通訊。軌道電路向車載設(shè)備發(fā)出的報文包括長報文(區(qū)段的進路地圖) 和短報文(區(qū)段的軌道電路和道岔的狀態(tài)) 。
5 號線采用FTGS 音頻無絕緣軌道電路,用S -bond 電氣隔離接頭進行分割,軌道電路具有4 個頻率。系統(tǒng)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸點(軌道耦合線圈) 點式向車載設(shè)備傳輸信號和線路信息,也可用環(huán)線進行連續(xù)傳輸。軌道耦合線圈使用FSK 制式,傳輸速率為50 kbit/ s。
就軌道電路而言,3 號線采用的技術(shù)是最為先進的。它實現(xiàn)了地面設(shè)備向車載設(shè)備連續(xù)傳送A TP 所需信息,且具有500 bit/ s 的較高傳輸速率。較為可惜的是,它的雙向傳輸功能并沒有發(fā)揮作用。
3 聯(lián)鎖設(shè)備的比較
1 號線和南延伸采用6502 繼電聯(lián)鎖,北延伸采用V PI 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。VPI 計算機聯(lián)鎖是以“數(shù)字集成安全保障邏輯(N ISAL) ”為基礎(chǔ),采用“故障-安全”設(shè)計的專用聯(lián)鎖機系統(tǒng)。系統(tǒng)為雙機熱備方式。
2 號線采用M ICROLOCKII 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng), 系統(tǒng)為雙機熱備方式。M ICORLOCK 單元分為處理安全信號的“IML K”(聯(lián)鎖M ICROLOCK) 和“TML K”(軌道M ICROLOCK) 。
3 號線采用ASCV (V PI2) 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。ASCV 系統(tǒng)保持了數(shù)字集成安全保障邏輯(N ISAL) 等技術(shù),并對CPU 速度和系統(tǒng)容量進行了全面升級,為雙機熱備系統(tǒng)。5 號線采用SIM IS 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng),3 取2 工作方式,并采用了分散式設(shè)備接口模塊。系統(tǒng)具有較高的可靠性、可用性和適應能力。
上述各軌道交通線的聯(lián)鎖系統(tǒng)中,5 號線的3 取2 系統(tǒng)具有較高的可靠性,技術(shù)較為先進。
4 列車自動保護系統(tǒng)的比較
1 號線采用頭、尾各雙套冗余的車載設(shè)備,其列車自動保護(A TP) 系統(tǒng)基于速度碼方式,共有8 個速度碼。列車最高速度為80 km/ h , 運行間隔120 s , 設(shè)計間隔100 s 。
2 號線采用頭、尾各雙套冗余的車載設(shè)備,基于目標速度方式。設(shè)計間隔100 s 。
3 號線采用SACEM 系統(tǒng),地面設(shè)備為3 取2 系統(tǒng),車載設(shè)備頭、尾主/ 備雙重配置。基于目標距離方式。地面設(shè)備向車載設(shè)備傳送區(qū)段的進路地圖、區(qū)段的軌道電路和道岔的狀況,由車載設(shè)備進行制動曲線的計算。系統(tǒng)靠靜態(tài)列車初始化應答器(STIB) 、動態(tài)列車初始化應答器(M TIB) 和重新定位應答器(RB) 來進行列車的定位和重新定位。設(shè)計間隔100 s 。
5 號線采用點式發(fā)碼非連續(xù)式地對車通訊,車載設(shè)備為2 取2 方式。系統(tǒng)基于目標距離方式。運行間隔163 s , 最小設(shè)計間隔130 s 。各A TP 系統(tǒng)的控制模式曲線如圖1 所示。
從圖1 可以看出,目標距離方式采用了一次模式曲線,A TP 系統(tǒng)可以從列車運行點開始至列車的停車點通盤考慮列車的最高運行速度。在相同的軌道電路設(shè)置情況下,目標距離方式運行速度最高,所用時間最少。
目標速度方式可根據(jù)初始速度和目標速度及軌道電路的實際情況,在每個軌道電路的范圍內(nèi)計算出最佳模式曲線。目標速度在整體上被分割為階梯型曲線,無法在整體上達到最優(yōu)。同時,由于目標速度方式是由地面設(shè)備決定列車運行速度的, 系統(tǒng)必須考慮最差列車的情況,所以,列車的防護距離較長。
而速度碼方式,A TP 系統(tǒng)幾乎為被動接受控制的系統(tǒng)。在接收到速度碼后,A TP 系統(tǒng)保證列車按最新的速度要求運行。由于速度碼考慮的是整個軌道電路的最低速度,所以列車運行速度較低,這種情況在軌道電路G1 表現(xiàn)最為明顯。軌道電路G1 的速度需為0 , 這就意味著列車一進入軌道電路G1 , 必須立即制動,且前一軌道電路G2 速度不能太高。
同樣是目標距離方式,3 號線同5 號線又有很大的差別。由于5 號線通過數(shù)據(jù)傳輸點(軌道耦合線圈) 點式傳輸信號和線路信息,軌道耦合線圈安裝在信號機或速度限制區(qū)域前。當線路情況發(fā)生突變時,車載設(shè)備無法及時作出響應。圖1 中,列車剛過軌道電路G6 的軌道耦合線圈,若軌道電路G3 故障,列車必須到下一軌道耦合線圈才開始制動。而對連續(xù)傳輸方式來說,在列車當前位置即能進行制動。此外,點式傳輸方式下,列車一旦制動停下,由于收不到新的速度命令,列車無法在A TP 模式下繼續(xù)運行,這種情況在站臺前一個軌道電路尤其容易發(fā)生。為此,必須在信號機前鋪設(shè)感應環(huán)線,保證列車在到達信號機及軌道耦合線圈前得到從“停止”改為“ 前進”的信號變化信息。即用局部的連續(xù)方式彌補點式傳輸?shù)牟糠植蛔恪｜c式的目標距離方式可以用于列車運行密度不高、運行間隔較大、安全要求一般的鐵路和輕軌系統(tǒng),而用于高密度的地鐵和輕軌系統(tǒng)會有很大的弊端。
圖1 不同A TP 控制模式制動曲線的比較
綜上所述,就A TP 控制模式而言,3 號線的目域的TWC 環(huán)線交叉來實現(xiàn)的。TWC -2000 用于標距離方式是目前上海市軌道交通系統(tǒng)中最為先車地通訊、傳遞車次號和A TO 命令等。它具有一次模式曲線,運行速度較高;列車的模式曲線由車載設(shè)備決定,列車可根據(jù)自身情況進行運行間隔的優(yōu)化;目標距離方式減少了列車運行間隔對軌道電路劃分的依賴性,為今后向更先進的移動閉塞方式升級提供了可能。而2 號線的目標速度方式次之,1 號線的速度碼方式較為落后。5 號線的點式傳輸目標距離方式只能用于要求較低的鐵路和輕軌系統(tǒng)。當然,3 號線A TP 車載設(shè)備的頭尾冗余方式在可用性上略有欠缺。
5 列車自動運行系統(tǒng)的比較
目前,5 號線不具有列車自動運行(A TO) 功能,其余3 條線的A TO 系統(tǒng)都為單套。
1 號線的停車精度為±25 cm 。精確的車站停車是通過距停車點350 m 、150 m 、25 m 處的無源標志線圈以及8m 處的有源標志線圈實現(xiàn)的。A TO 命令和車次號是通過車地通信子系統(tǒng)(TWC) 傳遞的。A TO 具有5 個運行等級。
2 號線的停車精度為±50 cm , 精確的車站停車是應用軌道電路ID 和邊界的轉(zhuǎn)換以及車站區(qū)
3 號線的停車精度為±50 cm 。精確的車站停車是應用A TO 的距離計算和STIB 、M TIB 和RB 來實現(xiàn)的。TWC 用于車地通訊、傳遞車次號和A TO 命令等。
在以上系統(tǒng)中,由于3 號線的A TO 設(shè)備較新, 且充分考慮了車輪打滑、避免急速制動和啟動等因素,技術(shù)較為先進。但地鐵1 號線的停車精度是最高的。
6 列車自動監(jiān)控系統(tǒng)的比較
上海現(xiàn)有的軌道交通線的列車自動監(jiān)控(A TS) 系統(tǒng)均采用了客戶機/ 服務器方式,具有相同或相近的功能,但在具體實現(xiàn)上有所不同。
1 號線A TS 系統(tǒng)在中控室采用雙局域網(wǎng)連接,主機及通訊前置機為雙機熱備,大屏顯示采用馬賽克表示屏。車站采用工業(yè)單板機D TM 系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng),采用馬賽克控制臺。中控室同車站間通過MODEM 進行點對點連接,通訊速率為2 400 bit/ s。
2 號線A TS 系統(tǒng)在中控室采用雙局域網(wǎng)連接,主機及通訊前置機為雙機熱備,采用背投作為大屏顯示。中控室同車站間通過路由器進行點對點連接,中控室和車站間組成廣域網(wǎng)連接。
3 號線A TS 系統(tǒng)在中控室采用雙局域網(wǎng)連接,主機及通訊前置機為雙機熱備,采用背投作為大屏顯示。車站采用雙局域網(wǎng)連接,車站A TS 服務器為雙套冗余,控制臺為單套。中控室同車站間通過路由器進行點對點連接,通道雙套冗余,中控室和車站間組成廣域網(wǎng)連接。
5 號線A TS —V ICOS OC 系統(tǒng)在中控室為單網(wǎng)連接,采用PROFIBUS 現(xiàn)場總線,負責列車自動跟蹤和列車自動排路的計算機雙套冗余。車站采用雙套PROFIBUS 網(wǎng),同中控室的連接也通過雙套PROFIBUS 網(wǎng),車站控制臺為單套。
在所有的A TS 系統(tǒng)中,3 號線的A TS 系統(tǒng)采用了雙局域網(wǎng)和雙廣域網(wǎng)連接,具有較高的技術(shù)先進性。
綜上所述,在上海的軌道交通系統(tǒng)中,3 號線的A TC 系統(tǒng)技術(shù)最為先進。目前,采用連續(xù)的數(shù)字無絕緣軌道電路進行A TP 信息傳輸是主流,音頻軌道電路已經(jīng)基本淘汰,點式傳輸不適合于高密度和高安全的地鐵和輕軌系統(tǒng);在A TP 控制模式中,目標距離方式同速度碼方式和目標速度方式相比具有很大的優(yōu)越性,雖然移動閉塞是目前的最新潮流,但目標距離方式更為成熟; 在A TO 系統(tǒng)和A TS 系統(tǒng)方面,3 號線也是最為先進的,更為重要的是,3 號線的A TS 系統(tǒng)已實現(xiàn)全面的國產(chǎn)化,對進一步提高地鐵和輕軌系統(tǒng)的國產(chǎn)化率具有重要的意義。
對上海軌道交通的A TC 系統(tǒng)進行比較,主要是為了找出一個技術(shù)較為先進的系統(tǒng),逐步規(guī)范A TC 系統(tǒng)的制式;同時,也是為了在吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,開發(fā)全面國產(chǎn)化的A TC 系統(tǒng),這對進一步降低地鐵、輕軌A TC 系統(tǒng)的造價具有重要的意義。
