畢危危
(西門子(中國)有限公司交通集團(tuán)鐵路自動化部門,100102,北京∥工程師)
隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展,軌道交通已成為民眾出行的首選交通方式,客流逐年高速增長。在部分大城市,客流的增速已經(jīng)大幅超過了線路運(yùn)能的增速。城市軌道交通的運(yùn)營壓力日益增加,列車的運(yùn)行間隔不斷縮短,列車的行駛速度也在不斷提高,目前有些列車的設(shè)計時速已超過100 km。在小間隔、高速度的環(huán)境下,如何確保運(yùn)營安全,提高運(yùn)營效率,既對城市軌道交通的日常運(yùn)營管理工作提出了更高的要求,同時對軌道交通車輛、信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等軌道交通設(shè)備都提出了極高的要求。從最初的固定閉塞到準(zhǔn)移動閉塞,再到現(xiàn)在最先進(jìn)的基于通信的列車控制(CBTC)移動閉塞系統(tǒng)的應(yīng)用,信號系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)是在小間隔、高速度的環(huán)境下保障列車安全行駛的關(guān)鍵技術(shù)。
圖1 西門子“TrainGuard M T”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
西門子先進(jìn)的CBTC解決方案是其“全面交通解決方案”理念的完整體現(xiàn),已被成功應(yīng)用到我國多個城市軌道交通系統(tǒng)中。針對我國城市軌道交通CBTC系統(tǒng)多樣化的特點,西門子又推出了先進(jìn)的模塊化產(chǎn)品——“TrainGuard MT”自動列車控制系統(tǒng)。
“TrainGuard MT”系統(tǒng)主要由列車自動監(jiān)督系統(tǒng)(ATS)、計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)(IXL)、軌道空閑檢測系統(tǒng)(TVD)、列車自動控制系統(tǒng)(自動防護(hù)ATP及自動駕駛ATO)和雙向通信系統(tǒng)(W-LAN)5個子系統(tǒng)組成?!癟 rainGuard MT”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
“T rainGuard MT”系統(tǒng)的5個子系統(tǒng)被劃分為4個層級,以便分層級實現(xiàn)系統(tǒng)指定的功能。
第一層級,ATS系統(tǒng)的集中控制層,包括中心控制和車站控制兩級。VICOS OC 501實現(xiàn)線路集中控制功能及其備用功能;VICOS OC 101則為車站控制和后備模式的功能提供操作員工作站和列車進(jìn)路計算機(jī)(T RC)。
第二層級,沿著線路分布的軌旁層。包括聯(lián)鎖系統(tǒng)(IXL)、AT P軌旁系統(tǒng)、軌道空閑檢測系統(tǒng)(TVD)及信號機(jī)、應(yīng)答器部件等,執(zhí)行聯(lián)鎖和ATP軌旁功能。聯(lián)鎖系統(tǒng)(IXL)采用了技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的電子聯(lián)鎖技術(shù)Sicas(西門子計算機(jī)輔助信號)。Sicas聯(lián)鎖基于聯(lián)鎖表原理,能夠靈活調(diào)整,適應(yīng)相關(guān)鐵路運(yùn)營商的運(yùn)行規(guī)則和不同的用戶需求。
第三層級,通信層。包括局域網(wǎng)絡(luò)、無線 WLAN通信系統(tǒng)以及應(yīng)答器等地—車通信設(shè)備。
第四層級,連續(xù)式或點式通信級別時,“T rainGuard MT”系統(tǒng)的車載ATP和ATO控制功能。
與以往的固定閉塞和準(zhǔn)移動閉塞相比,西門子“T rainguard MT”系統(tǒng)屬于移動閉塞控制系統(tǒng),通過配備在列車上以及軌道旁的無線設(shè)備,實現(xiàn)車-地間不中斷的雙向通信,控制系統(tǒng)可以根據(jù)列車實時的速度和位置,動態(tài)計算和調(diào)整列車的最大制動距離,兩個相鄰列車能以很小的間隔同時前進(jìn),從而極大地提高運(yùn)營效率。
“T rainguard MT”系統(tǒng)在保證安全的前提下提供了大量的自動化功能,例如ATO和無人折返功能,不僅使司機(jī)從繁重的例行工作中解放了出來,還保證了列車在站臺屏蔽門前的精確制動,能夠極大地縮短列車的運(yùn)行時間和行車間隔。除此之外,“T rainguard MT”系統(tǒng)還具有以下顯著特點。
“T rainguard MT”系統(tǒng)是西門子在原CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新、完善的成果。一方面,原CBTC各個子系統(tǒng)都相對獨立、完整地保留在“T rainguard MT”系統(tǒng)中;另一方面,各個子系統(tǒng)相互接口,逐層逐級擴(kuò)充系統(tǒng)功能。這種設(shè)計理念使得“Trainguard MT”系統(tǒng)能夠區(qū)別對待其管轄范圍內(nèi)的非裝備列車、點式控制列車和連續(xù)式控制列車,為列車提供不同的安全防護(hù)策略,從而允許不同控制級別的列車在同一信號系統(tǒng)的控制下安全運(yùn)行。對于非裝備列車,聯(lián)鎖系統(tǒng)提供進(jìn)路保護(hù);對于點式控制列車,聯(lián)鎖系統(tǒng)通過應(yīng)答器為車載ATP提供安全移動授權(quán);對于連續(xù)式控制列車,則由軌旁ATP設(shè)備通過無線系統(tǒng)向車載ATP提供安全移動授權(quán)。采用“TrainGuard MT”系統(tǒng),將點式列車控制和連續(xù)式列車控制融合在一個系統(tǒng)中,讓客戶在特定情況下?lián)碛卸喾N運(yùn)營策略和建設(shè)策略的選擇。
“T rainguard MT”系統(tǒng)中,列車在進(jìn)入線路、具備升級條件后,可以自動從聯(lián)鎖級升級到點式控制級,最后到連續(xù)式控制級,無須人工介入。對于連續(xù)式控制列車,信號燈處于滅燈狀態(tài),司機(jī)依據(jù)車載提示駕駛;對于點式控制列車或非裝備列車,信號燈點燈,司機(jī)必須遵守實際信號。信號燈的點燈或滅燈控制,完全由信號系統(tǒng)依據(jù)信號燈前的列車控制級別自動選擇。列車控制級別和信號機(jī)的自動切換設(shè)計,極大地簡化了復(fù)雜情況下運(yùn)營人員的操作強(qiáng)度。
“Trainguard MT”系統(tǒng)大量采用冗余設(shè)計,提高了系統(tǒng)可靠性。其中,車載設(shè)備的前后冗余功能是難點。當(dāng)一端車載無線設(shè)備、ATP設(shè)備、ATO設(shè)備、ITF設(shè)備發(fā)生故障時,另一端的車載設(shè)備會接管列車,在乘客毫無察覺的情況下繼續(xù)保持列車的平穩(wěn)運(yùn)行。
基于成本、可維護(hù)性、可用性和通信穩(wěn)定性等方面的考量,“Trainguard MT”系統(tǒng)采用了基于無線AP(訪問節(jié)點)的W-LAN作為車地通信通道。WLAN無線通道提供了一個強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸通道,其功能可以在整體系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展。
W-LAN數(shù)據(jù)通信基于IPSec標(biāo)準(zhǔn),專用加密模塊在應(yīng)用層為數(shù)據(jù)提供256位加密、專用數(shù)據(jù)通道格式和密鑰協(xié)商,防止對數(shù)據(jù)的訪問和篡改;在AP數(shù)據(jù)鏈路層采用防火墻機(jī)制,攔截非法的數(shù)據(jù)報文。從而,使無線系統(tǒng)在滿足CTC(連續(xù)式列車控制)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信高實時性的要求的同時,最大限度地減少了黑客侵入的風(fēng)險。
綜上所述,基于W-LAN的“Trainguard MT”自動列車控制系統(tǒng)為我國城市軌道交通的發(fā)展提供了一種新的選擇和方向。北京地鐵10號線(含奧運(yùn)支線)采用了西門子的“Trainguard MT”系統(tǒng),于2008年7月19日開始以移動閉塞的全功能投入載客運(yùn)營,至今已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)營一年多的時間。同樣采用了西門子“Trainguard MT”系統(tǒng)的廣州地鐵4號線于2009年3月、5號線于2009年12月以移動閉塞的全功能投入載客運(yùn)營。經(jīng)過實踐檢驗的“Trainguard MT”系統(tǒng)還將會應(yīng)用到南京、廣佛、重慶、蘇州等城市的軌道交通系統(tǒng)中。西門子的“Trainguard MT”系統(tǒng)正在開創(chuàng)無線移動閉塞系統(tǒng)的新時代。