王 成

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥助理工程師)

為降低城市軌道交通項(xiàng)目的建設(shè)費(fèi)用和開通后的運(yùn)營(yíng)成本,解決目前城市軌道交通機(jī)電設(shè)備、備品備件嚴(yán)重依賴進(jìn)口的局面,加快我國(guó)城市軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,我國(guó)相繼制定和頒布了提高軌道交通建設(shè)的國(guó)產(chǎn)化政策和措施。其中機(jī)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的重點(diǎn)是車輛和信號(hào)系統(tǒng)。開發(fā)研究具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的列車自動(dòng)控制(Auto-matic Train Control,簡(jiǎn)為ATC)系統(tǒng)是我國(guó)城市軌道交通信號(hào)技術(shù)發(fā)展的必由之路。本文介紹了城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)全部國(guó)產(chǎn)化的幾種不同方案,并對(duì)其進(jìn)行比較和分析。

1 我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)狀

我國(guó)城市軌道交通處于蓬勃發(fā)展階段,但是國(guó)內(nèi)有關(guān)信號(hào)廠商對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的研究、開發(fā)起步較晚,市場(chǎng)投入有限,信號(hào)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)的信號(hào)公司具有較大的差距。目前國(guó)內(nèi)尚不具備提供整套 ATC系統(tǒng)的能力,尤其是不具備提供基于通信的ATC系統(tǒng)的能力。為了滿足軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)要求,絕大多數(shù)軌道交通線路的信號(hào)系統(tǒng),尤其是采用基于無線通信的移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng),其核心子系統(tǒng)均采用進(jìn)口設(shè)備,其核心技術(shù)由外國(guó)公司掌控,其他子系統(tǒng)和輔助設(shè)備采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備。這導(dǎo)致了在設(shè)備價(jià)格方面處于被動(dòng)局面,備品備件難以到位,維修周期長(zhǎng),運(yùn)營(yíng)成本高。按照以上的系統(tǒng)建設(shè)方案,國(guó)產(chǎn)化率一般能夠達(dá)到50%～60%。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)初具規(guī)模,并且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)包括通號(hào)公司的基于數(shù)字軌道電路的FZL準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)和北京交通大學(xué)的LCF-300型CBTC(基于無線通信的列車控制)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的列車自動(dòng)運(yùn)行(Automatic Train Operation,簡(jiǎn)為ATO)子系統(tǒng)設(shè)備均在研制和試驗(yàn)中。FZL準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)已成功應(yīng)用于長(zhǎng)春輕軌一期、二期工程,以及大連輕軌工程。LCF-300型CBTC系統(tǒng)即將應(yīng)用于北京軌道交通亦莊線工程,全部采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備,并同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立第三方安全認(rèn)證。目前該工程已經(jīng)開始實(shí)施,預(yù)計(jì)2010年底開通運(yùn)營(yíng)。該系統(tǒng)在成功應(yīng)用于亦莊線工程后,國(guó)內(nèi)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化將迎來嶄新的一頁(yè)。

2 信號(hào)系統(tǒng)全部國(guó)產(chǎn)化方案

2.1 準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方案

由中國(guó)鐵路通信信號(hào)集團(tuán)公司研制開發(fā)的FZL型準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)是由國(guó)家計(jì)委和鐵道部立項(xiàng),由國(guó)家計(jì)委、鐵道部和中國(guó)鐵路通信信號(hào)總公司聯(lián)合投資開發(fā),具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)信號(hào)系統(tǒng)。它主要由以下幾個(gè)部分組成:列車自動(dòng)監(jiān)督(Automatic Train Supervision,簡(jiǎn)為ATS)子系統(tǒng)區(qū)域控制中心,數(shù)字軌道電路,車載設(shè)備等。FZL型信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FZL系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

ATS子系統(tǒng)是一個(gè)分布式的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),負(fù)責(zé)全線列車運(yùn)行的集中監(jiān)控與管理。區(qū)域控制中心是基于成熟的DS6-11升級(jí)型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)開發(fā)的,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)構(gòu)成多機(jī)分布式控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)正線基本的聯(lián)鎖功能;并根據(jù)一次制動(dòng)模式控制原理,通過數(shù)字軌道電路,完成地對(duì)車的信息傳輸,實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的超速防護(hù)控制。數(shù)字軌道電路起著信息傳遞的作用,把區(qū)域控制中心發(fā)出的命令傳遞給列車,同時(shí)將列車的位置信息返回給區(qū)域控制中心。車載設(shè)備根據(jù)接收到的地面信息和列車信息實(shí)現(xiàn)列車超速防護(hù)、無意識(shí)移動(dòng)防護(hù)、車門防護(hù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄,以及臨時(shí)限速和緊急關(guān)閉等功能。

車載設(shè)備提供了三種駕駛模式:列車自動(dòng)防護(hù)(Automatic Train Protection,簡(jiǎn)為ATP)系統(tǒng)模式、人工駕駛模式(監(jiān)控模式)、ATP限速駕駛模式(限速模式)和切除模式。由于車載設(shè)備能夠連續(xù)地收到地面ATP信息,因此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方式,即一次制動(dòng)的固定閉塞,如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞式ATC連續(xù)曲線速度控制示意圖

2.2 移動(dòng)閉塞方案

由北京交通大學(xué)開發(fā)研制的LCF-300型CBTC系統(tǒng),具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該系統(tǒng)是保證行車安全、提高區(qū)間和車站通過能力,以及實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車自動(dòng)化、提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵設(shè)備。它由中央控制列車監(jiān)督系統(tǒng)ATS、ATP、ATO、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖 CI系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(Data Communication System,簡(jiǎn)為DCS)等五個(gè)部分組成。其中最核心的ATP系統(tǒng)采用了CBTC,可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞;同時(shí)為了提高信號(hào)系統(tǒng)的可靠性與可用性,將基于點(diǎn)式的ATP系統(tǒng)作為CBTC系統(tǒng)的后備模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

ATS子系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車運(yùn)行的集中監(jiān)控與管理,實(shí)現(xiàn)進(jìn)路自動(dòng)設(shè)置,按時(shí)刻表控制列車運(yùn)行,與其他系統(tǒng)接口等功能。ATP的主要功能是監(jiān)督及控制列車安全地運(yùn)行,包括列車位置檢測(cè)、列車間隔控制和超速防護(hù)、車門及屏蔽門的安全監(jiān)控、站臺(tái)緊急停車、列車非正常移動(dòng)控制等。ATO實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制列車運(yùn)行,根據(jù)ATS的指令實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)駕駛,能夠自動(dòng)完成對(duì)列車的起動(dòng)、牽引、巡航、惰行和制動(dòng)的控制。聯(lián)鎖子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)、道岔、軌道區(qū)段的正確的聯(lián)鎖關(guān)系,控制進(jìn)路安全,以及控制屏蔽門和緊急停車按鈕。DCS的主要作用是在各個(gè)子系統(tǒng)之間傳輸ATC報(bào)文。

裝備CBTC設(shè)備的列車(包括軌旁設(shè)備)可以以多種模式駕駛。駕駛模式與列車是在CBTC區(qū)域還是非CBTC區(qū)域行駛,以及車載或軌旁設(shè)備的操作狀態(tài)有關(guān)。在CBTC系統(tǒng)中有自動(dòng)駕駛模式、ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式、ATP允許速度下的人工駕駛模式、無限制人工駕駛、自動(dòng)折返駕駛模式。在CBTC區(qū)域,可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞控制方式,如圖4所示。

圖3 LCF-300型CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 移動(dòng)閉塞方式連續(xù)曲線速度控制示意圖

2.3 方案比較

基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)具有20世紀(jì)90年代的世界先進(jìn)水平,是目前已經(jīng)相當(dāng)成熟的ATC系統(tǒng),在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,具有較為豐富的運(yùn)用和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),這使得FZL準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的應(yīng)用有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可循。由于采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方式,全線設(shè)置軌道電路等地面設(shè)備,其系統(tǒng)故障轉(zhuǎn)向備用模式或系統(tǒng)復(fù)原處理較為容易。但它利用鋼軌作為信息傳輸媒介,因而帶來了先天的不足:容易受電氣化干擾,數(shù)據(jù)傳輸速度和容量受到限制,室內(nèi)及軌旁設(shè)備較多,維護(hù)量相應(yīng)增大,專用的設(shè)備、復(fù)雜的調(diào)試及安裝導(dǎo)致較高的生命周期成本;與此同時(shí),隨著列車追蹤間隔的縮短,軌旁設(shè)備增多,維護(hù)工作量增大。

FZL準(zhǔn)移動(dòng)ATC系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),為軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的全部國(guó)產(chǎn)化提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)及可行方案,但只能實(shí)現(xiàn)中等技術(shù)水平的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。

基于無線通信的移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng),是采用當(dāng)今先進(jìn)的通信和信息技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)先型系統(tǒng),代表了城市軌道交通領(lǐng)域信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。LCF-300型CBTC系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)代軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的性能要求,國(guó)產(chǎn)化率可達(dá)到100%。

LCF-300型CBTC移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中,軌旁無線通信設(shè)備多為免維護(hù)設(shè)備,與鋼軌或道床沒有直接關(guān)系,減少了各系統(tǒng)之間與土建工種的相互干擾,增加了系統(tǒng)可維護(hù)性。較少的軌旁設(shè)備、通用的商業(yè)現(xiàn)貨、簡(jiǎn)單的設(shè)備安裝和較少的設(shè)備維護(hù)等,使其生命周期成本降低。特別是基于無線通信的移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)的采用,將使軌道交通路網(wǎng)中多條線路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通成為可能。

綜上所述,基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化率也可以做到100%,而其自身的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)的功能最終導(dǎo)致其被更加先進(jìn)的基于通信的列車控制系統(tǒng)所代替。而對(duì)于基于通信的ATC系統(tǒng)而言,比傳統(tǒng)系統(tǒng)在技術(shù)上更具有優(yōu)勢(shì),成為當(dāng)前軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。LCF-300型CBTC移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的應(yīng)用,將使基于通信的ATC系統(tǒng)全部國(guó)產(chǎn)化成為可能。

3 國(guó)產(chǎn)化實(shí)施步驟

鑒于國(guó)產(chǎn)信號(hào)ATC系統(tǒng)的ATO子系統(tǒng)目前還不成熟,對(duì)于全部采用國(guó)產(chǎn)信號(hào)設(shè)備的軌道交通工程,可以首先開通基于點(diǎn)式應(yīng)答器的ATP功能或暫按后備信號(hào)系統(tǒng)開通,按基于點(diǎn)式應(yīng)答器的ATP模式或站間閉塞運(yùn)營(yíng);信號(hào)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)按CBTC要求一次到位;室內(nèi)外及車載預(yù)留ATO子系統(tǒng)軟硬件功能,待 ATO子系統(tǒng)成熟后,完善ATO功能,硬件和軟件在相應(yīng)設(shè)備上增加或修改完善,建成完整的ATC系統(tǒng)。

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