城市軌道交通信號系統(tǒng)國產化方案分析

王 成

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥助理工程師)

為降低城市軌道交通項目的建設費用和開通后的運營成本,解決目前城市軌道交通機電設備、備品備件嚴重依賴進口的局面,加快我國城市軌道交通產業(yè)的發(fā)展,我國相繼制定和頒布了提高軌道交通建設的國產化政策和措施。其中機電設備國產化的重點是車輛和信號系統(tǒng)。開發(fā)研究具有完全自主知識產權的列車自動控制(Auto-matic Train Control,簡為ATC)系統(tǒng)是我國城市軌道交通信號技術發(fā)展的必由之路。本文介紹了城市軌道交通信號系統(tǒng)全部國產化的幾種不同方案,并對其進行比較和分析。

1 我國城市軌道交通信號系統(tǒng)國產化現狀

我國城市軌道交通處于蓬勃發(fā)展階段,但是國內有關信號廠商對城市軌道交通信號系統(tǒng)的研究、開發(fā)起步較晚,市場投入有限,信號技術與國際先進的信號公司具有較大的差距。目前國內尚不具備提供整套 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)的建設要求,絕大多數軌道交通線路的信號系統(tǒng),尤其是采用基于無線通信的移動閉塞信號系統(tǒng),其核心子系統(tǒng)均采用進口設備,其核心技術由外國公司掌控,其他子系統(tǒng)和輔助設備采用國產設備。這導致了在設備價格方面處于被動局面,備品備件難以到位,維修周期長,運營成本高。按照以上的系統(tǒng)建設方案,國產化率一般能夠達到50%～60%。

目前國內已經初具規(guī)模,并且具有完全自主知識產權的軌道交通信號系統(tǒng)包括通號公司的基于數字軌道電路的FZL準移動閉塞系統(tǒng)和北京交通大學的LCF-300型CBTC(基于無線通信的列車控制)移動閉塞系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的列車自動運行(Automatic Train Operation,簡為ATO)子系統(tǒng)設備均在研制和試驗中。FZL準移動閉塞系統(tǒng)已成功應用于長春輕軌一期、二期工程,以及大連輕軌工程。LCF-300型CBTC系統(tǒng)即將應用于北京軌道交通亦莊線工程,全部采用國產設備,并同時進行獨立第三方安全認證。目前該工程已經開始實施,預計2010年底開通運營。該系統(tǒng)在成功應用于亦莊線工程后,國內軌道交通信號系統(tǒng)的國產化將迎來嶄新的一頁。

2 信號系統(tǒng)全部國產化方案

2.1 準移動閉塞方案

由中國鐵路通信信號集團公司研制開發(fā)的FZL型準移動閉塞系統(tǒng)是由國家計委和鐵道部立項,由國家計委、鐵道部和中國鐵路通信信號總公司聯合投資開發(fā),具有自主知識產權的國產信號系統(tǒng)。它主要由以下幾個部分組成:列車自動監(jiān)督(Automatic Train Supervision,簡為ATS)子系統(tǒng)區(qū)域控制中心,數字軌道電路,車載設備等。FZL型信號系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 FZL系統(tǒng)基本結構示意圖

ATS子系統(tǒng)是一個分布式的計算機監(jiān)控系統(tǒng),負責全線列車運行的集中監(jiān)控與管理。區(qū)域控制中心是基于成熟的DS6-11升級型計算機聯鎖系統(tǒng)開發(fā)的,運用網絡通信技術構成多機分布式控制系統(tǒng),實現正線基本的聯鎖功能;并根據一次制動模式控制原理,通過數字軌道電路,完成地對車的信息傳輸,實現對列車的超速防護控制。數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,同時將列車的位置信息返回給區(qū)域控制中心。車載設備根據接收到的地面信息和列車信息實現列車超速防護、無意識移動防護、車門防護、實時數據記錄,以及臨時限速和緊急關閉等功能。

車載設備提供了三種駕駛模式:列車自動防護(Automatic Train Protection,簡為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。由于車載設備能夠連續(xù)地收到地面ATP信息,因此系統(tǒng)能夠實現準移動閉塞方式,即一次制動的固定閉塞,如圖2所示。

圖2 基于數字軌道電路的準移動閉塞式ATC連續(xù)曲線速度控制示意圖

2.2 移動閉塞方案

由北京交通大學開發(fā)研制的LCF-300型CBTC系統(tǒng),具有完全自主知識產權。該系統(tǒng)是保證行車安全、提高區(qū)間和車站通過能力,以及實現行車指揮和列車自動化、提高運輸效率的關鍵設備。它由中央控制列車監(jiān)督系統(tǒng)ATS、ATP、ATO、計算機聯鎖 CI系統(tǒng)、數據通信系統(tǒng)(Data Communication System,簡為DCS)等五個部分組成。其中最核心的ATP系統(tǒng)采用了CBTC,可以實現移動閉塞;同時為了提高信號系統(tǒng)的可靠性與可用性,將基于點式的ATP系統(tǒng)作為CBTC系統(tǒng)的后備模式。系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

ATS子系統(tǒng)負責列車運行的集中監(jiān)控與管理,實現進路自動設置,按時刻表控制列車運行,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行,包括列車位置檢測、列車間隔控制和超速防護、車門及屏蔽門的安全監(jiān)控、站臺緊急停車、列車非正常移動控制等。ATO實現自動控制列車運行,根據ATS的指令實現列車的自動駕駛,能夠自動完成對列車的起動、牽引、巡航、惰行和制動的控制。聯鎖子系統(tǒng)實現信號機、道岔、軌道區(qū)段的正確的聯鎖關系,控制進路安全,以及控制屏蔽門和緊急停車按鈕。DCS的主要作用是在各個子系統(tǒng)之間傳輸ATC報文。

裝備CBTC設備的列車(包括軌旁設備)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,以及車載或軌旁設備的操作狀態(tài)有關。在CBTC系統(tǒng)中有自動駕駛模式、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、自動折返駕駛模式。在CBTC區(qū)域,可以實現移動閉塞控制方式,如圖4所示。

圖3 LCF-300型CBTC系統(tǒng)結構圖

圖4 移動閉塞方式連續(xù)曲線速度控制示意圖

2.3 方案比較

基于數字軌道電路的準移動閉塞ATC系統(tǒng)具有20世紀90年代的世界先進水平,是目前已經相當成熟的ATC系統(tǒng),在國內外已經得到廣泛的應用,具有較為豐富的運用和運營經驗,這使得FZL準移動閉塞系統(tǒng)的應用有現成的經驗可循。由于采用準移動閉塞方式,全線設置軌道電路等地面設備,其系統(tǒng)故障轉向備用模式或系統(tǒng)復原處理較為容易。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,數據傳輸速度和容量受到限制,室內及軌旁設備較多,維護量相應增大,專用的設備、復雜的調試及安裝導致較高的生命周期成本;與此同時,隨著列車追蹤間隔的縮短,軌旁設備增多,維護工作量增大。

FZL準移動ATC系統(tǒng)在國內的應用經驗,為軌道交通信號系統(tǒng)的全部國產化提供了寶貴經驗及可行方案,但只能實現中等技術水平的列車自動控制系統(tǒng)。

基于無線通信的移動閉塞ATC系統(tǒng),是采用當今先進的通信和信息技術的技術領先型系統(tǒng),代表了城市軌道交通領域信號系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。LCF-300型CBTC系統(tǒng)可以滿足現代軌道交通信號系統(tǒng)的性能要求,國產化率可達到100%。

LCF-300型CBTC移動閉塞系統(tǒng)中,軌旁無線通信設備多為免維護設備,與鋼軌或道床沒有直接關系,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)可維護性。較少的軌旁設備、通用的商業(yè)現貨、簡單的設備安裝和較少的設備維護等,使其生命周期成本降低。特別是基于無線通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)的采用,將使軌道交通路網中多條線路實現互聯互通成為可能。

綜上所述,基于數字軌道電路的準移動閉塞ATC系統(tǒng)的國產化率也可以做到100%,而其自身的特點及實現的功能最終導致其被更加先進的基于通信的列車控制系統(tǒng)所代替。而對于基于通信的ATC系統(tǒng)而言,比傳統(tǒng)系統(tǒng)在技術上更具有優(yōu)勢,成為當前軌道交通信號系統(tǒng)的主流產品。LCF-300型CBTC移動閉塞系統(tǒng)的應用,將使基于通信的ATC系統(tǒng)全部國產化成為可能。

3 國產化實施步驟

鑒于國產信號ATC系統(tǒng)的ATO子系統(tǒng)目前還不成熟,對于全部采用國產信號設備的軌道交通工程,可以首先開通基于點式應答器的ATP功能或暫按后備信號系統(tǒng)開通,按基于點式應答器的ATP模式或站間閉塞運營;信號系統(tǒng)工程設計按CBTC要求一次到位;室內外及車載預留ATO子系統(tǒng)軟硬件功能,待 ATO子系統(tǒng)成熟后,完善ATO功能,硬件和軟件在相應設備上增加或修改完善,建成完整的ATC系統(tǒng)。

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