上海城市轨道交通既有列车自动控制(ATC)系统制式的发展历程

上海城市轨道交通列车ATC信号与CBTC信号的发展

在简要论述上海城市轨道交通既有列车自动控制(ATC)系统制式的发展历程后，着重阐明解决多制式信号系统间的互联互通问题的技术策略。基于通信的列车控 制(CBTC)信号系 统代表了城市轨道交通ATC系统的一个发展方向。提出了CBTC的具体实施建议。

、传统信号系统与列车自动控制系统

信号系统即列车控制系统。传统信号系统主要包括区间(站间)闭塞、车站联锁、机车信号、超速防护以及以调度集中(CTC)为主的中央调度控制系统。

列车自动控制(ATC)系统为现代信号系统，主要包括列车自动防护(ATP)、列车自动监控(ATS )与列车自动运行(ATO)子系统，乃至无人驾驶(Driverless)列车控制新技术。

ATP为整个ATC系统的安全核心，负责列车间的安全间隔、超速防护及车门控制。主要包括轨 旁联锁(车站与区间)、车载等设备。ATP的系统制式有不同分类方式：按控制方式分，有台阶式、曲线式；按传输方式分，有点式、连续式；按闭塞方式分，有 固定式、准移动式与移 动式。

ATS为ATC系统的上层管理部分，负责监督、控制协调列车运行，根据客流与实际运行情况 ，选定并维护运行图，自动或人工调整停站或区间运行时间，并与管理信息系统和旅客向导 系统接口。

ATS子系统主要由中央计算机及相关显示、控制与记录设备以及车站ATS设备构成。

ATO需在已 装备ATP子系统的条件下使用，负责自动控制列车车速调整列车运行、形成平滑控制牵引力和 制动力的指令、在一定精度范围内对位停车等。它有利于列车节能并提高旅客乘坐的舒适度和减轻司机的劳动强度。

2、列车运行间隔控制与闭塞方式

列车运行间隔是轨道交通系统的重要指标，反映了系统的最大载客能力，并直接影响系统的设计标准与复杂程度，从而影响造价，同时还隐含系统的适应性或灵 活性。

列车运行间隔的控制是列车控制的核心，以故障-安全原则并对其进行量化、认证(包括硬件、软件及系统)，确保系统的可靠性、安全性与可用度，达到安全 与效率的统一。

行车闭塞方式可分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。其比较图见图1。 固定闭塞的特点：

(1)线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区，一个分区只能被一列车占用； (2)闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计；

(3)列车间隔为若干闭塞分区，而与列车在分区内的实际位置无关； (4)制动的起点和终点总是某一分区的边界；

(5)要求运行间隔越短，闭塞分区(设备)数也越多，列车最小运行间隔≥120s； (6)采用模拟轨道电路，轮轴传感器，加点式或环线传输，信息量少。

准移动闭塞的特点：

(1)线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区，一个分区只能被一列车占用； (2)闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计；

(3)列车间隔为若干闭塞分区，而与列车在分区内的实际位置无关；

(4)制动的起点可以延伸，但终点总是某一分区的边界(根据每个区段的坡道、曲线半径等参 数，包含在报文中)；

(5)要求运行间隔越短，闭塞分区(设备)数也越多，列车最小运行间隔≥100s； (6)采用报文式数字轨道电路，辅之环线或应答器，信息量较大。

移动闭塞的特点：

(1)线路没有固定划分的闭塞分区，列车间隔是动态的，并随前一列车的移动而移动；

(2)列车间隔是按后续列车在当前速度下所需的制动距离，加上安全余量计算和控制的，确保不追尾；

(3)制动的起点和终点是动态的，轨旁设备的数量与列车运行间隔关系不大； (4)列车最小运行间隔可做到≤80s。

(5)采用先进的通信的地-车双向传输，信息量大，易于实现无人驾驶。 基于通信的列车控制(CBTC)

基于通信的列车控制(简记为CBTC)是一种采用先进的通信、计算机技术，连续控制、监测列车运行的移动闭塞方式。它摆脱用轨道电路判别对闭塞分区占 用与否，突破了固定闭塞的局限性。

CBTC实现列车与轨旁设备实时双向通信且信息量大，改变了以往列车运行时信息只能由轨旁设备向车上传递，信息量少的缺点。

CBTC能大大减少轨旁设备，安装维修方便。在进一步完善其降级使用模式后，有利于降低运营成本；

CBTC便于短编组、高密度运行，可缩短站台长度和端站尾轨长度，提高服务质量，降低土建 工程投资。

CBTC确立“信号通过通信”的新理念，使列车与地面(轨旁)紧密结合、整体处理，改变以往车-地相互隔离、以车为主的状态。这意味着只要车-地通信 采用统一标准协议后，就易于实现不同线路间不同类型列车的联通联运。 上海轨道交通ATC系统发展策略

上海市轨道交通既有信号系统可分两类：第一类即所谓的目标-距离式准移动闭塞系统，以地铁2号线、3号线为代表，采用数字编码轨道电路、曲线式速度调 整方式；第二类为固定 闭塞与点式信号系统，分别以地铁1号线和莘闵轻轨为代表。 ATC系统技术与制式的选择必须有利于实现不同线路间的联通联运，为此特提出如下建议：

(1)必须考虑既有系统的充分利用、近期实施的可能性，同时也要兼顾满足中长期发展目标的技术手段，分步实施，不可能也不必要求一步到位。

(2)对有联通运行交路的线路，例如在建地铁4号线与已建3号线(部分)有环线运行要求，只能采用同一信号制式。

(3)对2005年计划完成的新线项目，其信号系统制式应以上述两类既有制式为主，保持一致或兼容；第一类宜用于骨干地铁线路，第二类宜用于不设 ATO的轻轨线路，并力求扩大国产化率，做到降低成本。

(4)应根据上海市轨道交通网规划设置的车辆段、停车场和控制中心，以及线路间联通联运的要求，分区域并按其相关线路确定同一信号制式与车辆类型，以 减少备用车辆数。

(5)积极跟踪研究以CBTC为代表的列车控制新技术，注意吸取国外成功的先进经验，推动建立具有通用性、开放性、便于实现联通联运的技术标准，力争 在2010年前计划建成的200km线路中尽量统一制式，实现联通联运，并有多家(包括国内)供货商支持，通过竞争促进技术发展、降低工程造价。

上海地铁建设有限公司与上海市建委轨道交通(学科)研究发展中心于2002年10月14日至10月16日在上海组织召开了“基于通信的列车控制与联通 联运国际研讨会”。会议特别邀请了美 国PASONS国际咨询公司等专家介绍了CBTC发展动态，并对上海市轨道交通实现联通联运的可能性方案进行初步讨论，取得良好效果。本文已参考或体现该 研讨会的相关论点，并建议今后继续组织国内外专家进行专题讨论，以促进上海市轨道交通的技术发展与合理配置。 小P__俊俊 发表于 2007-6-21 18:52

目前,既有上海轨道交通线所采用的列车自动控制系统(A TC 系统) 各不相同。上海轨道交通1 号线采用了美国GRS 公司(现为AL STOM 公司的一部分) 的A TC 系统,上海轨道交通2 号线采用了美国USS 公司的技术,上海轨道交通3 号线(明珠线一期) 采用了法国ALSTOM 公司的A TC 技术, 而上海轨道交通5 号线(莘闵轻轨线) 采用了德国SIEMENS 公司的设备。下面从不同的方面对这四套系统进行比

较。

1 上海轨道交通A TC 系统概况

1 号线(地铁1 号线) 一期工程北起上海火车站,南至上海南站,后南延伸至莘庄。1 号线及南延伸共计16 个车站,约22 km , 设7 个信号设备集中站和一个车辆段,现已全线开通使用。1 号线北延伸自上海火车站起向北延伸12. 5 km , 经过8 个车站,终点站为泰和路,设4 个设备集中站。1 号线是一个重轨运输系统,采用灵活的6 节编组(具备将来8 节编组升级的能力),并装备了列车自动控制系统(A TC) 的全套设备。车载A TP 设备双套冗余,A TO 设备单套。

2 号线(地铁2 号线) 西起浦西的中山公园,东至浦东的张江站,现有13 座车站,全程18. 16 km , 设有4 个联锁集中站和2 个非联锁集中站。2 号线正向运行实现完全的自动控制, 包括A TP 、A TO 、A TS 功能。车载A TP 设备双套冗余,A TO 设备单套。

3 号线(明珠线一期) 由漕河泾至江湾镇,全程24. 975 km , 共包括19 个车站、一个车辆段。系统==设10 个设备集中站。控制中心设于宝兴路站控制中心。3 号线装备了全套的A TC 系统,车辆采用6 节编组和8 节编组。

5 号线(莘闵轻轨线) 由莘庄站至闵行开发区,全长约17 km 。正线共设13 座旅客车站,除莘庄站为地面车站外,其余均为高架车站。系统设5 个联锁集中站。5 号线装备了全套的A TP 、A TS 系统, A TO 功能没有要求,车辆采用6 节编组和8 节编组。

2 轨道电路的比较

轨道交通1 号线采用音频无绝缘轨道电路,将4 种列车检测载频调制在2 个码率上,并有序地使用在线路上,以达到列车检测的目的。机车信号载频为2 250 Hz , 调制在10 个码率上,以向列车传输8 个速度码(1 个预留) 、2 个开门信息;同时,无码表示停车信息。

2 号线采用AF -902 和AF -904 数字式无绝缘轨道电路检测列车的位置。轨道电路采用9. 5 ～16. 5 kHz 的载频,用频移键控(FSK) 方式进行调制,向列车传送信息,传输速率为200 bit/ s。轨道电路向车载设备传送的信息除信息头和CRC 校验外,还包括轨道电路号、运行方向、下一个载频、线路限速、目标速度和停稳信息等。

3 号线采用D TC921 -1 型无绝缘Digicode 数字轨道电路,D TC921 -1 可分别采用8 个不同的载频进行信息传输,用MSK 方式进行调制。Digi2 code 用于列车检测时传输速率为400 bit/s , 与SACEM 地对车通讯时为500 bit/s , 支持双向传输,在地铁中仅用了地到车通讯。轨道电路向车载设备发出的报文包括长报文(区段的进路地图) 和短报文(区段的轨道电路和道岔的状态) 。

5 号线采用FTGS 音频无绝缘轨道电路,用S -bond 电气隔离接头进行分割,轨道电路具有4 个频率。系统经数据传输点(轨道耦合线圈) 点式向车载设备传输

信号和线路信息,也可用环线进行连续传输。轨道耦合线圈使用FSK 制式,传输速率为50 kbit/ s。

就轨道电路而言,3 号线采用的技术是最为先进的。它实现了地面设备向车载设备连续传送A TP 所需信息,且具有500 bit/ s 的较高传输速率。较为可惜的是,它的双向传输功能并没有发挥作用。 3 联锁设备的比较

1 号线和南延伸采用6502 继电联锁,北延伸采用V PI 计算机联锁系统。VPI 计算机联锁是以“数字集成安全保障逻辑(N ISAL) ”为基础,采用“故障-安全”设计的专用联锁机系统。系统为双机热备方式。

2 号线采用M ICROLOCKII 计算机联锁系统, 系统为双机热备方式。M

ICORLOCK 单元分为处理安全信号的“IML K”(联锁M ICROLOCK) 和“TML K”(轨道M ICROLOCK) 。

3 号线采用ASCV (V PI2) 计算机联锁系统。ASCV 系统保持了数字集成安全保障逻辑(N ISAL) 等技术,并对CPU 速度和系统容量进行了全面升级,为双机热备系统。5 号线采用SIM IS 计算机联锁系统,3 取2 工作方式,并采用了分散式设备接口模块。系统具有较高的可靠性、可用性和适应能力。

上述各轨道交通线的联锁系统中,5 号线的3 取2 系统具有较高的可靠性,技术较为先进。

4 列车自动保护系统的比较

1 号线采用头、尾各双套冗余的车载设备,其列车自动保护(A TP) 系统基于速度码方式,共有8 个速度码。列车最高速度为80 km/ h , 运行间隔120 s , 设计间隔100 s 。

2 号线采用头、尾各双套冗余的车载设备,基于目标速度方式。设计间隔100 s 。

3 号线采用SACEM 系统,地面设备为3 取2 系统,车载设备头、尾主/ 备双重配置。基于目标距离方式。地面设备向车载设备传送区段的进路地图、区段的轨道电路和道岔的状况,由车载设备进行制动曲线的计算。系统靠静态列车初始 化应答器(STIB) 、动态列车初始化应答器(M TIB) 和重新定位应答器(RB) 来进行列车的定位和重新定位。设计间隔100 s 。

5 号线采用点式发码非连续式地对车通讯,车载设备为2 取2 方式。系统基于目标距离方式。运行间隔163 s , 最小设计间隔130 s 。各A TP 系统的控制模式曲线如图1 所示。

从图1 可以看出,目标距离方式采用了一次模式曲线,A TP 系统可以从列车运行点开始至列车的停车点通盘考虑列车的最高运行速度。在相同的轨道电路设置情况下,目标距离方式运行速度最高,所用时间最少。

目标速度方式可根据初始速度和目标速度及轨道电路的实际情况,在每个轨道电路

的范围内计算出最佳模式曲线。目标速度在整体上被分割为阶梯型曲线,无法在整 体上达到最优。同时,由于目标速度方式是由地面设备决定列车运行速度的, 系统必须考虑最差列车的情况,所以,列车的防护距离较长。

而速度码方式,A TP 系统几乎为被动接受控制的系统。在接收到速度码后,A TP 系统保证列车按最新的速度要求运行。由于速度码考虑的是整个轨道电路的最低速度,所以列车运行速度较低,这种情况在轨道电路G1 表现最为明显。轨道电路G1 的速度需为0 , 这就意味着列车一进入轨道电路G1 , 必须立即制动,且前一轨道电路G2 速度不能太高。

同样是目标距离方式,3 号线同5 号线又有很大的差别。由于5 号线通过数据传输点(轨道耦合线圈) 点式传输信号和线路信息,轨道耦合线圈安装在信号机或速度限制区域前。当线路情况发生突变时,车载设备无法及时作出响应。图1 中,列车刚过轨道电路G6 的轨道耦合线圈,若轨道电路G3 故障,列车必须到下一轨道耦合线圈才开始制动。而对连续传输方式来说,在列车当前位置即能进行制动。此外,点式传输方式下,列车一旦制动停下,由于收不到 新的速度命令,列车无法在A TP 模式下继续运行,这种情况在站台前一个轨道电路尤其容易发生。为此,必须在信号机前铺设感应环线,保证列车在到达信号机及轨道耦合线圈前得到从“停止”改 为“ 前进”的信号变化信息。即用局部的连续方式弥补点式传输的部分不足。点式的目标距离方式可以用于列车运行密度不高、运行间隔较大、安全要求一般的铁路和轻 轨系统,而用于高密度的地铁和轻轨系统会有很大的弊端。

综上所述,就A TP 控制模式而言,3 号线的目域的TWC 环线交叉来实现的。TWC -2000 用于标距离方式是目前上海市轨道交通系统中最为先车地通讯、传递车次号和A TO 命令等。它具有一次模式曲线,运行速度较高;列车的模式曲线由车载设备决定,列车可根据自身情况进行运行间隔的优化;目标距离方式减少了列车运行间隔对轨 道电路划分的依赖性,为今后向更先进的移动闭塞方式升级提供了可能。而2 号线的目标速度方式次之,1 号线的速度码方式较为落后。5 号线的点式传输目标距离方式只能用于要求较低的铁路和轻轨系统。当然,3 号线A TP 车载设备的头尾冗余方式在可用性上略有欠缺。 5 列车自动运行系统的比较

目前,5 号线不具有列车自动运行(A TO) 功能,其余3 条线的A TO 系统都为单套。

1 号线的停车精度为±25 cm 。精确的车站停车是通过距停车点350 m 、150 m 、25 m 处的无源标志线圈以及8m 处的有源标志线圈实现的。A TO 命令和车次号是通过车地通信子系统(TWC) 传递的。A TO 具有5 个运行等级。

2 号线的停车精度为±50 cm , 精确的车站停车是应用轨道电路ID 和边界的转换以及车站区

3 号线的停车精度为±50 cm 。精确的车站停车是应用A TO 的距离计算和

STIB 、M TIB 和RB 来实现的。TWC 用于车地通讯、传递车次号和A TO 命令等。 在以上系统中,由于3 号线的A TO 设备较新, 且充分考虑了车轮打滑、避免急速制动和启动等因素,技术较为先进。但地铁1 号线的停车精度是最高的。 6 列车自动监控系统的比较

上海现有的轨道交通线的列车自动监控(A TS) 系统均采用了客户机/ 服务器方式,具有相同或相近的功能,但在具体实现上有所不同。

1 号线A TS 系统在中控室采用双局域网连接,主机及通讯前置机为双机热备,大屏显示采用马赛克表示屏。车站采用工业单板机D TM 系统作为数据传输和控制系统,采用马赛克控制台。中控室同车站间通过MODEM 进行点对点连接,通讯速率为2 400 bit/ s。

2 号线A TS 系统在中控室采用双局域网连接,主机及通讯前置机为双机热备,采用背投作为大屏显示。中控室同车站间通过路由器进行点对点连接,中控室和车站间组成广域网 连接。

3 号线A TS 系统在中控室采用双局域网连接,主机及通讯前置机为双机热备,采用背投作为大屏显示。车站采用双局域网连接,车站A TS 服务器为双套冗余,控制台为单套。中控室同车站间通过路由器进行点对点连接,通道双套冗余,中控室和车站间组成广域网连接。

5 号线A TS —V ICOS OC 系统在中控室为单网连接,采用PROFIBUS 现场总线,负责列车自动跟踪和列车自动排路的计算机双套冗余。车站采用双套PROFIBUS 网,同中控室的连接也通过双套PROFIBUS 网,车站控制台为单套。 在所有的A TS 系统中,3 号线的A TS 系统采用了双局域网和双广域网连接,具有较高的技术先进性。

综上所述,在上海的轨道交通系统中,3 号线的A TC 系统技术最为先进。目前,采用连续的数字无绝缘轨道电路进行A TP 信息传输是主流,音频轨道电路已经基本淘汰,点式传输不适合于高密度和高安全的地铁和轻轨系统;在A TP 控制模式中,目标距离方式同速度码方式和目标速度方式相比具有很大的优越性,虽然移动闭塞是目前的最新潮流,但目标距离方式更为成熟; 在A TO 系统和A TS 系统方面,3 号线也是最为先进的,更为重要的是,3 号线的A TS 系统已实现全面的国产化,对进一步提高地铁和轻轨系统的国产化率具有重要的意义。

对上海轨道交通的ATC 系统进行比较,主要是为了找出一个技术较为先进的系统,逐步规范A TC 系统的制式;同时,也是为了在吸收国外先进技术的基础上,开发全面国产化的A TC 系统,这对进一步降低地铁、轻轨A TC 系统的造价具有重要的意义。