城市轨道交通信号系统构成分析研究

甘肃科技

GansuScienceandTechnology

Vol.23　No.9Sep.　2007

城市轨道交通信号系统构成分析研究

吴　卫1,吕永宏2,刘红燕3

(1.兰州交通大学教务处,甘肃兰州730070;2.中铁一局集团电务工程有限公司,陕西西安710054;

3.西安通信学院,陕西西安710106)

摘　要:在城市轨道交通系统中,信号系统是保障运输安全与提高运营效益的重要设备。本文主要

对城市轨道交通信号系统的分类、特点和系统组成进行分析,从而在设计、设备选型中提供一定的帮助。

关键词:城市轨道;信号系统;分析中图分类号:U239.5

线半径一般在100～200米之间。例如:武汉轻轨轨道交通一号线、天津市津滨轻轨、广珠轻轨。

3)独轨交通。独轨交通;又称单轨交通。独轨交通又可以分为跨座式和悬挂式两种。跨座式独轨交通是车辆在一根走行轨道上行走,其重心位于走行轨道上方;悬挂式独轨交通是车辆悬挂于轨道梁上走行装置的下面,其重心处于轨道梁的下方。独轨交通有噪音低、振动小、对城市的景观及日照等影响小、通过小半径曲线能力和爬坡能力强等优点。例如:重庆跨座式独轨。

4)有轨电车。有轨电车:通常采用地面线,有时有隔离的专用路基和轨道,单向运输能力一般在1万人次/每小时以下。有轨电车运行所受的干扰多,速度慢,通行能力低。传统的有轨电车毕竟速度较慢、噪声较大,而制约其大规模高速度发展的最大瓶颈就是必须铺设轨道和架设线路。内地依然保留有轨公交电车的城市只剩下大连、长春、鞍山等几处。

1　引言

随着人们生活水平的稳步提高,生活节奏日益加快,城市的交通运输已成为影响和制约城市发展的重要因素。城市经济的快速发展和急速增长的客流势态,使得一些大中城市开始制定、实施城市轨道交通发展计划。北京、上海、广州、深圳等大城市纷纷扩大、升级各自的地铁、轻轨等轨道交通系统;沈阳、南京、西安等城市开始立项、修建城市地铁轻轨运输系统,以解决城市交通运输的瓶颈。城市轨道交通系统包括的范围很广、子系统很多,本文主要描述和分析的是城市轨道交通信号系统。

城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全,实现行车指挥和列车运行现代化,提高运输效率的关键系统设备。城市轨道交通信号工程造价高,高科技内容含量高,涉及到通信技术、计算机技术、网络技术和远程控制技术等。从事这一领域的企业,要求企业的拥有较高的技术水平和自主创新能力。

3　城市轨道交通信号系统的特点

2　城市轨道交通的分类

城市轨道交通的分类方法很多,其中按运能范

围及车辆类型可以分为4大类。

1)地下铁路。地下铁路:简称地铁。国际隧道协会将地铁定义为轴重相对较重,一般大于13吨,单方向输送能力在3万人次/每小时以上的城市轨道交通系统,大多线路在地下,曲线半径一般不小于300米。例如:上海地铁、北京地铁、深圳地铁。

2)轻轨交通。轻轨交通:简称轻轨。它的车辆轴重较轻,一般小于13吨,施加在轨道上的载荷相对于大铁路和地铁的载荷来说比较轻,输送能力在1.5～3.0万人次/每小时,线路一般在城市地面,曲

城市轨道交通的信号技术沿袭了大铁路的制式,与大铁路有着很多一致的地方,但也与大铁路不同的地方。

(1)城市轨道交通主要承担的是巨大的客流量,行车密度大、站间距离短,列车的运行间隔一般在2分钟左右(目前一些发达国家的城市轨道交通采用先进的信号控制技术,最小列车运行间隔可以缩短到100秒),而大铁路的列车运行间隔一般为5～7分钟,正因为城市轨道交通的列车运行间隔较短,所以对列车的速度监控系统要求更高,要求监控系统能提供更高的安全保证。

(2)城市轨道交通的区间一般不安装地面信号

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闭塞分区的划分依赖于指定列车的性能,对线路上

有不同性能的列车时,为保证安全,需按最严格条件设计,既影响运行效率也不适应今后列车类型变更。

准移动闭塞方式的ATC系统。基于准移动闭塞的ATC系统是随着计算机技术尤其是单片机技术和数字信号处理技术的快速发展而发展起来的,具有90年代的世界先进水平,是目前广泛应用、成熟且先进的ATC系统。目前广州地铁一号线和二号线、上海地铁二号线均采用该种系统,南京地铁一号线、深圳地铁也已确定采用该种系统。

基于准移动闭塞式的ATC系统在国际上也已经发展得比较成熟,目前具代表性的有:美国USSI公司的ATC系统、德国SIEMENS公司的ATC系统、法国ALSTOM公司的ATC系统、英国WEST2INGHOUSE公司的ATC系统以及日本HITA2CHI公司的ATC系统。

准移动闭塞方式一般采用数字式音频无绝缘轨道电路(也有采用音频无绝缘轨道电路+感应电缆环线或计轴+感应电缆环线方式)作为列车占用检测和ATP信息传输媒介,具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。通过音频轨道电路的发送设备向车载设备提供目标速度、目标距离、线路状态(曲线半径、坡道等数据)等信息,ATP车载设备结合固定的车辆性能数据计算出适合本列车运行的速度/距离曲线,保证列车在速度/距离曲线下有序运行,提高了线路的利用率。系统的ATP采用速度/距离曲线的控制方式,提高了列车运行的平稳性,列车追踪运行最小安全间隔较固定闭塞短,对提高区间通过能力有利。这种ATC系统,列车仍以闭塞分区为最小行车安全间隔,但根据目标速度和目标距离随时调整列车的可行车距离,该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车或目标地点所处轨道电路区段边界的距离,不是距前车的实际距离,因此,该种ATC系统相对于移动闭塞系统而言也称为准移动闭塞式的ATC系统。

该系统是以数字信号技术为基础,仍用钢轨来作为列车地面信息的传送载体。在信号传输、信号处理过程中实现数字化操作,不但使信息量加大,而且抗干扰能力增强,车载设备还可以实现列车的连续曲线速度控制。采用这种方式构成的ATC系统,地面轨道电路可以向列车传递足够用于列车连续曲线速度控制的信息(包括目标速度、目标距离、线路状态、线路允许速度、轨道电路标号及长度等),列车控制曲线如图所示。这种方式可以减少阶梯式

机,通常以机车的速度信号为主体信号。

(3)城市轨道交通的列车在大多数车站都具有上下旅客的功能,在大多数车站上不设置道岔,联锁设备的监控对象远远少于一般铁路的客货站,大多在电气集中控制中心实现全线的联锁功能。

(4)由于城市轨道交通列车主要运送旅客,它的行车组织功能比较单一,联锁车站的信号显示的含义也比较少。

(5)城市轨道交通的列车运行的规律性很强,便于实现自动控制。

4　城市轨道交通信号系统的组成

城市轨道交通信号系统是城市轨道交通最基础的控制系统,不仅影响着轨道交通的行车速度及列车运行间隔,而且影响列车通过能力及输送能力,同时信号系统也是安全行车的重要保证,信号系统是衡量城市轨道交通先进程度的一个重要方面。根据城市轨道交通高密度、短间隔的特点,城市轨道交通从传统的以地面信号为主发展为自动控制列车和自动调整追踪间隔的方式。

现在的城市轨道交通中的信号系统按其功能主要由以下几个系统组成。

a)闭塞系统城市轨道交通信号的区间闭塞技术经过了漫长的发展过程,截止目前可以分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞三种方式。

固定闭塞方式。固定闭塞方式属二十世纪八十年代技术水平,西屋公司、GRS公司分别用于北京地铁、上海地铁一号线的ATC系统均属此种类型。固定闭塞方式,采用传统的多信息音频轨道电路,按固定方式,根据线路情况、列车特性和固定的速度等级确定闭塞分区长度,列车以闭塞分区为最小行车间隔,且需设防护区段。其传输的信息量少,对应每个闭塞分区只能传送一个信息代码,即该区段所规定的最大速度码或入口/出口速度码。列车速度监控一般采用的是闭塞分区出口检查方式,当列车的出口速度大于本区段出口速度时,车载设备便对列车实施惩罚性制动,为保证列车运行的安全,这种滞后的速度检查方式必须要有一个完整的闭塞分区作为列车的安全保护距离,对于地铁的折返轨道来说,需要有较长的尾轨才能保证折返的能力和列车运行安全。系统的ATP采用阶梯式控制方式,对列车运行控制精度不高,降低列车运行舒适度、增加司机的劳动强度。限制了通过能力的进一步提高。固定

第9期　　　　　　　吴　卫等:城市轨道交通信号系统构成分析研究控制的安全保护距离对列车运行间隔时间的影响,提高了列车控制的精度,并提高了行车效率。连续曲线速度控制的运用使得司机在驾驶中也比较轻松,不需要进行频繁的制动、牵引,可以达到较好的节能效果,乘客的乘坐舒适度也可得到相应提高。

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列车控制曲线如图所示。因此,根据目标速度和目标距离随时调整的列车可行车距离是“连续式”的,不向准移动闭塞系统的“跳跃式”。因此,列车的追踪间隔和列车控制精度只取决于线路特性、停站时分、车辆参数,使得系统较准移动闭塞系统具有较大的运用灵活性和较小的行车间隔。

图1　准移动闭塞式的ATC系统连续曲线

速度控制示意图

图2　移动闭塞式的ATC系统连续曲线

速度控制示意图

这种ATC系统,列车追踪运行的最小安全间隔的最大值为安全保护距离加一个闭塞分区长度;列车的最小正常追踪运行间隔为安全保护距离加一个闭塞分区长度再加最高允许速度下使用常用制动直至停车的制动距离。该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车或目标地点所处轨道电路区段边界的距离,不是距前车尾部的实际距离,因此,根据目标速度和目标距离随时调整的列车可行车距离是“跳跃式”的,即在列车尾部依次出清各电气绝缘节时“跳跃式”跟随。因此,列车的追踪间隔和列车控制精度除取决于线路特性、停站时分、车辆参数外还与ATP/ATO系统及轨道电路的特性密切相关,如轨道电路的最大和最小长度、传输信息量的内容及大小、轨道电路分界点的位置等。移动闭塞方式。移动闭塞方式不依靠轨道电路,而是采用交叉感应电缆、漏缆、裂缝波导管或扩频电台等通信方式实现车地、地车间双向实时的数据传输来检测列车位置,使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息和列车运行其它信息,并据此计算出每一列车的运行限制速度,并动态更新,发送给列车,列车根据接收到的运行限制速度和自身的运行状态计算出列车运行的速度/距离曲线,车载设备保证列车在该曲线下运行。因此,在保证安全的前提下,能最大程度的提高通过能力。由于没有预先设置的闭塞分区,不以固定闭塞分区为列车追踪的最小单元。因此,列车追踪运行的最小安全间隔为安全保护距离;列车的最小正常追踪运行间隔为安全保护距离加最高允许速度下使用常用制动直至停车的制动距离。该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车尾部的实际距离,其

采用通信技术的移动闭塞系统已处于实用阶段,其中利用交叉感应电缆方式的移动闭塞系统已有较成熟的使用经验,采用无线扩频电台、裂缝波导管等方式的移动闭塞也有工程实例。基于移动闭塞式的ATC系统除ALCATEL公司的系统外,其它公司的系统也逐步发展得比较成熟,有些正在发展之中,目前最具代表性的有:加拿大ALCATEL公司基于交叉感应电缆的ATC系统、美国GE公司基于无线通信的ATC系统、法国ALSTOM公司基于裂缝波导的ATC系统以及德国SIEMENS公司基于环线的ATC系统。

基于移动闭塞式的ATC系统在国内已经开始逐步投入应用。在国际上除基于地面交叉感应电缆的ATC系统有较多的实际运用经验外,基于其它通信方式的ATC系统刚刚开始推广应用,但随着技术的发展,基于移动闭塞的ATC系统将会得到很大的发展。

b)列车检测系统城市轨道交通系统以轨道电路作为列车检测方式,轨道电路平均长度在250m左右,有绝缘轨道电路要按闭塞分区长度,切割钢轨装设大量的绝缘部件,其维修工作量相当大。

把闭塞分区细化可以显著提高线路的通过能力,但是随着闭塞分区细化,绝缘节数量就要增加很多,这不仅降低了旅客的舒适度而且维修工作的工作量大大增加了,故障点也随着增多,所以在新建的城市轨道交通系统中,大多采用无绝缘轨道电路代替有绝缘轨道电路。

在移动闭塞方式中,列车位置检测有的已经不

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立即施行制动,实现列车间隔保护、超速防护等功

能,它的主要工作原理是:控制中心不断将控制信息通过钢轨或无线通道传递给运行中的列车,列车上的计算机系统计算出列车运行的实时速度和允许速度,依照实时速度必须低于允许速度的原则进行列车速度监督及控制。使用ATP系统可以大大缩短列车的运行间隔,提高线路的利用率和行车的安全性。

ii.列车自动驾驶系统ATO。ATO子系统是控制列车自动运行的设备,由车载设备和地面设备组成,主要用于实现“地对车控制”,即用地面信息实现对列车驱动、制动的控制,ATO系统可以使列车经常处于最佳运行状态,避免不必要的、过于剧烈的列车加速和减速,明显的提高旅客的舒适度,提高列车准点率及减少轮轨磨损,与列车的再生制动相配合,可以节省电能的消耗。在ATP系统的保护下,根据ATS的指令实现列车运行的自动驾驶、速度的自动调整、列车车门控制。

iii.列车自动监控系统ATS。ATS系统由控制中心、车站、车场以及车载设备组成。主要实现对列车运行的监督和控制,辅助行车调度人员对全线列车运行进行管理。它给行车调度人员显示出全线列车运行状态,监督和记录运行图的执行情况,在列车因故偏离运行图时及时做出反应,通过ATO接口向旅客提供运行信息通报。

是由轨道电路来实现的,而是由安装在线路中间的交叉感应线实现的。列车通过感应线交叉点时,车载感应器可以检测出感应线变化的相位信息,通过车载计算机可以精确的计算出列车的实际位置。

c)车站信号联锁系统

信号联锁技术的发展经过了机械联锁、继电器联锁和目前大量使用的计算机联锁等过程。机械联锁目前已不再采用。继电器联锁有抗干扰能力强、工作稳定等特点,可以很好的保证行车安全,但是这种联锁制式却存在故障检测和诊断能力差,与现代化的行车指挥自动化系统的结合难度大的缺点。随着计算机技术的不断发展,计算机联锁已开始成为城市轨道交通建设中信号联锁制式的首选。

计算机联锁的功能要远远超过继电器联锁系统,它可以完成很多以前继电器联锁无法完成的功能。计算机联锁系统在软件和硬件方面都采用了模块化结构,有利于实现联锁系统设计和制作的标准化,提高了系统的通用性。联锁系统的适应性、扩展性加强了,并且可以利用计算机存储量大、运算速度快、软件技术灵活等特点,构成具有丰富信息处理功能的一体化系统。

5　结束语

在传统的建筑市场,铁路项目的竞争已近乎白

图3　　ATC系统组成图

d)列车运行控制系统

列车运行控制系统简称ATC系统(Automatic

TrainControl),该系统主要由3部分组成:列车超速防护系统ATP(AutomaticTrainProtection)、列车自动驾驶系统ATO(AutomaticTrainOpera2tion)和列车自动监控系统ATS(AutomaticTrainSupervision)。三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统,实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合,构成一个以安全设备为基础,集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

i.列车超速防护系统ATP。ATP系统由地面设备、车载设备组成,主要用于对列车驾驶进行超速防护,对与安全有关的设备或系统进行监控,监督列车在安全速度下运行,确保列车一旦超过规定速度,

热化,城市轨道交通已成为施工企业新的竞争热点。对于施工企业而言,随着城市化节奏的加快,城市轨道交通工程的持续升温,无疑给建筑施工企业提供了新的发展契机。城市轨道交通信号系统专业化程度很高,技术发展迅速。企业要努力追踪信号系统的发展前沿,并广泛搜集、学习、吸收轨道交通的信息,形成自身的技术特点和技术团队,打造出核心的竞争力,才能在激烈的竞争中把握和赢得市场,获得企业长足发展。

参考文献:

[1]　肖宝弟.对我国城市轨道交通信号系统发展战略的思

考.现代城市轨道交通,2004.2

[2]　李文明.探索城市轨道交通信号系统国产化之路.电子

科学技术评论,2004.6

[3]　何泳斌.城市轨道交通信号控制方式研究.交通世界,

2004.9