淺談城市軌道交通信號系統(tǒng)工程設計

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. 淺談城市軌道交通信號系統(tǒng)工程設計 摘要:城市交通運輸是影響和制約城市發(fā)展的重要因素，軌道交通信號系統(tǒng)是保障運輸安全，提高運營效益的重要工具。本文結(jié)合城市軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，以基于通信的移動閉塞制式實際工程設計當中所遇到的實際情況對目前城市軌道交通信號系統(tǒng)的閉塞制式比較，系統(tǒng)構(gòu)成等進行分析。 　　 　　關鍵詞:城市軌道;信號系統(tǒng);工程設計;CBTC 　　1 引言 　　城市軌道交通信號系統(tǒng)是保證列車運行安全,實現(xiàn)行車指揮和列車運行現(xiàn)代化,提高運輸效率的關鍵系統(tǒng)設備。城市軌道交通信號工程造價高,高科技內(nèi)容含量高,涉及到通信技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和遠程控制技術等。從事這一領域的企業(yè),要求企業(yè)的擁有較高的技術水平和自主創(chuàng)新能力。 　　2 城市軌道交通信號系統(tǒng)方案 　　一般城市軌道交通線路在城市交通疏解任務中擔當非常重要的角色，為滿足以上要求，地鐵信號系統(tǒng)應采用完整的、先進的、高效的列車控制系統(tǒng)。 　　(1)正線信號系統(tǒng)采用完整的列車自動控制（ATC）系統(tǒng)，由ATS、ATP、ATO、聯(lián)鎖設備組成。 　　(2)車輛段/停車場由聯(lián)鎖設備、微機監(jiān)測設備、ATS分機等主要設備組成。 　　a)閉塞方式分析 　　目前城市軌道交通的信號系統(tǒng)主要有準移動閉塞和移動閉塞系統(tǒng)選擇。 　　1.基于目標距離模式的準移動閉塞ATC系統(tǒng) 　　目標距離模式一般采用音頻數(shù)字無絕緣軌道電路，具有較大的信息傳輸量和較強的抗干擾能力。列車車載設備根據(jù)由鋼軌傳輸而接收到的聯(lián)鎖、軌道電路編碼、線路參數(shù)、控制管理等報文信息，對列車追蹤運行以及折返作業(yè)進行連續(xù)的速度監(jiān)督，實現(xiàn)超速防護，控制列車運行間隔，以滿足規(guī)定的通過能力。由于音頻數(shù)字軌道電路傳輸信息量大，可向車載設備提供目標速度、目標距離（指從占用音頻軌道電路始端至停車點的距離）、線路狀態(tài)（坡道、彎道數(shù)據(jù)等），使ATP車載設備結(jié)合固定的車輛性能數(shù)據(jù)計算出適合于本列車運行的模式速度曲線。 　　2.移動閉塞系統(tǒng)（CBTC） 　　基于通信的移動閉塞列車控制系統(tǒng)技術先進，是列車控制技術的發(fā)展方向，代表了國際ATC的先進水平。 　　★ 獨立于軌道電路的高精度列車定位； 　　★ 連續(xù)、大容量的車－地雙向數(shù)據(jù)通信； 　　★ 車載和軌旁的處理器執(zhí)行安全功能。 　　CBTC系統(tǒng)采用自由空間無線天線、交叉感應電纜環(huán)線、漏泄電纜以及裂縫波導管等方式實現(xiàn)車-地、地-車間雙向數(shù)據(jù)通信。軌旁ATP設備根據(jù)列車的位置信息和進路情況計算出每一列車的移動權限，并動態(tài)更新，通過連續(xù)車地通信設備發(fā)送給列車。車載設備根據(jù)接收到的移動授權和自身的運行狀態(tài)計算出列車運行速度曲線和防護曲線，在ATP子系統(tǒng)的防護下，ATO子系統(tǒng)或人工駕駛控制列車在該速度曲線下運行。后續(xù)列車可最大限度地接近前行列車尾部，與之保持一個安全距離。在保證安全的前提下，CBTC系統(tǒng)能最大程度地提高區(qū)間通過能力，不受軌道電路區(qū)段分割的限制。 　　雖然CBTC系統(tǒng)在調(diào)試時存在一些不盡如人意的地方，但是CBTC系統(tǒng)在具有自身優(yōu)越性的同時已經(jīng)成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的首選方案。其相對于準移動閉塞系統(tǒng)的優(yōu)越性是不可取代的。 　　4 城市軌道交通信號系統(tǒng)構(gòu)成 　　信號系統(tǒng)設備按地域劃分可分為控制中心設備、車站與軌旁設備、車輛段和停車場設備、維修中心設備及車載設備五部分。 　　控制中心的設備主要是ATS子系統(tǒng)的中央級設備及顯示終端設備。 　　a)控制中心設備（ATS） 　　1.控制中心ATS系統(tǒng) 　　信號系統(tǒng)的控制中心設備設于控制中心大樓內(nèi)，是列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）的核心部分，設冗余ATS服務器，網(wǎng)絡時鐘服務器、總調(diào)度長及行車調(diào)度員工作站、綜合顯示系統(tǒng)、中心計算機系統(tǒng)、運行圖編輯工作站、維護工作站、培訓模擬工作站、網(wǎng)絡設備及電源設備等。 　　（1）ATS服務器 　　信號設備室設置中心計算機系統(tǒng)，包括ATS系統(tǒng)中心控制主機、中心通信處理器、中心數(shù)據(jù)服務器、中心局域網(wǎng)及各自配備的外部設備。為了保證系統(tǒng)的可靠性，上述主要硬件設備采用雙機熱備方式。 　?。?）調(diào)度長及行車調(diào)度員工作站 　　根據(jù)車站及線路配置情況及行車組織要求，一般情況下在控制中心中央控制室各線設置3個行車調(diào)度工作站，其中兩個行車調(diào)度員工作站，一個調(diào)度長工作站。 　?。?）運行圖編輯工作站 　　在運行圖室設置運行圖編輯工作站及相應的打印設備，用于運行計劃人員編制及修改列車運行時刻表，通過人機對話可以實現(xiàn)對運行時刻表的編輯、修改及管理。 　　（4）維護工作站 　　在維護室設維護工作站。維修工作站主要用于ATS系統(tǒng)的維護及修改系統(tǒng)數(shù)據(jù)、ATC系統(tǒng)的故障報警處理等。 　?。?）培訓、模擬工作站 　　在培訓室設置培訓、模擬工作站及打印機，工作站內(nèi)配有各種系統(tǒng)編輯、裝配、連接和系統(tǒng)構(gòu)成工具以及列車運行仿真的軟件?？膳c調(diào)度員工作臺具有相同的顯示內(nèi)容和相同的控制功能，并能實際仿真列車在線運行及各種異常情況，而不參與實際的列車控制。 　?。?）繪圖儀和打印機 　　打印室配備兩臺彩色激光網(wǎng)絡打印機和一臺網(wǎng)絡繪圖儀，用于輸出運行圖及各種報表。 　　（7）控制中心綜合顯示屏（大屏幕） 　　綜合顯示屏顯示的信息及實現(xiàn)的功能： 　　★實現(xiàn)正線列車運行及信號系統(tǒng)設備狀態(tài)的監(jiān)視 　　★顯示行車信息 　　★CCTV圖像 　　★行車、防災、電力調(diào)度等有關的綜合信息 　　其顯示內(nèi)容采用區(qū)域顯示方式，并可根據(jù)調(diào)度的要求調(diào)整顯示畫面。 　?。?）電源設備 　　電源室設置ATS電源系統(tǒng)，包括為ATS設備正常工作提供電量的電源屏及在線式UPS，可提供30分鐘后備電源的免維護電池。 　　2.車站ATS設備 　　正線車站ATS設備設在設備集中站，由車站ATS分機、通信接口設備、車控室操作設備等組成。 　?。?）車站ATS分機采用數(shù)據(jù)通信接口設備，該設備為雙套冗余。 　?。?） 車站工作站由鍵盤及彩色顯示器組成，當中心設備故障或下放控制權時，車站工作站可完成對進路、信號機的控制。 　?。?） 通信接口設備與通信傳輸設備配合完成車站ATS與中心ATS間信息傳輸及各種通信。 　?。?）發(fā)車指示器，設在發(fā)車站臺端部。 　　3.車輛段、停車場ATS設備 　　（1）車場信號設備室設一臺ATS分機，與車場聯(lián)鎖系統(tǒng)接口。 　?。?）行車值班室和車輛派班室各設一臺終端以及必要的打印機。 　?。?）與OCC（控制中心）通信的傳輸網(wǎng)及其接口。 　　b)車站與軌旁設備 　　1.正線設備集中站室內(nèi)設備包括聯(lián)鎖設備、ATP/ATO設備、車地雙向通信室內(nèi)設備、列車空閑檢測設備、ATS車站設備、電源設備等。 　　2.站臺設備包括發(fā)車時間指示器、緊急停車按鈕、PIS系統(tǒng)。發(fā)車指示器：設置于發(fā)車正方向站臺端部，每站臺1個。緊急停車按鈕：每側(cè)站臺設置2個，設置位置應便于緊急情況下的使用。 　　3.軌旁包括轉(zhuǎn)轍機、信號機、列車占用檢查設備、車地通信設備等。 　　4.在非設備集中站，將主要設置電纜分線架、安全門接口設備、ATS接口設備、軌旁信號機等。 　　5.在全線所有車站的控制室設緊急后備盤。在車站值班員認為必要的情況下，可通過按壓緊急后備盤上的有關按鈕。 　　6.對于聯(lián)鎖設備集中站，在車站控制室還應設置用于車站級控制的控制工作站，用于在車站級控制情況下，能對本聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)的信號元素進行監(jiān)控以及故障報警。 　?。?）設備集中站的設置 　　綜合考慮聯(lián)鎖設備、ATP、ATO和ATS車站設備的控制能力及控制距離的要求，正線區(qū)段的ATP/ATO室內(nèi)設備原則上集中設置于設備集中站。設備集中站的設置及控制范圍需結(jié)合線路具體情況及運營需求統(tǒng)籌考慮，此處不再贅述。 　?。?）軌旁ATP/ATO設備 　　1）軌旁骨干網(wǎng) 　　信號系統(tǒng)利用光纖及通信設備自行組建用于安全信息交換的冗余的通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡應符合開放的IEEE802.3標準。該網(wǎng)絡也可以傳輸ATS信息。 　　2）車－地通信軌旁設備 　　軌旁設備包括軌旁設備、區(qū)間接入點設備、天線以及連接這些設備的光纜及電纜等組成。區(qū)間接入點與骨干通信網(wǎng)的連接應是冗余的。 　　區(qū)間接入點的布置位置及數(shù)量應該滿足任意區(qū)間點的無線重疊覆蓋，即任何單個的區(qū)間接入點故障不影響車－地的正常通信。 　　3）地面信標 　　★信標是CBTC的重要組成部分，其作用為： 　　★列車位置初始化，即運行方向判定； 　　★列車位置校準； 　　★輪徑磨耗自動補償； 　　根據(jù)目前市場實際情況，有歐標和查詢信標兩種方式可供選擇：歐標應答器具有更強的數(shù)據(jù)傳輸能力并且適應更高的速度，并且進行了國產(chǎn)化。查詢信標具有價格優(yōu)勢。 　?。?）正線聯(lián)鎖設備 　　聯(lián)鎖設備設于設備集中站，按照車站配線及控制范圍考慮聯(lián)鎖集中站，主要包括計算機聯(lián)鎖設備及設備機架，完成信號機、進路、道岔的聯(lián)鎖等功能。 　　1）正線區(qū)段信號機的顯示方式符合該項目所在城市地鐵相關規(guī)范的要求并考慮CBTC系統(tǒng)的實際情況。 　　通常正線區(qū)段地面防護信號機的顯示方式如下： 　　★紅燈―禁止通行，列車在信號機前停車； 　　★綠燈―進路開通道岔直向位置，準許列車按規(guī)定速度運行； 　　★黃燈―進路開通道岔側(cè)向位置，準許列車按規(guī)定的限制速度運行； 　　★黃燈+紅燈―引導信號，允許列車以不大于25km/h（具體根據(jù)運營要求確定）速度越過該信號機繼續(xù)運行，并隨時準備停車。 　　2）全線設輔助列車檢測設備，采用計軸設備。 　?。?）車載設備 　　每列車原則上配備兩套車載ATP/ATO單元。包括車載ATP/ATO主機機柜、速度傳感器、控制顯示單元以及車地通信天線等主要設備。每套ATP/ATO車載設備的關鍵設備均采用冗余結(jié)構(gòu)。 兩套車載單元互為熱備，熱備切換時不能影響列車的正常運營。 　　人機界面的主要內(nèi)容包括： 　　★列車實際速度/最大允許速度顯示 　　★目標距離/速度顯示 　　★駕駛狀態(tài)（動力運行、惰行和制動）顯示 　　★駕駛模式（ATO、人工ATP、限速人工、自動折返）表示 　　★ATO模式啟動按鈕 　　★自動/人工關門開關及表示 　　★列車折返表示 　　★列車停車精度（到位）情況 　　★門表示（含司機室車門）及控制元件 　　★緊急制動的啟動表示 　　★ATP/ATO故障表示 　　★駕駛員輸入有關數(shù)據(jù)（輪徑、乘務組號、車輛號、目的地號等） 　　★列車完整性表示 　?。?）在運行交路的折返站，將考慮在站臺設有折返按鈕和折返設備，實現(xiàn)列車折返或車載設備駕駛端的自動轉(zhuǎn)換。 　　c)系統(tǒng)后備模式設備 　　正線ATC系統(tǒng)在通信設備故障時可全部或局部按照設定的后備模式（限制人工駕駛模式）運行。后備模式通過計軸、發(fā)車表示器、信號機、聯(lián)鎖、應答器及相應編碼設備等設備完成對列車的運行控制。 　　在線路上的每架信號機、道岔以及各車站正向出站處附近設置計軸設備，用于軌道空閑的檢測，在移動閉塞ATC系統(tǒng)通信故障時，降級為后備模式，聯(lián)鎖系統(tǒng)利用這些設備配合ATP和機車信號控制列車安全運行。 　　d)車輛段、停車場設備 　　車輛段/停車場信號設備主要有車場ATS分機、聯(lián)鎖設備、監(jiān)測設備、試車線設備、培訓設備及日常檢修和檢查等設備。行車控制室設有計算機聯(lián)鎖監(jiān)視、操作終端設備和ATS工作站。通過ATS工作站可監(jiān)視出入段線和正線部分的列車運行情況。 　　1.車場ATS設備 　?。?）車場信號設備室設一臺ATS分機，與車場聯(lián)鎖系統(tǒng)接口。 　　（2）行車值班室和車輛派班室各設一臺終端以及必要的打印機。 　?。?）與OCC通信的傳輸網(wǎng)及其接口。 　　2.聯(lián)鎖設備 　　計算機聯(lián)鎖室內(nèi)設備主要包括聯(lián)鎖機柜、接口柜、防雷柜、繼電器柜、分線盤設備和UPS電源等，電源室設有智能電源屏。設備室同時設有計算機監(jiān)測的下位機設備和維修監(jiān)測工作站等。 　　3.試車線設備 　　在試車線旁設置試車設備室和控制室，裝設與正線相同的ATP、ATO室內(nèi)設備，軌旁設備以及相應的試驗設備。 　　室內(nèi)設備包括：試車線工作站和控制盤、ATP/ATO線路計算機設備、電源屏及UPS電源等，同時還應包括與屏蔽門接口的模擬設備。 　　室外設備包括列車占用檢查設備、車地通信設備、信號機。 　　試車線上的道岔和道岔防護信號機均由車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)控制。作為信號樓聯(lián)鎖控制的一部分。 　　4.計算機監(jiān)測設備 　　車輛段/停車場站場較大，養(yǎng)護維修工作量較多綜合考慮設置鐵道部統(tǒng)一標準的微機監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在國鐵中已全面采用，并可與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)緊密結(jié)合。 　　5.維修中心的信號維修設備 　　信號系統(tǒng)設備維護采用日檢、日常維護、定期檢修方式。日檢包括對每天投入運行列車的ATP/ATO車載設備進行測試；日常維修包括巡視、測試、故障搶修等；檢修工作包括對檢修期滿的設備更換、性能測試、元器件更換及檢修后的測試工作。 .