基于无线通信的列车控制技术与互联互通
摘 要 分析了基于无线通信的列车控制系统的技术经济发展促进了A TC 系统从一个以硬件为基础向以软优势。采用基于无线通信的列车控制系统可实现互联互通, 并有利于设备的国产化。结合国外实施互联互通的经验和中国国情,指出该技术对于上海新线建设及将来的互联互通是一种可行的方案。
关键词 列车自动控制, 无线通信的列车控制, 互联互通
基于通信的列车控制(Communication2Based Train Control , 简为CB TC) 系统采用先进的通信、计算机技术,对列车实现连续控制。它摆脱了轨道电路对列车占用的判别方式,突破了固定闭塞的局限性,可以实现移动闭塞。本文将从列车控制技术的发展着手,探讨无线CB TC 的技术经济优势及对于实现互联互通和项目设备国产化的优越性,并对其在国内的应用前景提出了看法。
1 列车控制技术的发展和CBTC
列车自动控制(A TC) 系统的发展依赖于市场的需求以及各种新兴的技术基础。过去25 年中微处理器的发展以及过去5 年中移动通信的发展, 对A TC 技术的发展产生了重要的影响。微处理器的件为基础的系统的演变,而移动通信技术的发展也将极大影响A TC 系统发展的进程(见图1) [ 2 ] 。
图1 列车控制技术的发展
无线CB TC 采用无线通信系统,通过开放的数据通信网络实现了列车与轨旁设备实时双向通信, 信息量大,并通过采用基于IP 标准的列车控制结构,可以在实现列车控制的同时附加其它功能(如安全报警、员工管理及乘客信息发布等) 。
目前国际上诸如Alcatel , Alstom , Siemens , Bombardier 和Westinghouse 等信号供应商。均开发出了各自的CB TC 系统并在全球得到了广泛的应用。
2 无线CBTC 与互联互通
2. 1 无线CBTC 的技术与经济优势
由于无线CB TC 可采用移动闭塞的制式,列车能以较小的间隔运行,可使运营商实现“ 小编组,高密度”的运营模式,这使系统可在同样满足客运需求的基础上,缩短旅客的候车时间,缩小站台长度和候车空间,降低基建投资;同时,由于系统核心通过软件实现,使其在硬件数量上大大减少,因而可以降低维修费用,从而降低系统生命周期成本。
2. 2 采用无线CBTC 可实现互联互通
在城市轨道交通领域,互联互通指的是接口间的列车控制的安全标准、导轨的模型化以及列车控制信息传递协议等。因此,要达到真正的互联互通, 就必须重新设计系统接口[ 3 ] 。由于无线CB TC 的各控制子系统间的逻辑接口均通过数据通信系统实现,数据通信系统采用开放式的国际标准后,子系统间的接口也可实现标准化;而通过采用序列号、循环冗余校验等方法进行对安全关联数据的保护和接入防护,可有效保证开放数据通信系统的数据安全,因此采用无线CB TC 将会有利于实现互联互通。
在对既有的点式列车自动防护(A TP) 传输系统或编码数字轨道电路的改造中,采用无线CB TC 对其车载设备和轨旁设备进行一定的改造后(主要是增加网络接口和无线控制子系统),可实现既有信号系统与无线CB TC 的叠加,从而达到既有线路与新的无线CB TC 线路的互联互通。
通过模块化的结构、强有力的接口设计和事件描述,无线CB TC 强调系统应用层和开发层的独立性,而强调应用层之间的接口标准。采取开放式的国际标准可以使国内厂商从系统部分元件的国产化着手(如通信系统等),逐步实现整个系统的国产化。
2. 3 国外的互联互通项目
2. 3. 1 欧洲的城市轨道交通管理系统U GTMS
城市轨道交通管理系统(Urban Guided Transport Management System , 简为U GTMS) [4 ] 是由欧洲委员会于2000 年提出的一个研究项目,旨在欧洲范围内建立一个城市轨道交通领域内的共同标准和规则,以提高公共交通系统的使用效率和安全,降低系统和社会成本,并使交通系统更加灵活以满足运营商的需要。项目的参与者来自于运营商、系统供应商和科研院校。研究范围包括: 信号与联锁、列车控制、列车管理系统、供电监控及维护辅助系统等。U GTMS 的目标是定义一个完全开放系统的功能、系统要求及接口的规范。
U GTMS 分三个阶段进行:第一个阶段的主要任务是回顾和评价欧洲铁路运输管理系统(ER TMS) 的功能需求规格书,进行ER TMS 以及柏林、伦敦、马德里、纽约和巴黎的先进项目与U GTMS 的基准比较( Benchmarking ) , 定义U GTMS 的功能需求规格书(FRS) 。第二个阶段将完成FRS , 建立系统需求规范书(SRS) ,建立功能接口标准I/ F 形式/ 安装/ 功能接口规范书(FORM Fit Functional Interface Specifications , 简为FFFIS) 。第三个阶段将进行实际规模的示范线试验。
与U GTMS 同时进行的还有国际电联IEC(In2 ternational Electro2technical Commission) 的标准化项目IEC W G40 , 旨在建立城市轨道交通线路、线网的交通控制,以及管理系统的功能、系统和接口规范。共有7 个国家(法、中、加、日、德、意、美) 及15 个运营商和供应商参与这个标准化项目。
2. 3. 2 巴黎公共运输局(RA TP) 的地铁13 号线
经过公开招标,RA TP 选择了阿尔卡特的6530 Seltrac S30 作为地铁13 号线的解决方案。该技术将使列车的运行间隔从现有的105s 缩至90s 。它采用无线数据通信,通过虚拟闭塞方式来提高线路通过能力。系统可实现列车自动运行(A TO) 和列车自动防护(A TP) 功能。此外,设计上的模块化使系统可实现线路的混合模式运行,并预留了向无人驾驶模式发展的空间。为了不影响线路的正常运营, 升级改造工作均在晚间进行。阿尔卡特的系统可以叠加在现有的系统之上,因此可以顺利完成系统的升级改造。13 号线将于2005 年完成现场测试。
对于互联互通的接口标准, RA TP 采用开放的国际标准而不是由某个企业作为”领跑者”制定。据悉,巴黎3 、5 号线的信号系统升级也已开始公开招标,并且这次招标是将系统的车载部分、轨旁部分和通信系统部分分成了5 个合同包分别进行招标,其中车载2 个,轨旁2 个,通信系统1 个。
2. 3. 3 纽约地铁(N YCT) 的Canarsie 线
在Canarsie 项目一期中,N YCT 要求3 个供应商在一个信号改造区段示范其CB TC 技术。经过示范, N YCT 认为CBTC 是最适合改造其信号系统并实现互联互通的方案,并选择了一家供应商(Siemens) 作为项目“领跑者”和另外两家供应商(Alcatel ,Alstom) 作为“跟随者”。在项目二期, CB TC 将被安装并作为N YCT 的CBTC 技术的标准。按照安装合同,“ 领跑者”必须提供详细的互联互通的接口规范以便两个“跟随者”能按照规范生产兼容产品并进行示范试验。
对于互联互通的气隙接口标准,纽纽地铁采用了由“领跑者”制定的非开放的标准,Alcatel 决定购买其通信设备,而Alstom 决定开发兼容产品。
3 在中国城市轨道交通的应用
3. 1 在武汉和广州的应用
2002 年5 月,武汉轻轨率先一步,决定使用阿尔卡特公司的Seltrac S40 系统。该系统采用移动闭塞技术,能够实施可靠的列车自动监控(A TS) 并能使4 节编组列车以80 km/ h 的最高速度在高架双线上安全运行。系统通过指挥中心的主电脑控制列车运行,可实现无人驾驶、定点停车和无人自动折返,但为了安全需要仍配备了司机。系统采用车载信号系统,另外仍安装轨旁信号机以作应急用。此外,系统还设有一套“功能后退模式”,以确保在极罕见的情况下系统发生了影响正常运营的故障时运营不会中断。其首期工程将在2004 年投入运营。
2003 年5 月,广州地铁3 号线也决定采用Seltrac S40 作为其列车控制系统。该系统可使列车行驶速度高达120 km/h , 并大大缩短行车间隔,从而大幅度提高运营效率。该线将在2006 年投入运营。
3. 2 在上海的应用前景
随着通信及计算机技术的不断发展,采用无线CB TC 作为新的列车控制技术或替代原有的信号系统已经成为国际上大多运营商的共识。
上海目前的5 条轨道交通线路采取了4 种不同的信息制式,互不兼容。按照市委和市政府“站高一点,看远一点,想深一步”的精神,考虑到上海市轨道交通即将形成网络的前景,对新建线路信号系统的规范化以及对既有信号系统的升级改造以实现全网的互联互通已经成为当务之急[ 5 ] 。因此, 在选择A TC 系统技术与制式时,必须充分考虑以下几点:
第一,有利于实现不同线路间的互联互通,应采取开放式的国际标准而非某一家供应商的标准;
第二,积极吸取国内外的经验教训,开放市场, 鼓励竞争,减少备件品种,防止垄断,减少培训,降低系统的生命周期成本,实现系统可持续发展;
第三,对于新建线路,必须充分考虑成本-效益比,以及为将来的系统升级预留空间;
第四,对既有线路的升级改造,必须考虑既有系统的充分利用和近期实施的可能性,分步实施,逐步升级。
无线CB TC 具有卓越的技术经济优势,同时由于采取了开放的国际标准,使系统有可能实现互联互通, 并有利于实现项目设备国产化, 因此无线CB TC 在国内的应用前景是十分广泛的。
参考文献
1 黄钟. 上海城市轨道交通A TC 系统的发展策略. 城市轨道交通研
究,2003(1) :6
2 Alcatel TSD. Seltrac 移动闭塞系统结构和功能. 2003
3 Peter L udikar. Taking a logical approach offers interoperability bene2 fits. Railway Gazatte International. J une 2002 :307
4 Jean2Paul Richard. Strategies and guidelines to upgrade/ standardize urban railway signalling systems. U GTMS first issue final report , Jan. 2002
5 陈永生,徐金祥. 上海轨道交通信号制式的多样性及其对策. 城市轨道交通研究,2002(4) :29
