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(jī)聯(lián)鎖、ATP 、ATO 、A TS 等方面進(jìn)行了比較和分析,并對上海軌道交通線A TC 系統(tǒng)所應(yīng)采取的制式進(jìn)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(hù),列車自動運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(dá)到列車檢測的目的。機(jī)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(yù)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(jìn)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(yùn)行方向、下一個載頻、線路限速、目標(biāo)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(jìn)行信息傳輸,用MSK 方式進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。VPI 計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)為雙機(jī)熱備方式。
2 號線采用M ICROLOCKII 計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng), 系統(tǒng)為雙機(jī)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(jī)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(jìn)行了全面升級,為雙機(jī)熱備系統(tǒng)。5 號線采用SIM IS 計算機(jī)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(yīng)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(jìn)。
4 列車自動保護(hù)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(hù)(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(yùn)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(biāo)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(biāo)距離方式。地面設(shè)備向車載設(shè)備傳送區(qū)段的進(jìn)路地圖、區(qū)段的軌道電路和道岔的狀況,由車載設(shè)備進(jìn)行制動曲線的計算。系統(tǒng)靠靜態(tài)列車初始化應(yīng)答器(STIB) 、動態(tài)列車初始化應(yīng)答器(M TIB) 和重新定位應(yīng)答器(RB) 來進(jìn)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(biāo)距離方式。運(yùn)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(biāo)距離方式采用了一次模式曲線,A TP 系統(tǒng)可以從列車運(yùn)行點開始至列車的停車點通盤考慮列車的最高運(yùn)行速度。在相同的軌道電路設(shè)置情況下,目標(biāo)距離方式運(yùn)行速度最高,所用時間最少。
目標(biāo)速度方式可根據(jù)初始速度和目標(biāo)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(biāo)速度在整體上被分割為階梯型曲線,無法在整體上達(dá)到最優(yōu)。同時,由于目標(biāo)速度方式是由地面設(shè)備決定列車運(yùn)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(hù)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(biāo)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(jī)或速度限制區(qū)域前。當(dāng)線路情況發(fā)生突變時,車載設(shè)備無法及時作出響應(yīng)。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(dāng)前位置即能進(jìn)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(yùn)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(jī)前鋪設(shè)感應(yīng)環(huán)線,保證列車在到達(dá)信號機(jī)及軌道耦合線圈前得到從“停止”改為“ 前進(jìn)”的信號變化信息。即用局部的連續(xù)方式彌補(bǔ)點式傳輸?shù)牟糠植蛔恪｜c式的目標(biāo)距離方式可以用于列車運(yùn)行密度不高、運(yùn)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(biāo)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(yùn)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(jìn)行運(yùn)行間隔的優(yōu)化;目標(biāo)距離方式減少了列車運(yùn)行間隔對軌道電路劃分的依賴性,為今后向更先進(jìn)的移動閉塞方式升級提供了可能。而2 號線的目標(biāo)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(biāo)距離方式只能用于要求較低的鐵路和輕軌系統(tǒng)。當(dāng)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(yùn)行系統(tǒng)的比較
目前,5 號線不具有列車自動運(yùn)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(biāo)志線圈以及8m 處的有源標(biāo)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(yùn)行等級。
2 號線的停車精度為±50 cm , 精確的車站停車是應(yīng)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(yīng)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(jìn)。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(jī)/ 服務(wù)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(jī)及通訊前置機(jī)為雙機(jī)熱備,大屏顯示采用馬賽克表示屏。車站采用工業(yè)單板機(jī)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(jìn)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(jī)及通訊前置機(jī)為雙機(jī)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(jìn)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(jī)及通訊前置機(jī)為雙機(jī)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(wù)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(jìn)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(fù)責(zé)列車自動跟蹤和列車自動排路的計算機(jī)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(jìn)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(jìn)。目前,采用連續(xù)的數(shù)字無絕緣軌道電路進(jìn)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(biāo)距離方式同速度碼方式和目標(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行比較,主要是為了找出一個技術(shù)較為先進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步降低地鐵、輕軌A TC 系統(tǒng)的造價具有重要的意義。
