【摘   要】研究目的:通过对基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统的构成、工程设计分析,提出掌握和采用信号新技术的建议,为专业技术人员在地铁工程设计中提供借鉴。

      研究结论:在断面客流较大的“交通疏解型”地铁工程项目中,采用基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC信号系统,在满足SIL4安全性要求的前提下,能够满足列车追踪间隔120 s,折返间隔120 s技术指标,大运量的系统功能需求。同时还能实现与相关的通信、电力监控、屏蔽门、防淹门等专业的安全、可靠的技术接口。

【关键词】地铁信号;准移动闭塞;系统构成;接口设计

 

1、概述

      信号ATC列车自动控制系统是城市轨道交通系统中保证行车安全、缩短列车运行间隔、提高列车运行质量的先进控制设备。ATC系统由列车自动监控系统(ATS)、列车自动防护系统(ATP)、列车自动运行系统(ATO)和计算机联锁系统(CI)构成。系统采用计算机和现代通信及网络技术,实现对列车的自动运行监控、列车运行的自动调整,列车运行间隔控制和超速防护,实现列车自动驾驶等主要功能。

2、工程概况

      广州地铁2号线从琶洲站至三元里站,正线全长18.5 km,包含16座车站,车站站台均设置屏蔽门,并设有一个控制中心。车辆段设置2条出入段线,分别与磨碟沙站连接,车辆段内设试车线1条,长约1.2 km。

2. 1 正线信号工程

      信号ATC系统采用Siemens公司的准移动闭塞设备,包含的子系统有:

      (1)联锁系统:采用专为地铁系统设计的SICAS计算机联锁系统。

      (2) ATP/ATO系统:采用LZB700M系统,其中轨道电路为数字报文无绝缘轨道电路(FTGS)。

      (3) ATS系统:中央采用VICOS501系统,显示屏为背投投影仪,车站ATS采用VICOS101系统。

      除此之外还大量采用与其系统配套的国产设备和器材,包括:

      (1)正线区段所有组合柜、继电器、智能电源屏、UPS电源。

      (2)正线区段所有室外电缆、光缆、转辙机、信号机及与之配套的各类箱盒及跳线。

      (3)与1号线联络线上的计轴设备。

      (4)旅客向导牌、局部控制盘(LCP)、紧急停车按钮。

      设计中将正线信号系统工程划分为磨碟沙、赤岗、晓港、公元前、三元里5个联锁区,包括5个联锁站、2个二级联锁站、9个非联锁站以及试车线信号工程和控制中心信号工程。

2. 2 车辆段信号工程

      车辆段采用国产TYJL-II型计算机联锁和WJC-2000微机监测设备,轨道电路采用微电码50HZ单轨条相敏轨道电路,转辙设备采用ZD6-D型电动转辙机,联锁道岔51组。

      信号系统工程除车辆段信号联锁工程外,还包含与磨碟沙Siemens联锁SICAS系统的接口以及与试车线Siemens信号设备的接口,系统构架如图1所示。

3、主要技术性能指标

3. 1 以国际先进技术水平为起点

       在广州市轨道交通线网规划中,地铁2号线属于“交通疏解”型线路,穿越广州市人口稠密、商业网点密集、交通繁忙的城市中心区域,能满足大运量、高密度、高速度的城市轨道运输要求。要实现安全、正点、高速、舒适的运营要求,还必须有一个与之适应的信号系统,鉴于当时国内铁路信号系统不能满足地铁运营要求,在确定方案时结合地铁2号线的功能需求,确定采用先进的自动列车控制ATC系统,它由列车自动监控子系统、列车自动防护子系统、列车自动驾驶子系统及计算机联锁子系统构成。

3. 2 要求的主要运营指标

      最小追踪间隔: 120 s

      最小折返间隔: 120 s

      运行速度:大于35 km/h

3. 3 实现高度的自动化

      为最大限度的保证列车运行安全和乘客安全、提高地铁系统运营效率、减少运行操作和维修管理人员的劳动强度,提高劳动生产率,实现了高度的自动化。

3. 4 实现中央集中联锁控制和监视

      为了在中央ATS系统尚未投入使用的“首期开通段”期间,最大限度的方便行车调度,在设计中采用在控制中心设置联锁系统集中控制和监视工作站,首次在国内地铁项目中实现了由中央进行集中联锁控制和监视。

3. 5 为满足运营模式要求提供后备控制手段

      根据我国国情,从设备配置、操作方式、人员配备及维修组织上,满足广州地铁2号线运营管理模式的要求。同时为保证地铁不间断运行,所有重要设备及重要的操作手段都具有充分的冗余及后备模式。

3. 6 信号系统主体工程与地铁建设同步

      对“首期开通段”,在保证安全和满足运营要求的前提下,充分利用计算机技术的优势和特点,以信号系统主体工程硬件设备为基础,采用编制过渡软件的方式,确保按时开通,节约了投资。

4、列车自动监控系统

      列车自动监控子系统(ATS)在ATP、ATO子系统的支持下,完成控制中心行车计划的编制、管理,实现对全线列车运行的自动监控和列车运行的自动调整。

4. 1 中央ATS系统

      ATS控制中心采用VICOSOC 501控制系统,为标准的硬件和系统体系结构,服务器采用SUN工作站和UNIX操作系统,之间通过双100Mb/s以太局域网连接,ATS局域网采用TCP/IP通信协议,由2台以太网交换机实现所需要的路由功能。

4.1.1 热备冗余通信服务器

      采用高速SUN Blade100工作站,标准的SUN系列硬件, 10/100Mb/s EthernetLAN-接口。用于存储实际的过程数据,采集、处理并存储来自SICAS联锁、LZB700M和其它外围系统的动态数据,实现对列车的自动控制功能,如自动进路的排列(ARS)、列车监视和追踪(TMT)、时刻表管理、自动列车调整等。

4.1.2 ADM服务器/备用ADM-管理器

      采用高速SUN Blade100工作站,标准的SUN系列硬件, 10/100Mb/s EthernetLAN-接口。用于存储所有的系统数据和应用软件,如站场布置图和其它相关的配置数据。当系统启动或需进行数据修改时,ADM将向其它所有OC 501服务器提供最新数据以进行更新。

4.1.3 中央和车辆段人机界面工作站

      均采用高速SUN Blade100工作站,标准的SUN系列硬件, 10/100Mb/s EthernetLAN-接口。用于和ATS系统之间的人机接口, 1台操作员工作站包括SUN工作站、彩色监视器、数字字母键盘和1个鼠标,通过选择工具条上的图标可以选择执行不同的功能。

4.1.4 过程耦合单元(PCU)

      采用高可靠性的SIMATIC S5-155H控制器,用于实现车站RTU与中央通信服务器(COM)之间的信息传输,同时还负责与SICLOCK、EMCS、SCADA等系统的接口连接。

4.1.5 FALKO离线时刻表编辑器

      FALKO离线时刻表编辑器为FUJITSU SIEMENSPC机,用于在离线状态下,结合区间运行时间、停站时间、运行间隔、终端站等相关因素,迅速编制完整的日常时刻表。然后在充分考虑所有重要技术和运营条件的基础上进行仿真预演,以验证运行时刻表对实际情况的适应性。系统的分析功能可以对仿真中出现的问题进行详细的分析并提出修改和建议。编制完成的时刻表存储于FALKO系统数据库中,便于VICOS OC501系统调用。

4.1.6 SICLOCK时钟实时传输器

      SICLOCK时钟实时传输器,通过串行接口从GPS无线时钟系统接收时间同步报文,通过EtherentLAN向VICOS 501和6个点对点连接的RTU提供时间同步报文,如果无线时钟发生故障, SICLOCK基于自己的内部时钟发出时间同步报文。

4. 2 车站ATS系统

      车站ATS采用VICOS OC 101系统,设备分别设置于磨碟沙、赤岗、晓港、公元前、三元里5个联锁设备集中站,系统由LOW工作站和远程终端单元构成。

4.2.1 LOW工作站

      采用FUJITSU/SIEMENS PC, 19英寸彩色显示器、鼠标、键盘,W indowsNT,通过Profibus总线与RTU连接。用于监控本联锁区的车站。

4.2.2 远程终端单元

      采用SIMATIC S5-155H双机热备可编程控制器。通过冗余的Profibus总线与SICAS联锁和LOW相连接,通过单ProfibusDP与PIIS、DTI、LCP相连接,通过OTN与PCU进行冗余的串行点对点连接。

      用于控制PIIS、DTI,释放运行停车点;在降级模式下根据目的地号自动设置进路;在ATS模式下,负责中央ATS与本联锁区SICAS联锁及PIIS、DTI、LCP之间的通信,接收SICLOCK时间同步报文。

5、正线联锁系统

5. 1 系统构成

      正线联锁系统(SICAS)按故障-安全、高可靠性的SIMIS(原则进行设计,系统由工作站、联锁计算机(3取2)、联锁执行计算机(2取2)、电子接口模块和相关设备(如转辙机、信号机、数字轨道电路设备)构成。联锁计算机执行常规的联锁功能,通过STEKOP和DSTT电子接口模快直接控制和监督室外设备,完成轨道空闲检测、进路控制、道岔控制和信号机控制功能。SICAS联锁系统包括以下3个逻辑系统层。

5.1.1 操作和显示

      (1)采用VICOSOC 101现场工作站实现联锁的操作和显示功能。

      (2)通过中央ATS系统实现自动控制功能。

      (3)通过与中央S&D系统接口实现联锁的故障诊断、报警功能。

5.1.2 “信号逻辑”层

      采用西门子“SIMIS 3取2”的微机系统,完成联锁的逻辑运算。

5.1.3 “控制和监督”层

      主要包括区域控制计算机STEKOP和“DSTT道岔、DSTT信号机”接口模块,用于对色灯信号机和转辙机等现场设备的控制,联锁系统配置如图2所示。

5. 2 联锁计算机

      设计中联锁计算机采用西门子故障-安全计算机系统SIMIS-3216,它的配置为3取2,核心构成包括:同步和比较板VESUV3;处理器板VENUS2;中断板VESIN。

      根据应用情况,剩余位置可安装接口或输入和输出板:BUMA(总线控制模块);MELDE2(数字输入模

块);KOMDA2(数字输出模块)。

5. 3 本地操作工作站

      SICAS联锁中的操作和显示是借助于操作控制系统VICOSOC 101的人机接口系统来完成。

      VICOSOC 101的应用领域包括现场联锁的简单操作以及显示系统和控制系统操作。操作台的基本硬件由带有键盘、监视器和鼠标的PC组成,操作系统软件采用WINDOWSNT。

5. 4 分散式元素接口模块

      分散式元素接口模块(DSTT)与元素接口模块(ST-EKOP)共同实现对轨旁和现场设备的控制和现场信息的采集。

      DSTT系统的功能单元有:DSTT道岔-道岔元素接口模块DEWEMO;DSTT信号机-信号机元素接口模块DESIMO。分散式元素接口模块系统用于控制和监测国产色灯信号机和国产交流转辙机。

6、列车自动防护和列车自动驾驶系统

6. 1 系统控制原理

      LZB700M连续式ATP系统利用FTGS数字音频轨道电路连续地向列车传输数据,主要包括目标参数(目标速度和目标距离),允许的最大线路速度和线路坡度。ATP车载设备应根据这些数据和列车制动力计算出在当前位置的允许速度。驾驶列车所需的数据通过司机驾驶室内的显示屏显示给司机。

      通过测速电机,列车实际运行速度和距离连续地被测量。如果列车在当前位置超过允许速度,ATP车载设备在发出警报后,触发紧急制动。ATP控制原理如图3所示。

6. 2 系统构成

      列车自动防护和列车自动驾驶系统由车载设备和轨旁设备构成。轨旁设备采用LZB700M系统、FTGS数字音频无绝缘轨道电路、同步定位(SYNCH)单元和PTI轨旁单元。车载设备由ATP、ATO/PTI车载单元和司机人机接口MMI及OPG、PTI和ATP天线构成。ATP车载设备及ATP轨旁设备均采用SIMIS故障-安全微机系统。

6.2.1 ATP/ATO轨旁单元

      ATP轨旁单元采用SIMIS 3216计算机系统,它提供运营所需的高标准的存储容量和计算容量。SIMIS计算机系统为3取2的配置,配置允许3个微机中的其中1个微机出现故障,而不对安全性或运营特性造成任何损害。在ATP轨旁设备中存储了线路参数(线路坡度,轨道区间的长度,区间速度限制,区间临时速度限制等),并与计算机联锁系统进行进路设置及进路状态的信息交换,从FTGS轨道电路接收轨道空闲/占用状态信息,紧急停车按钮的输入信息,向列车发送驾驶指令。

6.2.2 FTGS数字音频轨道电路

      FTGS由数字音频编码轨道电路设备组成,编码的数字音频轨道电路设备与轨道连接,提供列车检测功能。

      FTGS轨道电路包括1个发送器, 1个接收器和1段轨道区段的钢轨。发送器和接收器连接到轨道区段钢轨的始末端。发送器产生电子信号,并送至钢轨,沿着钢轨传送给接收器,如果接收信号的幅值大于或等于门限值,则接收器表示轨道区间“物理空闲”;否则表示轨道区间“物理占用”。

6.2.3 ATP/ATO车载设备

      ATP轨旁设备通过钢轨连续不断地向ATP车载设备传送列车运行指令。ATP车载设备包括:ATP车载计算机(每个驾驶室1个);ATP天线(每个驾驶室2个);测速电机(每辆列车总共4个);服务/诊断。

      采用SIMIS-3116硬件设备, SIMIS车载计算机系统为2取2配置,它和ATO车载单元一起安装在机柜内。SIMIS-3116单元的应用提供了必需的高水准的坚固性,以适应运营中车辆遇到的机械应力和气候影响,符合在铁路车辆上应用的电子设备的IEC 571.现行标准。

      天线安装在列车下部、行车轨道上方,检测音频轨道电路电流发出的感应式信号和SYNCH环线的电流信号,每个司机驾驶室装备1对ATP天线。

      测速电机(OPGs)向ATP提供用于完成运行相关的速度、距离和方向计算的信息。

      OPGs每辆车安装4台,固定安装在列车两侧不同的车轴上,以降低共模故障的风险。

7、结论

      在断面客流较大的“交通疏解”型地铁工程项目中,采用基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC信号系统,在满足SIL4安全性要求的前提下,能够满足列车追踪间隔120 s,折返间隔120 s技术指标,大运量的系统功能需求。同时还能够实现与相关的通信、电力监控、屏蔽门、防淹门等专业的安全、可靠的技术接口。通过几年来工程的应用证明,基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC信号系统,具有技术成熟、系统安全、应用可靠、调试容易、工程应用风险小的特点。所以,在工程设计、实施过程中,应紧密结合工程的实际需求,以及系统的控制特性进行中央、车站以及轨旁的设备布置,其功能应满足运营的需求并按照方便运营、维护管理的原则实施,与其它系统的接口应确保安全、正确、可靠。

 

[1]　朱涛,范书恒.列车调度指挥信息系统[M].北京:中国铁道出版社, 2005.

[2]　魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[3]　林瑜筠,李鹏,李岱峰,等.铁路信号新技术概论[M].北京:中国铁道出版社, 2005.

[4]　汪希时.智能铁路运输系统ITS-R[M].北京:中国铁道出版社, 2004.