城市轻轨列车运行控制系统设备选型

2022-09-11

随着全国各大城市大力建设公共交通系统, 具有大容量、高速度、高效率特点的城市轨道交通得到了充分的重视和长足的发展。国内城市轨道交通的系统制式主要有地铁、轻轨、独轨、磁浮交通等。本文以中运量轨道交通系统-轻轨为研究背景, 根据轻轨系统的特点, 结合国内已建、在建城轨信号系统实际应用情况, 对轻轨列车运行控制系统的设备选型进行分析。

1 轻轨系统特点

根据我国现行的《城市快速轨道交通工程项目建设标准》, 轨道交通按系统容量可分为高运能、大运能、中运能轨道交通, 分别对应大于或等于5、3~5、1~3万人次/小时的单方向小时断面客流输送能力。轻轨属于中运能的轨道交通, 其技术特征如表1所示。

城市在选择公共交通方式时, 若网线近期单向最大断面预测客流量超过8000人/h, 而远期预测客流量不超过4万人/h, 且有条件设较多地上线时, 选择轻轨交通系统较适宜。[1]

2 城市轨道列车运行控制系统

列车运行控制 (ATC) 系统是城市轨道交通自动化系统中的关键部分, 是保证列车安全运行, 实现城轨系统有序、高效运营的自动控制系统。

ATC系统按其闭塞制式可分为固定闭塞式、准移动闭塞式和移动闭塞式。各制式区别的根本在于车地信息传输方式和速度控制模式。

固定闭塞式ATC系统采用基于模拟无绝缘轨道电路的阶梯式速度控制模式。系统将线路划分为固定的闭塞分区, 对应每个闭塞分区轨道电路向车载传送一个信息代码, 即该区段所规定的最大速度命令码或入口/出口速度命令码, 列车速度监控采用的是闭塞分区出口检查方式, 当列车速度超过规定速度时, 施行常用制动或紧急制动。为保证列车运行的安全, 这种滞后的速度检查方式必须要有一个完整的闭塞分区作为列车的安全保护距离。固定闭塞ATC系统列车运行追踪间隔通常为一般为100s~120s。

准移动闭塞ATC系统采用速度-距离模式曲线控制方式, 多采用数字式无绝缘轨道电路向车载设备提供连续的列车运行控制信息。列车仍以闭塞分区为最小行车安全间隔, 系统通过音频轨道电路的发送设备向车载设备提供目标速度、目标距离、线路状态 (曲线半径、坡道等数据) 等信息, 车载设备结合固定的车辆性能数据计算出适合本列车运行的速度/距离曲线, 保证列车在速度/距离曲线下有序运行, 提高了线路的利用率。准移动闭塞ATC系统列车运行最小追踪间隔约为90s。

移动闭塞ATC系统也采用速度-距离模式曲线控制方式, 利用交叉感应电缆环线、漏缆、裂缝波导管或无线电台等方式实现了车-地间连续、双向、高速通信, 也称为基于通信的列车运行控制系统 (CBTC) 。ATC地面设备可以连续得到每一列车实时的位置信息和运行信息, 据此计算出每一列车的运行权限, 动态更新, 发送给列车。ATC车载设备根据接收到的运行权限和自身的运行状态计算出列车运行速度曲线, 并控制列车在该速度曲线下运行以保证追踪列车之间始终保安全的距离。在正常追踪运行时, 后续列车的移动授权点的位置将随着前行列车的移动而不断前移。移动闭塞ATC系统列车运行最小追踪间隔约为80s~90s。

为了更好地比较三种闭塞制式的不同特点, 将三种闭塞制式的列车追踪示意图综合在一张图中, 如图1所示。

与准移动闭塞、移动闭塞相比, 固定闭塞式ATC系统对列车运行控制精度不高、司机劳动强度大, 列车运行舒适度低, 故轻轨不宜选择固定闭塞式列车运行控制系统。基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统和基于通信的移动闭塞ATC系统均能满足轻轨的功能和运营需求。

3 轻轨ATC系统设备选型

为确定一种与轻轨功能需求相匹配、性能价格比最优的列控系统方案, 现对基于数字轨道电路的准移动闭塞系统和基于通信的移动闭塞系统从技术、经济和运营维护方面进行比较:

3.1 技术分析

(1) 区间通过能力

准移动闭塞ATC系统的行车间隔通常可达到90s, 移动闭塞ATC系统的行车间隔可达到80s, 移动闭塞可提供比准移动闭塞更优的追踪间隔。

(2) 车-地通信

准移动闭塞系统数字轨道电路采用钢轨作为信息传输媒介, 仅能提供地到车单方向数据链路, 传输速率为数百bps, 但完全能够满足传送列控信息的需要, 且地-车通信抗干扰能力强。

基于通信的移动闭塞系统在全线范围内提供双方向数据传输链路, 传输速率为1Mbps~数十Mbps, 除传送列控信息外, 还可以传送车载设备状态、列车状态等信息, 甚至可同时传送音频和视频信。

移动闭塞系统的车-地无线通信多工作在只有83.5MHz带宽的2.4GHz/ISM频段, 同样工作在此频段的PIS系统、无绳电话、微波炉、蓝牙以及电磁波在传输过程中的反射和衍射都会导致车-地通信质量和速度下降。

为了降低造价, 轻轨多采用地上敷设方式。与隧道相比, 列控系统的通信环境更为恶劣。从目前国内采用CBTC系统的在建地铁项目的调试情况来看, 如何保证车地通信设备能够暴露于各种干扰下仍保持正常工作还有待解决。

(3) 工程运用经验

基于数字轨道电路的准移动闭塞系统在国内已经有很多应用实例, 如上海地铁二、三、四号线和天津地铁滨海线, 广州地铁一号线和二号线, 深圳地铁一号线, 南京地铁一号线均采用准移动闭塞ATC系统, 其技术、工程实施已经相当成熟。选用基于数字轨道电路的准移动闭塞系统可实现ATC系统全功能的一次开通, 使系统在运营初期即能保证列车的正点运行和舒适度。

基于无线通信的移动闭塞系统虽然在国内外有多条线已经开通试运营, 但现阶段其运用经验尚不十分成熟, 系统调试时间长, 有待在大量的运营中不断定型、完善。

3.2 经济比较

目前, 就国内城市轨道交通工程已实施情况来看, 准移动闭塞系统与移动闭塞系统造价相当。准移动闭塞工程通过部分国外引进、国内系统集成的办法国产化率可达65%以上。移动闭塞制式的ATC系统还处在一个引进、消化阶段, 各个子系统基本上完全依赖进口, 国产化率偏低。

3.3 运营及维护方面

基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统轨旁设备主要是沿线敷设的数字轨道电路。虽然轨道电路数量比较多, 但是国内已有准移动闭塞系统应用实例且有运营多年, 早已掌握数字轨道电路技术, 有着丰富的维护维修经验, 因此维护相对简单, 费用不高。

基于感应环线的移动闭塞系统要求在轨道中间安装大量的感应环线, 且对敷设及安装精度要求高。环线受到人为破坏的可能性较大, 导致维护工作量大, 维护费用较高。而采用漏缆和波导作为传输媒介也存在类似问题。

基于无线电台的移动闭塞系统, 轨旁设备体积较小, 安装比较灵活。但由于目前国内外开通的车地通信采用无线电台的线路少, 且多处于试运营阶段, 对于运营阶段如何进行维护仍在摸索中。

综上所述, 基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统和基于通信的移动闭塞ATC系统均能满足轻轨系统的功能和运营需求。从技术先进性和区间通过能力的角度来讲, 基于通信的移动闭塞系统确实要优于基于数字轨道电路的准移动闭塞系统, 但是从项目实施和线路投入运营后系统维护的难易程度来看, 轻轨系统采用基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统更为合适。

摘要：以城市轻轨为研究背景, 在分析轻轨系统特点的基础上, 对轻轨列车运行控制系统的设备选型进行研究。

关键词：轻轨,列车运行控制系统,准移动闭塞,移动闭塞