城市轨道交通列车控制系统(信号)的发展及展望

1、前,中国已经开通轨道交通的有北京、上海、天津、广州、长春、大连、深圳、武汉、南京、重庆等10座城市,25条线路,运行线路总里程超700公里,在建线路达837公里,预计“十一五”期间将有超过1500公里的轨道交通投入运行。此外,在中国48座百万人口以上的特大城市中,已经有30多座城市开展了城市轨道交通建设的前期工作,20多个城市上报了轨道交通网规划方案,规划线路62条,总长约1700公里,总投资6200多亿元。一方面,中国的城市轨道交通建设规模空前,方兴未艾;另一方面,机电系统如车辆、牵引及信号控制等依赖国外供货的局面仍制约着中国城市轨道交通建设的开展。车辆牵引系统的国产化已取得阶段性成果,而地

2、铁轻轨的信号控制系统的国产化还处于举步维艰的阶段。信号系统已成为中国城市轨道交通建设的关键瓶颈,政府部门在思索良策,地铁轻轨业主呼吁国内有社会责任感的公司提供自主知识产权的信号系统,以打破垄断、改变目前受制于人的窘境。列车控制系统(信号所有的地铁轻轨均离不开核心的控制设备列车运行自动控制系统ATC(Automatic Train Control,它包括三个子系统:列车超速防护系统ATP(Automatic Train Protection;列车自动驾驶系统ATO(Automatic Train Operation;列车自动监控系统ATS(Automatic Train Supervision。

3、ATP子系统为ATC系统的安全核心,负责列车间的安全间隔、超速防护、进路控制及车门与站台门的安全监控,包括正线联锁、车载和地面设备等。ATO子系统在ATP子系统的安全防护条件下使用,负责列车车速的调整和控制列车的运行。完成牵引、惰行和制动操作,实现列车的站间运行、车站的定点停车、折返控制等。它有利于行车效率的控制、列车节能、提高旅客乘坐的舒适度和减轻司机的劳动强度。ATO子系统控制的重点是进行列车运行正点控制、舒适度控制和精确度控制。ATS子系统为ATC系统的上层环节,重点管理监督、控制、协调列车运行,根据客流与实际运行情况,选定并管理执行运行图,信号系统与其他系统的接口通常通过ATS子系统来

4、实现。ATS子系统主要由中央计算机及相关显示、控制列车记录设备以及车站ATS设备构成。中国国内的列车运行自动控制系统(信号关键的技术要素有几个:其一是列车与地面的信息传输方式,其二是速度控制模式。闭塞:用信号或凭证,保证列车按照空间间隔制运行的技术方法(见铁标TB454-81, P79页,闭塞用来控制列车运行。空间间隔制就是前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离的行车方法,如果二个车站之间只允许一列车运行,闭塞分区的长度为二站之间的距离,那么称作站间闭塞。特点是确保了安全,缺点是效率低。为了在确保安全的前提下,提高列车运行效率,在二个车站之间划分成若干分区,称作闭塞分区。在确保同一时间同一分区

5、内,同一方向只有一列车在运行,效率提高,这种控制方式叫自动闭塞。自动闭塞的定义是根据列车运行及有关闭塞分区状态,自动变换通过信号机显示司机凭证信号行车的闭塞方式(见铁标TB454-81,P82页。实现自动闭塞的技术手段有多种,列车与地面之间的信息传输采用轨道电路、计轴设备、电缆敷线、波导管及漏缆、无线等方式来划分闭塞分区。自动闭塞分为三类:固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。固定闭塞讨论固定闭塞前,先讨论轨道电路。轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体,并用引接线连接信号电源和接收设备所构成的电气回路。它是由钢轨、轨道绝缘、轨端接续线(减少两条钢轨接头处的电阻而增设的连线、引接线(将设备接向钢轨所

6、需的连线、送电设备及受电设备等主要元件所组成。轨道电路的基本工作原理:平时,列车未进入轨道电路,即线路空闲时,电流通过轨道继电器线圈,使它保持在吸起状态,接通信号机的绿灯电路,当列车进入轨道电路,即线路被占用时,电流同时通过轮对和轨道继电器,由于轮对电阻比轨道继电器线圈电阻小得多,形成很大的分流作用,并使电源输出电流显著加大,限流电阻R x 上的压降随之增加,送向两根钢轨间的电压降低,因而流经轨道继电器的电流减少到它的落下值,使轨道继电器释放衔铁,用继电器的后接点接通信号机的红灯电路,信号机红灯显示向续行列车发出停车信号,以保证列车在轨道电路区段内运行的安全。轨道继电器GJ 监督着轨道电路的工

7、作状态,继电器的接点又控制着信号机的显示,信号又指示着列车的运行,列车的运行又改变着轨道电路的工作状态,反复循环,从而实现信号自动控制。轨道电路能否正常工作,直接关系到行车安全和行车效率。为此对轨道电路提出下列要求。(1当轨道电路空闲且设备良好时,轨道继电器衔铁应可靠吸起。(2轨道电路在任何一点被列车占用时,即使只有一个轮对进入轨道电路,轨道继电器应立即释放衔铁。(3当轨道电路不完整时,断轨、断线或绝缘破损,轨道继电器应立即释放衔铁,关闭信号。(4对某些轨道电路,还应实现由轨道向列车传递信息的要求。由上述轨道电路的基本原理可知,利用轨道电路不仅可检查该线路区段内列车的有无(轨道电路的空闲与占用

8、,而且还可以在该段线路内无列车情况下,以该段线路作为通道由前方信号机向相邻的后方信号机传递控制信息,铁路信号技术的发展,还可使用钢轨与专用设备的电磁感应或无线联系向列车传递控制信息。列控系统采取分级控制模式时,采用固定闭塞方式,运行列车间的空间间隔是若干个闭塞分区,闭塞分区是以轨道电路或计轴装置来划分,具有列车空位和占用轨道的检查目的。固定闭塞的追踪目标点为前行列车所占用闭塞分区的始端,后行列车从高速开始制动的计算点为要求开始减速的闭塞分区的终端,二点固定空间间隔的长度固定,故称为固定闭塞;固定闭塞列控系统采取分级速度控制模式,把速度分级,每二个速度等级间存在一个速差,其对应的信号显示表达了速

9、差的意义,称为速差式信号显示,也称台阶式信号系统。固定闭塞的列车最小行车间隔约为100105秒。准移动闭塞(distance to go准移动闭塞方式的列控系统采用目标距离控制模式(又称连续式一次速度控制。目标距离控制模式根据目标距离、目标速度及列车本身的性能确定列车制动曲线,不必设定每个闭塞分区速度等级,采用一次制动方式。准移动闭塞的追踪目标点是前行列车所占用闭塞分区的始端,留有一定的安全距离。后行列车从最高速度开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点相对固定,在同一闭塞分区内不依前行列车的运行而变化,而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的;空

10、间间隔的长度是不固定的;其追踪运行间隔要比固定闭塞小一些。列车最小运行间隔约为8590秒。通常闭塞分区是用轨道电路或计轴装置来划分的,它具有列车定位和占用轨道的检查功能。由于目标点相对固定,故当前行列车在一闭塞分区内运行时,连续式一次速度控制曲线是相对稳定的;当前行列车出清闭塞分区时,目标点突然前移,目标距离突然改变,连续式一次速度控制曲线会发生跳变。列控系统采取目标距离控制模式,速度不分级,给出的连续式一次速度控制曲线式的信号显示,对应的信号显示制式为速度式信号显示。虚拟闭塞虚拟闭塞是准移动闭塞的一种特殊方式。它不设轨道占用检查设备和轨旁信号机,采取无线定位方式来实现列车定位和占用轨道的检查

11、功能。闭塞分区和轨旁信号机是以计算机技术虚拟设定的,仅在系统逻辑上存在有闭塞分区和信号机的概念,除了虚拟闭塞将闭塞分区和轨旁信号机均定义为虚拟的以外,其余等效于准移动闭塞。虚拟闭塞方式有条件将闭塞分区划分得很短,当短到一定程度时,其效率就接近于移动闭塞。移动闭塞移动闭塞的追踪目标点是前行列车的尾部,并留有一定的安全距离。后行列车从最高速度开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度以及列车本身的性能计算决定的,目标点是前行列车的尾部,与前行列车的运行和速度有关,是随时变化的。而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的,空间间隔的长度是不固定的,其追踪运行间隔要比准移动闭塞更小一些。列车最

12、小运行间隔约为80秒。移动闭塞一般采用无线通信和无线定位技术来实现。最先进的移动闭塞甚至要考虑前行列车的速度。技术发展趋势固定闭塞(台阶式信号系统模拟轨道电路为基础的综合控制系统,通常采用计算机或继电联锁,和车载机车信号配合,装备电子调度集中CTC,国内已有成熟的技术和应用业绩,中国通号的继电联锁、计算机联锁、车载ATP、轨道电路等已形成系列配套,卡斯柯公司的CTC在国内相对较成熟。大成公司对西屋的模拟轨道电路及相关产品实现了国产化。准移动信号系统数字轨道电路为基础的目标距离(Distance To Go模式控制系统,采用计算机联锁。车载装备ATC系统(包括ATP、ATO和ATS。国内只有部分

13、配套技术较成熟,数字轨道电路依靠引进或国内组装生产,核心的ATP、ATO均以引进为主。计算机联锁系统、ATS部分可由国内提供。中国通号利用国家国债项目的资金支持,开发出数字化的ATP子系统已在长春使用,ATO子系统已研制完毕;南京14所研制了联锁系统,并着手ATP的研制,但举步维艰;铁道科学研究院通号所、北京交大相继研制了ATP系统及计算机联锁;北京和利时公司也着手于联锁、ATP、CTC的研制,但均构不成系统产品;大成公司对西屋的数字轨道电路进行了许可证允许方式的生产。应该来说,中国通号在国内ATP、ATO、数字轨道电路这一领域的研发尚处于领先地位,当务之急是找到试验线扩大应用、争取政策扶持,

14、需要国家扶上马、送一程。CBTC是基于通信的列车控制系统,目前完全被国际上少数几个公司垄断,CBTC以列车与地面的传输信息方式来划分,分无线、环线、漏缆及波导管等几种,带环线的CBTC技术最成熟的是阿尔卡特,无线CBTC技术最成熟的是庞巴迪(已有较好的开通业绩。西门子、阿尔卡特号称已有无线CBTC技术,但实际情况是:阿尔卡特刚开了一条独轨拉斯维加斯机场线无线CBTC系统,但问题较多,已停运,尚在完善之中,业主方有更换系统的意图。阿尔卡特中标的上海地铁8号线信号系统因故比原计划推迟开通一年。西门子是兼并了法国马特拉公司而拥有了CBTC技术,环线的CBTC已有业绩,无线的CBTC至今尚未开通过一个

15、,在纽约地铁CBTC系统的改造中,进展不快。在中国国内的广州4、5号线,以及北京10号线均碰到了一些技术障碍,正在积极解决之中。此外,美国GE公司,英国西屋公司,法国CSEE公司,法国AREVA公司均在CBTC领域有涉足,但形不成竞争态势。美国GE公司兼并了美国哈门公司以后开通了一条无线CBTC系统。由于使用了美国休斯公司在伊拉克沙漠风暴中的军用技术,价格昂贵,无人进一步问津。西屋公司的CBTC采用漏缆,法国CSEE和AREVA公司声称拥有CBTC,但笔者于年初访问巴黎地铁时,了解到法国CSEE公司和AREVA公司的CBTC尚在研制实施之中。目前国内有几家单位正在对CBTC技术进行研发。北京交

16、大和北京地铁运营公司在北京市科委立项,据说样机已试完,准备现场试验。南京14所在试验室中已取得阶段性成果,铁科通号所注重研发,中国通号正在进行核心设备的深入研究,其余公司大都停留在理论探讨阶段。移动闭塞(Moving blocking:“德国得力风根公司的上一代无线CBTC通信平台已在上海磁悬浮无故障运行5年,如今他们全新的32Mpbs全双工无线通信TRainCom系统在慕尼黑及南京地铁均测试成功,据称高速500km/h下带宽不变、性能优异,希望在高铁及城市轨道交通领域大展身手,该系统今年将在巴塞罗那现代化程度高的地铁9号线安装完成并全面运用。从技术角度来讲,闭塞分固定闭塞和移动闭塞二种,目前

17、世界上最先进的信号系统是:移动闭塞(Moving Block,采用CBTC技术,并实现无人驾驶DTO(Driverless Train Operation,如庞巴迪公司的CITYFLO650系统。此外,还有移动闭塞,采用CBTC技术,半自动列车运行STO(Semi-Automatic Train Operation,如庞巴迪公司的CITYFLO450系统。国内对于移动闭塞和CBTC系统的概念经常产生混淆,国际上尚未有定论。目前趋向一致的说法是以闭塞分区的长度来区分。闭塞分区100米左右或超过100米的为固定闭塞,闭塞分区达到10米左右可称作移动闭塞,闭塞分区介于10米与100米之间,由CBTC

18、技术来实现。为了和大家的习惯保持一致,在本文中把移动闭塞和CBTC暂归为一类。对于移动闭塞的研发,国内尚处起步阶段,中国通号在铁路信号行业内有较深厚的技术基础,但是至今对移动的理念的确立,尚存在不同流派的争论,相信移动闭塞、CBTC是中国信号界研发的一个必须逾越的障碍,尚待时日来验证方案是否可行。对比分析移动闭塞CBTC系统的特点移动闭塞系统摆脱了用轨道电路判别列车对闭塞分区占用与否,突破了固定或准移动闭塞的局限性,具有更大的优越性和特点。(1 实现列车与轨旁设备实时双向通信且信息量大。(2 可减少轨旁设备,便于安装维修,有利于紧急状态下利用线路作为人员疏散的通道,有利于降低系统全寿命周期内的

19、运营成本。(3 便于缩短列车编组、高密度运行,可以缩短站台长度和端站尾轨长度,提高服务质量,降低土建工程投资;实现线路列车双向运行而不增加地面设备,有利于线路故障或特殊需要时的反向运行控制。(4 可适应各种类型、各种车速的列车,由于移动闭塞系统基本克服了准移动闭塞和固定闭塞系统地对车信息跳变的缺点,从而提高了列车运行的平稳性,增加了乘客的舒适度。(5 可以实现节能控制、优化列车运行统计处理、缩短运行时分等多目标控制。(6 移动闭塞系统,尤其是采用高速数据传输方式的系统,将带来信息利用的增值和功能的扩展,有利于现代化水平的提高。由于移动闭塞系统具有很高的实时性和响应性,因此,其对系统的完整性要求

20、高于其他制式的闭塞方式,系统的可靠性也应具有更高要求。系统传输的可靠性和安全性是系统关注的核心,尤其是利用自由空间波传输信息的基于无线的移动闭塞系统其可靠性和安全性的要求更高。移动闭塞CBTC系统存在的问题无疑,移动闭塞CBTC是发展方向,相信若干年以后,逐渐会成为城市轨道交通信号控制系统的主流模式,国际上有一些城市正在探索采用该系统。但是,由于中国城市轨道交通建设的规模是空前的,尚等不到移动闭塞CBTC技术成熟,国内的城市已纷纷争先恐后,相互攀比,竞相采用尚待完善的移动闭塞CBTC系统,有些常被人们忽视的特点,在这里不妨一谈。技术成熟度一个成熟的信号系统应该是以最简洁的系统来实现全部功能,但

21、移动闭塞(CBTC系统由于尚处于发展初期,地铁轻轨公司为保险起见,在选用移动闭塞(CBTC系统的同时,增加后备模式,以确保移动闭塞一旦故障或未及时开通时先以后备模式保证列车能以站间闭塞的方式运行。后备模式的选用,可谓保险但不经济,且技术风险(特别是自由无线传输骤增。如某国际知名公司已在中国市场获得了3条线的CBTC项目,但调试中出现的丢车问题,线性电机与信号系统的干扰问题,以及自由空间无线传输存在的干扰问题尚在解决之中。运行效率选用移动闭塞(CBTC最大的论据是提高运行效率,可缩短列车追踪运行间隔,但是,如文中所述,固定闭塞和准移动闭塞,及移动闭塞的区间最小运行间隔分别为120秒,85秒和80

22、秒,而运行间隔的瓶颈是端站的折返时间。一般端站的折返时间长达几分钟,缩短折返时间的方法是改变折返方式或追加折返线路等,故即使达到80秒的区间运行间隔,但折返效率即“一夫当关”,前功尽弃。实际运行线路很少达到 80 秒的间隔运行， 如北京 13 号线开通运营数年以后， 最近才在 早晚高峰时间达到 3.5 分的运行间隔。有些线路，信号设备的生命周期完结，在更新改造时 也刚达到 3 分钟间隔。选用移动闭塞（CBTC）有时犹如“大炮打蚊子”。 维护应用 移动闭塞（CBTC）的特点是减少了轨旁设备，但列车与轨旁传输方式中如采用波导、漏 缆或环线，这些设备不便于安装，不便于工务部门对钢轨的日常维修，且有些传输方式造成 车地通信效率较低等缺点。且移动闭塞（CBTC）由于采