海外老舊軌道交通信號系統(tǒng)改造技術(shù)方案研究

牛建華 吳 亮

(通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 海外老舊軌道交通信號系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅速，截止2018 年底，我國內(nèi)地開通城市軌道交通的城市已達(dá)35 座，運(yùn)營總里程達(dá)5 766 km。起步較早的北京、上海、廣州和南京等城市已基本形成軌道交通網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，運(yùn)營里程躋身世界前十的行列，城市軌道交通越來越成為人們不可或缺的出行方式。我國內(nèi)地已開通的線路中，信號系統(tǒng)多采用最先進(jìn)的移動閉塞制式，安全，穩(wěn)定，自動化程度高。但在美洲、非洲及東南亞一些國家和地區(qū)，其軌道交通線路使用的信號技術(shù)還停留在20 世紀(jì)六七十年代水平，列車未安裝自動防護(hù)系統(tǒng)，主要靠人工瞭望信號，列車行車安全由人工保證，因此，由于列車未按要求行駛導(dǎo)致的交通事故屢屢發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。此外，這些地區(qū)沒有統(tǒng)一的信號系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在同一條線路上，可能存在幾個(gè)信號廠商的信號制式，不利于管理?；谝陨犀F(xiàn)狀，相關(guān)國家迫切需要在既有線路上進(jìn)行信號系統(tǒng)的升級改造，以解決這些問題，同時(shí)提出了以下需求：

1） 不改變既有信號系統(tǒng)運(yùn)營規(guī)則；

2） 改造方便，施工工期短；

3） 造價(jià)低廉。

2 傳統(tǒng)列車自動防護(hù)系統(tǒng)概述

2.1 基于應(yīng)答器的列車自動防護(hù)系統(tǒng)

基于應(yīng)答器的列車自動防護(hù)系統(tǒng)由車載控制主機(jī)、人機(jī)顯示界面（HMI）、聯(lián)鎖系統(tǒng)、計(jì)軸設(shè)備、LEU 及應(yīng)答器構(gòu)成，其主要實(shí)現(xiàn)列車超速防護(hù)和危險(xiǎn)點(diǎn)防護(hù)功能，如圖1 所示。

圖1 基于應(yīng)答器的列車自動防護(hù)系統(tǒng)Fig.1 Automatic train protection system based on balises

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理為：聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)路控制功能，控制信號機(jī)的顯示并將信號機(jī)的顯示狀態(tài)經(jīng)LEU發(fā)送給地面可變應(yīng)答器。車載控制主機(jī)控制列車在線路允許的最高限速下運(yùn)行，若列車速度超過允許限速，則車載控制主機(jī)輸出緊急制動迫使列車停車，實(shí)現(xiàn)頂棚速度防護(hù)功能。當(dāng)列車經(jīng)過可變應(yīng)答器上方時(shí)，車載控制主機(jī)通過應(yīng)答器天線接收來自可變應(yīng)答器的信號機(jī)顯示信息。若信號機(jī)為紅燈，則車載控制主機(jī)輸出緊急制動迫使列車停車，從而實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)防護(hù)功能。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于成本較低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)在于車地通信為點(diǎn)式通信，列車僅在距信號機(jī)較近距離時(shí)方可獲取前方信號機(jī)的顯示信息，在收到信號機(jī)紅燈信息時(shí)，無法保證停在信號機(jī)外方，故其需在信號機(jī)外方設(shè)置獨(dú)立的閉塞分區(qū)作為保護(hù)區(qū)段（如：滿足雙紅燈防護(hù)（Red-over-Red）原理的閉塞制式）。

2.2 基于WLAN或LTE無線通信的列車自動防護(hù)系統(tǒng)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，基于無線通信（Radio）的列車自動防護(hù)系統(tǒng)得到蓬勃發(fā)展，目前市場運(yùn)用較為廣泛的是基于WLAN 或LTE 無線通信的列車自動防護(hù)系統(tǒng)。基于WLAN 或LTE 無線通信的列車自動防護(hù)系統(tǒng)由車載控制主機(jī)、HMI、聯(lián)鎖系統(tǒng)、地面區(qū)域控制系統(tǒng)等構(gòu)成，其主要實(shí)現(xiàn)列車超速防護(hù)、列車追蹤控制、危險(xiǎn)點(diǎn)防護(hù)等功能，如圖2 所示。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理為：聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)路控制功能，并將軌道占用情況發(fā)送給地面區(qū)域控制系統(tǒng)。地面區(qū)域控制系統(tǒng)通過無線通信實(shí)時(shí)與車載控制主機(jī)保持通信，獲取列車實(shí)時(shí)位置，并依據(jù)軌道占用情況及列車位置生成行車許可，將行車許可發(fā)送給車載主機(jī)。車載主機(jī)依據(jù)收到的行車許可信息，生成目標(biāo)—距離速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該行車許可終點(diǎn)前停車，保證列車行車安全。行車許可終點(diǎn)位置可能為前車尾部或信號機(jī)前方。

圖2 基于WLAN或LTE無線通信的列車自動防護(hù)系統(tǒng)Fig.2 Automatic train protection system based on WLAN or LTE wireless communication

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于車地通信為連續(xù)式通信，列車可實(shí)時(shí)獲取列車前方進(jìn)路狀態(tài)，保證列車能在紅燈或前車車尾前停車。且可實(shí)現(xiàn)移動閉塞，運(yùn)營效率高。本系統(tǒng)缺點(diǎn)在于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，且造價(jià)高，改造難度較大。

2.3 其他列車自動防護(hù)系統(tǒng)

除了上述兩種列車自動防護(hù)系統(tǒng)外，應(yīng)用較廣泛的還有如下典型的列車自動防護(hù)系統(tǒng)。

1）基于軌道電路（Track circuit）的列車自動防護(hù)系統(tǒng)：其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式通信。缺點(diǎn)是改造施工不方便，且成本較高，不利于維護(hù)。

2）基于環(huán)線（Loop）的列車自動防護(hù)系統(tǒng)：其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式通信。缺點(diǎn)是需大面積鋪設(shè)，施工成本較高，且易損壞，不利于維護(hù)。

針對國外業(yè)主提出的3 點(diǎn)需求，以及傳統(tǒng)列車自動防護(hù)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文擬采用無線WaveMesh網(wǎng)絡(luò)，對海外既有老舊線路進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)列車自動防護(hù)系統(tǒng)功能。

3 適用于海外改造的列車自動防護(hù)系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無線WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)的列車自動防護(hù)系統(tǒng)由WaveMesh 集中器、車載主機(jī)、人機(jī)顯示界面、無線天線和信號機(jī)采集裝置構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，車載主機(jī)、人機(jī)顯示界面、無線天線在車頭和車尾各設(shè)置一套，首尾互為冗余。

圖3 基于無線WaveMesh網(wǎng)絡(luò)的列車自動防護(hù)系統(tǒng)Fig.3 Automatic train protection system based on wireless WaveMesh network

系統(tǒng)與既有聯(lián)鎖系統(tǒng)無接口，WaveMesh 集中器接收信號機(jī)狀態(tài)采集裝置發(fā)送的信號機(jī)顯示信息，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給車載主機(jī)，WaveMesh 集中器安裝于列車中部。

單端車載主機(jī)由主控單元、WaveMesh 節(jié)點(diǎn)、GPS 模塊組成。主控單元負(fù)責(zé)進(jìn)行核心的邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)防護(hù)功能。WaveMesh 節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與WaveMesh 集中器通信。GPS 模塊負(fù)責(zé)對列車進(jìn)行定位（注：此定位方式僅適用于較空曠的區(qū)域，如市郊鐵路、輕軌等，地鐵線路需選用其他定位方式）。

信號機(jī)采集裝置由信號采集電路和WaveMesh節(jié)點(diǎn)組成。信號采集電路負(fù)責(zé)采集信號機(jī)的狀態(tài)信息，WaveMesh 節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與WaveMesh 集中器通信。

3.2 系統(tǒng)原理及功能

WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是分布式的對等網(wǎng)絡(luò)，采用私有路由協(xié)議，能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)中的路由冗余，可以時(shí)刻感知網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，迅速平滑切換路由同時(shí)保持流暢的數(shù)據(jù)傳輸，其主要有幾個(gè)方面優(yōu)勢。

1）分布式對等網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)容量大。

2）可靠數(shù)據(jù)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，健壯和自愈性好。

3）低功耗，設(shè)備成本低，喚醒時(shí)間快。

4）組網(wǎng)快：整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完全沒有初始化的過程，節(jié)點(diǎn)上電后可以立即進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入、離開網(wǎng)絡(luò)。

5）安裝簡單、免維護(hù)：現(xiàn)場安裝不需要任何手工設(shè)置。

當(dāng)列車前方信號機(jī)顯示為禁止信號，時(shí)（紅燈），如圖4 所示，信號機(jī)狀態(tài)采集裝置將采集到的信號機(jī)顯示信息并通過WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載WaveMesh 集中器，車載WaveMesh 集中器將該信息發(fā)送給兩端的車載主機(jī)，車載主機(jī)根據(jù)車載電子地圖及GPS 定位信息確定列車當(dāng)前的位置，進(jìn)而確定列車距前方信號機(jī)的距離，生成目標(biāo)—距離速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該曲線下運(yùn)行。當(dāng)列車速度超過該曲線限速時(shí)，車載主機(jī)輸出緊急制動，確保列車在紅燈前停車。

圖4 系統(tǒng)防護(hù)原理（列車前方信號機(jī)為紅燈）Fig.4 System protection principle(the signal ahead of the train is red)

當(dāng)列車前方信號機(jī)顯示允許信號（綠燈或黃燈）時(shí)，如圖5 所示，信號機(jī)狀態(tài)采集裝置將采集到的信號機(jī)顯示信息通過WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載WaveMesh 集中器，車載WaveMesh 集中器將該信息發(fā)送給兩端的車載主機(jī)，車載主機(jī)根據(jù)車載電子地圖及GPS 定位信息確定列車當(dāng)前的位置，生成以線路最高運(yùn)營速度為限制的固定速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該曲線下運(yùn)行。當(dāng)列車速度超過該固定限速時(shí)，車載主機(jī)才輸出緊急制動。

圖5 系統(tǒng)防護(hù)原理（列車前方信號機(jī)為綠燈或黃燈）Fig.5 System protection principle(the signal ahead of the train is green or yellow)

3.3 故障場景分析

若列車前方信號機(jī)故障，信號機(jī)采集裝置認(rèn)為信號機(jī)顯示為禁止信號，向列車發(fā)送禁止信號，車載主機(jī)生成目標(biāo)—距離速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該信號機(jī)前停車，保證列車行車安全。當(dāng)列車在該信號機(jī)前停車后，可通過某種運(yùn)營方式，監(jiān)控司機(jī)以某一低速駕駛列車越過該信號機(jī)。

若信號機(jī)采集裝置故障，車載主機(jī)無法獲取列車前方信號機(jī)信息，默認(rèn)該信號機(jī)為禁止信號，車載主機(jī)生成目標(biāo)—距離速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該信號機(jī)前停車，保證列車行車安全。當(dāng)列車在該信號機(jī)前停車后，可通過某種運(yùn)營方式，監(jiān)控司機(jī)以某一低速駕駛列車越過該信號機(jī)。

若首端車載主機(jī)故障，系統(tǒng)自動切換為尾端控車，不影響司機(jī)駕駛。

若尾端車載主機(jī)故障，系統(tǒng)保持為首端控車，不影響司機(jī)駕駛。

當(dāng)雙端車載主機(jī)均故障時(shí)，系統(tǒng)可被切除，由司機(jī)按照既有運(yùn)營規(guī)則駕駛列車回庫檢修。

當(dāng)WaveMesh 集中器故障時(shí)，系統(tǒng)將無法工作，為了提高系統(tǒng)可用性，WaveMesh 集中器宜設(shè)計(jì)為冗余結(jié)構(gòu)。

4 各類系統(tǒng)對比

針對用戶的需求，從結(jié)構(gòu)、功能、改造難度及成本方面對基于無線WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)的列車自動防護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)列車自動防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1 所示。

綜上，基于無線WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)的列車自動防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于施工，成本低廉，完全滿足用戶的需求，特別適合國外老舊軌道交通線路的改造。

5 結(jié)語

本文提出一種基于無線WaveMesh 的危險(xiǎn)點(diǎn)防護(hù)系統(tǒng)，對國外老舊軌道交通線路的改造進(jìn)行了初步探索，借此拋磚引玉。盼軌道交通領(lǐng)域相關(guān)工程技術(shù)人員積極對此深入研究，根據(jù)不同地區(qū)運(yùn)營需求，提出更加適宜的解決方案，以加快我國城市軌道交通“走出去”戰(zhàn)略的步伐。隨著“一帶一路”建設(shè)的開展，我國軌道交通信號技術(shù)必將進(jìn)一步獲得世界的認(rèn)可。

表1 列車自動防護(hù)系統(tǒng)對比Tab.1 Comparison of automatic train protection systems