摘 要 上海轨道交通既有的信号控制系统各不相同。针对上海轨道交通1 号线、2 号线、3 号线(明珠线一期) 以及5 号线(莘闵轻轨交通线) 的列车自动控制(ATC) 系统,在轨道电路、微机联锁、ATP 、ATO 、A TS 等方面进行了比较和分析,并对上海轨道交通线A TC 系统所应采取的制式进行了初步的探讨。
关键词 城市轨道交通,列车自动控制,列车自动保护,列车自动运行,列车自动监控,轨道电路
目前,既有上海轨道交通线所采用的列车自动控制系统(A TC 系统) 各不相同。上海轨道交通1 号线采用了美国GRS 公司(现为AL STOM 公司的一部分) 的A TC 系统,上海轨道交通2 号线采用了美国USS 公司的技术,上海轨道交通3 号线(明珠线一期) 采用了法国ALSTOM 公司的A TC 技术, 而上海轨道交通5 号线(莘闵轻轨线) 采用了德国SIEMENS 公司的设备。下面从不同的方面对这四套系统进行比较。
1 上海轨道交通A TC 系统概况
1 号线(地铁1 号线) 一期工程北起上海火车站,南至上海南站,后南延伸至莘庄。1 号线及南延伸共计16 个车站,约22 km , 设7 个信号设备集中站和一个车辆段,现已全线开通使用。1 号线北延伸自上海火车站起向北延伸12. 5 km , 经过8 个车站,终点站为泰和路,设4 个设备集中站。1 号线是一个重轨运输系统,采用灵活的6 节编组(具备将来8 节编组升级的能力),并装备了列车自动控制系统(A TC) 的全套设备。车载A TP 设备双套冗余,A TO 设备单套。
2 号线(地铁2 号线) 西起浦西的中山公园,东至浦东的张江站,现有13 座车站,全程18. 16 km , 设有4 个联锁集中站和2 个非联锁集中站。2 号线正向运行实现完全的自动控制, 包括A TP 、A TO 、A TS 功能。车载A TP 设备双套冗余,A TO 设备单套。
3 号线(明珠线一期) 由漕河泾至江湾镇,全程24. 975 km , 共包括19 个车站、一个车辆段。系统中共设10 个设备集中站。控制中心设于宝兴路站控制中心。3 号线装备了全套的A TC 系统,车辆采用6 节编组和8 节编组。
5 号线(莘闵轻轨线) 由莘庄站至天星站,全长约17 km 。正线共设13 座旅客车站,除莘庄站为地面车站外,其余均为高架车站。系统设5 个联锁集中站。5 号线装备了全套的A TP 、A TS 系统, A TO 功能没有要求,车辆采用6 节编组和8 节编组。
2 轨道电路的比较
轨道交通1 号线采用音频无绝缘轨道电路,将4 种列车检测载频调制在2 个码率上,并有序地使用在线路上,以达到列车检测的目的。机车信号载频为2 250 Hz , 调制在10 个码率上,以向列车传输8 个速度码(1 个预留) 、2 个开门信息;同时,无码表示停车信息。
2 号线采用AF -902 和AF -904 数字式无绝缘轨道电路检测列车的位置。轨道电路采用9. 5 ～16. 5 kHz 的载频,用频移键控(FSK) 方式进行调制,向列车传送信息,传输速率为200 bit/ s。轨道电路向车载设备传送的信息除信息头和CRC 校验外,还包括轨道电路号、运行方向、下一个载频、线路限速、目标速度和停稳信息等。
3 号线采用D TC921 -1 型无绝缘Digicode 数字轨道电路,D TC921 -1 可分别采用8 个不同的载频进行信息传输,用MSK 方式进行调制。Digi2 code 用于列车检测时传输速率为400 bit/s , 与SACEM 地对车通讯时为500 bit/s , 支持双向传输,在地铁中仅用了地到车通讯。轨道电路向车载设备发出的报文包括长报文(区段的进路地图) 和短报文(区段的轨道电路和道岔的状态) 。
5 号线采用FTGS 音频无绝缘轨道电路,用S -bond 电气隔离接头进行分割,轨道电路具有4 个频率。系统经数据传输点(轨道耦合线圈) 点式向车载设备传输信号和线路信息,也可用环线进行连续传输。轨道耦合线圈使用FSK 制式,传输速率为50 kbit/ s。
就轨道电路而言,3 号线采用的技术是最为先进的。它实现了地面设备向车载设备连续传送A TP 所需信息,且具有500 bit/ s 的较高传输速率。较为可惜的是,它的双向传输功能并没有发挥作用。
3 联锁设备的比较
1 号线和南延伸采用6502 继电联锁,北延伸采用V PI 计算机联锁系统。VPI 计算机联锁是以“数字集成安全保障逻辑(N ISAL) ”为基础,采用“故障-安全”设计的专用联锁机系统。系统为双机热备方式。
2 号线采用M ICROLOCKII 计算机联锁系统, 系统为双机热备方式。M ICORLOCK 单元分为处理安全信号的“IML K”(联锁M ICROLOCK) 和“TML K”(轨道M ICROLOCK) 。
3 号线采用ASCV (V PI2) 计算机联锁系统。ASCV 系统保持了数字集成安全保障逻辑(N ISAL) 等技术,并对CPU 速度和系统容量进行了全面升级,为双机热备系统。5 号线采用SIM IS 计算机联锁系统,3 取2 工作方式,并采用了分散式设备接口模块。系统具有较高的可靠性、可用性和适应能力。
上述各轨道交通线的联锁系统中,5 号线的3 取2 系统具有较高的可靠性,技术较为先进。
4 列车自动保护系统的比较
1 号线采用头、尾各双套冗余的车载设备,其列车自动保护(A TP) 系统基于速度码方式,共有8 个速度码。列车最高速度为80 km/ h , 运行间隔120 s , 设计间隔100 s 。
2 号线采用头、尾各双套冗余的车载设备,基于目标速度方式。设计间隔100 s 。
3 号线采用SACEM 系统,地面设备为3 取2 系统,车载设备头、尾主/ 备双重配置。基于目标距离方式。地面设备向车载设备传送区段的进路地图、区段的轨道电路和道岔的状况,由车载设备进行制动曲线的计算。系统靠静态列车初始化应答器(STIB) 、动态列车初始化应答器(M TIB) 和重新定位应答器(RB) 来进行列车的定位和重新定位。设计间隔100 s 。
5 号线采用点式发码非连续式地对车通讯,车载设备为2 取2 方式。系统基于目标距离方式。运行间隔163 s , 最小设计间隔130 s 。各A TP 系统的控制模式曲线如图1 所示。
从图1 可以看出,目标距离方式采用了一次模式曲线,A TP 系统可以从列车运行点开始至列车的停车点通盘考虑列车的最高运行速度。在相同的轨道电路设置情况下,目标距离方式运行速度最高,所用时间最少。
目标速度方式可根据初始速度和目标速度及轨道电路的实际情况,在每个轨道电路的范围内计算出最佳模式曲线。目标速度在整体上被分割为阶梯型曲线,无法在整体上达到最优。同时,由于目标速度方式是由地面设备决定列车运行速度的, 系统必须考虑最差列车的情况,所以,列车的防护距离较长。
而速度码方式,A TP 系统几乎为被动接受控制的系统。在接收到速度码后,A TP 系统保证列车按最新的速度要求运行。由于速度码考虑的是整个轨道电路的最低速度,所以列车运行速度较低,这种情况在轨道电路G1 表现最为明显。轨道电路G1 的速度需为0 , 这就意味着列车一进入轨道电路G1 , 必须立即制动,且前一轨道电路G2 速度不能太高。
同样是目标距离方式,3 号线同5 号线又有很大的差别。由于5 号线通过数据传输点(轨道耦合线圈) 点式传输信号和线路信息,轨道耦合线圈安装在信号机或速度限制区域前。当线路情况发生突变时,车载设备无法及时作出响应。图1 中,列车刚过轨道电路G6 的轨道耦合线圈,若轨道电路G3 故障,列车必须到下一轨道耦合线圈才开始制动。而对连续传输方式来说,在列车当前位置即能进行制动。此外,点式传输方式下,列车一旦制动停下,由于收不到新的速度命令,列车无法在A TP 模式下继续运行,这种情况在站台前一个轨道电路尤其容易发生。为此,必须在信号机前铺设感应环线,保证列车在到达信号机及轨道耦合线圈前得到从“停止”改为“ 前进”的信号变化信息。即用局部的连续方式弥补点式传输的部分不足。点式的目标距离方式可以用于列车运行密度不高、运行间隔较大、安全要求一般的铁路和轻轨系统,而用于高密度的地铁和轻轨系统会有很大的弊端。
图1 不同A TP 控制模式制动曲线的比较
综上所述,就A TP 控制模式而言,3 号线的目域的TWC 环线交叉来实现的。TWC -2000 用于标距离方式是目前上海市轨道交通系统中最为先车地通讯、传递车次号和A TO 命令等。它具有一次模式曲线,运行速度较高;列车的模式曲线由车载设备决定,列车可根据自身情况进行运行间隔的优化;目标距离方式减少了列车运行间隔对轨道电路划分的依赖性,为今后向更先进的移动闭塞方式升级提供了可能。而2 号线的目标速度方式次之,1 号线的速度码方式较为落后。5 号线的点式传输目标距离方式只能用于要求较低的铁路和轻轨系统。当然,3 号线A TP 车载设备的头尾冗余方式在可用性上略有欠缺。
5 列车自动运行系统的比较
目前,5 号线不具有列车自动运行(A TO) 功能,其余3 条线的A TO 系统都为单套。
1 号线的停车精度为±25 cm 。精确的车站停车是通过距停车点350 m 、150 m 、25 m 处的无源标志线圈以及8m 处的有源标志线圈实现的。A TO 命令和车次号是通过车地通信子系统(TWC) 传递的。A TO 具有5 个运行等级。
2 号线的停车精度为±50 cm , 精确的车站停车是应用轨道电路ID 和边界的转换以及车站区
3 号线的停车精度为±50 cm 。精确的车站停车是应用A TO 的距离计算和STIB 、M TIB 和RB 来实现的。TWC 用于车地通讯、传递车次号和A TO 命令等。
在以上系统中,由于3 号线的A TO 设备较新, 且充分考虑了车轮打滑、避免急速制动和启动等因素,技术较为先进。但地铁1 号线的停车精度是最高的。
6 列车自动监控系统的比较
上海现有的轨道交通线的列车自动监控(A TS) 系统均采用了客户机/ 服务器方式,具有相同或相近的功能,但在具体实现上有所不同。
1 号线A TS 系统在中控室采用双局域网连接,主机及通讯前置机为双机热备,大屏显示采用马赛克表示屏。车站采用工业单板机D TM 系统作为数据传输和控制系统,采用马赛克控制台。中控室同车站间通过MODEM 进行点对点连接,通讯速率为2 400 bit/ s。
2 号线A TS 系统在中控室采用双局域网连接,主机及通讯前置机为双机热备,采用背投作为大屏显示。中控室同车站间通过路由器进行点对点连接,中控室和车站间组成广域网连接。
3 号线A TS 系统在中控室采用双局域网连接,主机及通讯前置机为双机热备,采用背投作为大屏显示。车站采用双局域网连接,车站A TS 服务器为双套冗余,控制台为单套。中控室同车站间通过路由器进行点对点连接,通道双套冗余,中控室和车站间组成广域网连接。
5 号线A TS —V ICOS OC 系统在中控室为单网连接,采用PROFIBUS 现场总线,负责列车自动跟踪和列车自动排路的计算机双套冗余。车站采用双套PROFIBUS 网,同中控室的连接也通过双套PROFIBUS 网,车站控制台为单套。
在所有的A TS 系统中,3 号线的A TS 系统采用了双局域网和双广域网连接,具有较高的技术先进性。
综上所述,在上海的轨道交通系统中,3 号线的A TC 系统技术最为先进。目前,采用连续的数字无绝缘轨道电路进行A TP 信息传输是主流,音频轨道电路已经基本淘汰,点式传输不适合于高密度和高安全的地铁和轻轨系统;在A TP 控制模式中,目标距离方式同速度码方式和目标速度方式相比具有很大的优越性,虽然移动闭塞是目前的最新潮流,但目标距离方式更为成熟; 在A TO 系统和A TS 系统方面,3 号线也是最为先进的,更为重要的是,3 号线的A TS 系统已实现全面的国产化,对进一步提高地铁和轻轨系统的国产化率具有重要的意义。
对上海轨道交通的A TC 系统进行比较,主要是为了找出一个技术较为先进的系统,逐步规范A TC 系统的制式;同时,也是为了在吸收国外先进技术的基础上,开发全面国产化的A TC 系统,这对进一步降低地铁、轻轨A TC 系统的造价具有重要的意义。
