邢紅霞

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通運輸系,710014,西安∥講師)

一個城市的軌道交通列車自動控制(ATC)系統(tǒng)究竟選擇何種水平等級至關(guān)重要,因為ATC系統(tǒng)的水平等級選擇,不僅要考慮城市軌道交通系統(tǒng)的運力水平發(fā)揮、旅客乘坐的準(zhǔn)點率、安全性、舒適度等因素,還與初期的建設(shè)投資額度有很大的關(guān)系。如果只考慮減少初期投資,選擇的ATC系統(tǒng)等級過低,會影響整條線路的運力水平;但如果ATC系統(tǒng)的等級選擇過高,片面追求技術(shù)上的先進(jìn)性而忽略實際的運能需求,又會造成功能的閑置,無謂增加初期大量的工程投資,也是不經(jīng)濟(jì)的。所以,城市軌道交通ATC系統(tǒng)方案的選擇,應(yīng)從綜合的角度去考慮,既要考慮長遠(yuǎn)的規(guī)劃,又要顧及實際需要、系統(tǒng)設(shè)備使用壽命,以及政治、經(jīng)濟(jì)環(huán)境上的因素。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程作為西安市首條建設(shè)的線路,其信號系統(tǒng)制式的選擇要作全面的比選,應(yīng)吸取國內(nèi)其他城市軌道交通建設(shè)的經(jīng)驗教訓(xùn),站在西安市軌道交通規(guī)劃全網(wǎng)的高度來考慮,既能可持續(xù)發(fā)展,又應(yīng)功能合理、經(jīng)濟(jì)實用。

1 ATC系統(tǒng)方案比選原則

(1)系統(tǒng)的效率,指系統(tǒng)在其有效的控制能力下線路的通過能力。

(2)系統(tǒng)的實用化程度,指系統(tǒng)目前已被使用的成熟程度,它反映了系統(tǒng)的可實施性指標(biāo)。

(3)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,狹義地指系統(tǒng)的造價。

(4)系統(tǒng)的先進(jìn)性,指系統(tǒng)所采用的技術(shù)的先進(jìn)程度,它在一定程度上表明了系統(tǒng)今后的發(fā)展能力。

(5)系統(tǒng)的技術(shù)特點,包括速度控制方式、閉塞方式、傳輸信息量等。

(6)系統(tǒng)的國產(chǎn)化,指引進(jìn)系統(tǒng)實現(xiàn)國產(chǎn)化的程度,其重要指標(biāo)是國產(chǎn)化率。

2 三種ATC系統(tǒng)方案對于本工程的適用性

2.1 基于固定閉塞方式的ATC系統(tǒng)分析

2.1.1 系統(tǒng)能力

該系統(tǒng)設(shè)計最大行車密度為36對/h,可滿足西安市城市快速軌道交通2號線近期最大行車密度18對/h的運能需求,也滿足遠(yuǎn)期30對/h的運能要求,預(yù)儲遠(yuǎn)期運能。其缺點是:一旦因系統(tǒng)故障或其它原因造成時刻表偏離時,該系統(tǒng)對時刻表的實時可調(diào)能力差,尤其在高峰時段列車追蹤間隔較小的情況下,基本無調(diào)整的余量;系統(tǒng)依靠駕駛員駕駛的熟練程度來保證列車正點運行,當(dāng)列車追蹤間隔較小時,駕駛員的緊張程度會加大;乘客旅行的舒適度稍差。

2.1.2 系統(tǒng)的實用化程度

這種列車控制技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于國鐵,有比較成熟的運營和維護(hù)經(jīng)驗,已被鐵道部確定為統(tǒng)一的制式在全路大面積推廣使用。在城市軌道交通領(lǐng)域,北京的地鐵1、2號線,八通線,城鐵13號線,以及上海地鐵1號線和大連快軌3號線等,相繼開通投入使用固定閉塞方式的 ATC,取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益,并積累了一定的運營和維護(hù)經(jīng)驗;其個別線路最高列車運行速度已達(dá)100 km/h,有的線路追蹤間隔已達(dá)2 min。特別是自20世紀(jì)90年代初引進(jìn)法國UM71型無絕緣軌道電路設(shè)備以來,經(jīng)過十幾年的不斷創(chuàng)新和開發(fā),我國已擁有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的此類產(chǎn)品,無論從其技術(shù)的先進(jìn)程度還是在經(jīng)濟(jì)造價上,都優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。但不足的是,隨著數(shù)字化信息技術(shù)的發(fā)展,此種列車控制技術(shù)將逐漸成為列控技術(shù)發(fā)展的歷史。另外,此制式的信號室外設(shè)備回流器、均流器體形較大,對安裝限界的要求較高(安裝處隧道需向外鑿洞深、寬、高分別為150 mm、1 000 mm、2 000 mm),將會增加一部分土建的工作量和難度。

2.1.3 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及國產(chǎn)化

該系統(tǒng)由于大量采用國內(nèi)廠家研制生產(chǎn)的器材和設(shè)備,造價低廉,系統(tǒng)國產(chǎn)化程度高,國產(chǎn)化率可達(dá)95%以上,因此,工程建設(shè)初期投資為最低。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程如果采用此方案,初期投資估算約為1.7億～1.9億元。

2.1.4 系統(tǒng)的先進(jìn)性

該系統(tǒng)的列車自動保護(hù)(ATP)系統(tǒng)和無絕緣移頻軌道電路是國外20世紀(jì)80年代的技術(shù),等級較低。經(jīng)過十幾年的成功運用,我國已形成具體自主知識產(chǎn)權(quán)的該系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品雖然在技術(shù)上得到不斷的創(chuàng)新,功能上也有一定的可擴展性,但不符合專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展方向。

2.2 基于準(zhǔn)移動閉塞方式的ATC系統(tǒng)分析

2.2.1 系統(tǒng)能力

系統(tǒng)設(shè)計最大行車密度為42對/h,也能滿足2號線近期最大行車密度18對/h、遠(yuǎn)期30對/h的運能要求,預(yù)儲遠(yuǎn)期運能較大。系統(tǒng)對時刻表的實時調(diào)整能力較強,駕駛員駕駛較為輕松,也可實現(xiàn)自動駕駛,乘客旅行的舒適度較好。

2.2.2 系統(tǒng)的實用化程度

該系統(tǒng)目前在廣州、上海、南京等地的軌道交通中已得到應(yīng)用,有工程運作和運營及維護(hù)經(jīng)驗,其軌旁設(shè)備(數(shù)字軌道電路、均回流設(shè)施等)的室外部件體積較小。和固定閉塞制式相比,該系統(tǒng)無土建配套工程的工作量,節(jié)省了土建方面的一些投資。

2.2.3 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及國產(chǎn)化

目前,我國研制的基于數(shù)字無絕緣軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞系統(tǒng)已處在上道試驗階段,但與之配套的ATO子系統(tǒng)還處在研發(fā)、試驗階段,仍要依靠進(jìn)口。因此,其國產(chǎn)化率主要是通過部分國外引進(jìn)、國內(nèi)系統(tǒng)集成的辦法來實現(xiàn),可達(dá)60%以上。該系統(tǒng)工程建設(shè)初期投資較固定閉塞制式高。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程如果采用此種方案,初期投資估算大約需要2.2億～2.4億元。在工程完工開通運營后,后期維護(hù)成本相對固定閉塞制式較高,對維護(hù)人員的綜合基礎(chǔ)知識、技術(shù)水平要求較高。近幾年,國內(nèi)各大城市建設(shè)的軌道交通系統(tǒng)基本上都采用引進(jìn)、消化吸收的方式來提高國產(chǎn)化率和本地化生產(chǎn)維護(hù)水平。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和城市軌道交通領(lǐng)域的不斷拓展,該系統(tǒng)的國產(chǎn)化率和本地化生產(chǎn)維護(hù)水平會得到進(jìn)一步的提高。因此,西安市軌道交通在后續(xù)路網(wǎng)其它線路建設(shè)時,在系統(tǒng)方案的選擇上受制約的可能性會減小,投資也可能會減少。

2.2.4 系統(tǒng)的先進(jìn)性

基于準(zhǔn)移動閉塞制式的ATC系統(tǒng),其ATP子系統(tǒng)、數(shù)字無絕緣軌道電路及完成聯(lián)鎖運算和編碼的聯(lián)鎖子系統(tǒng)屬于國外20世紀(jì)90年代先進(jìn)技術(shù),等級較高,代表著城市軌道交通ATC系統(tǒng)的技術(shù)水平。該系統(tǒng)介于固定閉塞制式和移動閉塞制式之間,它通過數(shù)字編碼軌道電路向列車傳遞控制信息,實現(xiàn)對列車的“連續(xù)”控制,在技術(shù)上可實現(xiàn)功能上的擴展。例如:通過增加無線發(fā)射、接收天線等技術(shù)改造,可過渡為移動閉塞方式,以滿足更小的追蹤間隔要求。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程如果采用此方案,符合技術(shù)水平等級要求,工程方案具備技術(shù)上的優(yōu)勢。

2.3 基于移動閉塞方式的ATC系統(tǒng)分析

2.3.1 系統(tǒng)能力

該系統(tǒng)設(shè)計最大行車密度大于45對/h,可滿足2號線近、遠(yuǎn)期的運能要求,預(yù)儲遠(yuǎn)期運能最大。系統(tǒng)對時刻表的實時調(diào)整能力強,可實現(xiàn)無人自動駕駛,乘客旅行的舒適度最好。

2.3.2 系統(tǒng)的實用化程度

基于移動閉塞的ATC系統(tǒng)除ALCAT EL公司的基于交叉感應(yīng)電纜的ATC系統(tǒng)在我國有應(yīng)用實例外,基于其它傳輸方式的ATC系統(tǒng)發(fā)展也較快,目前正在大面積推廣、實施階段。其中最具代表性的有:加拿大ALCATEL公司基于交叉感應(yīng)電纜的ATC系統(tǒng)、美國GE公司基于無線通信的ATC系統(tǒng)、法國ALSTOM公司基于裂縫波導(dǎo)的ATC系統(tǒng)以及德國SIEMENS公司基于環(huán)線的ATC系統(tǒng)。該系統(tǒng)軌旁設(shè)備較少,室外部件體積較小,因此,在西安市城市快速軌道交通2號線一期工程中,采用此種系統(tǒng)帶來的土建配套工程改造費用最少。

2.3.3 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及國產(chǎn)化

基于移動閉塞制式的ATC系統(tǒng)目前在我國還處在一個引進(jìn)、消化階段,各子系統(tǒng)基本上依賴進(jìn)口,國產(chǎn)化率仍是通過國外引進(jìn)、國內(nèi)系統(tǒng)集成的辦法實現(xiàn),僅為30%左右。在工程投資上,它和準(zhǔn)移動閉塞制式相比高10%～15%左右。西安市城市快速軌道交通2號線一期工程如采用此種方案,初期投資估算約為2.5億～2.7億元。其對系統(tǒng)維護(hù)人員的綜合基礎(chǔ)知識、技術(shù)水平的要求更高,但在工程開通后,運營、維護(hù)成本較低。

2.3.4 系統(tǒng)的先進(jìn)性

基于移動閉塞制式的ATC系統(tǒng)真正實現(xiàn)了對列車的連續(xù)、自動控制,可滿足最小的追蹤間隔要求。此種制式系統(tǒng)的技術(shù)等級當(dāng)前為最高,是ATC列車控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。目前,它還存在著沒有實際運營和維護(hù)經(jīng)驗、系統(tǒng)故障復(fù)原不利等缺點,需增加單獨的后備模式設(shè)備,在系統(tǒng)故障后實現(xiàn)降級使用的目的。它的大多數(shù)子系統(tǒng)由于缺乏廣泛的應(yīng)用經(jīng)驗,技術(shù)上還不夠成熟,有待進(jìn)一步的完善。

2.4 三種ATC系統(tǒng)的比較

三種ATC系統(tǒng)的特點比較如表1所示。

表1 三種制式ATC系統(tǒng)特點比較

3 ATC系統(tǒng)方案的優(yōu)化選擇

通過以上分析可以看出,三種方案都能滿足西安市城市快速軌道交通2號線工程的運營要求。但作為合理的工程方案,應(yīng)適當(dāng)考慮2號線與路網(wǎng)規(guī)劃中后續(xù)線路之間資源共享、互聯(lián)互通的關(guān)系,所選擇的信號系統(tǒng)應(yīng)成為整個路網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的主流,在技術(shù)上占有主導(dǎo)地位。作為路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的第一條線,2號線選擇的信號系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)在滿足安全、可靠、運能需要的前提下,力求造價合理、技術(shù)上先進(jìn);要考慮系統(tǒng)設(shè)備的生命周期,適當(dāng)預(yù)留遠(yuǎn)期運能,從而滿足西安市城市快速軌道交通2號線工程“安全、實用、經(jīng)濟(jì)、高效”的總體建設(shè)目標(biāo)。

由于固定閉塞式的 ATC系統(tǒng)技術(shù)上相對落后,對列車運行控制的實時能力差,旅行的舒適度不如準(zhǔn)移動和移動制式,所以本工程不宜選擇此種制式。如果選擇移動閉塞的ATC系統(tǒng),雖然其對列車的控制調(diào)節(jié)性能、旅行的舒適度、后期維護(hù)成本等比準(zhǔn)移動制式好,但初期投入成本比準(zhǔn)移動制式高出了2～3千萬元。另外,從2號線初、近、遠(yuǎn)期客流預(yù)測分析和運營交路來看,初期運能需求僅為18對/h,采用準(zhǔn)移動閉塞制式就能很好地完成對列車的調(diào)節(jié)控制,并預(yù)儲遠(yuǎn)期(2036年)30對/h的運能需求;而如果采用移動閉塞制式,除了初期、近期對列車的調(diào)節(jié)控制能力預(yù)儲較大、初期成本較大外,對長遠(yuǎn)運營有百利而無一害。準(zhǔn)移動閉塞制式的ATC系統(tǒng)已在我國上海、深圳、廣州、南京、天津等城市的多條城市軌道交通線路上開通使用,技術(shù)上比較成熟可靠,并已經(jīng)積累了大量的維護(hù)經(jīng)驗。本工程采用此種制式,風(fēng)險相對較小,但對長遠(yuǎn)發(fā)展有一些制約。移動閉塞代表著本世紀(jì)的先進(jìn)水平,站在發(fā)展的高度上,顯然采用基于無線通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)更有前景。

4 結(jié)語

根據(jù)對三種不同閉塞制式ATC系統(tǒng)方案的對比分析,結(jié)合2號線工程實際需求情況,如果就成本和風(fēng)險而言,西安市城市快速軌道交通2號線一期工程信號ATC系統(tǒng)推薦采用基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞制式的ATC系統(tǒng);就遠(yuǎn)期運營發(fā)展而言,因為2號線是西安的第一條地鐵線路,考慮到與后續(xù)1號線及其他線路的互通互聯(lián),推薦采用基于無線通信的移動閉塞制式的ATC系統(tǒng)。

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北京地鐵1號線列車