城市轨道交通信号系统国产化方案分析

王 成

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥助理工程师)

为降低城市轨道交通项目的建设费用和开通后的运营成本,解决目前城市轨道交通机电设备、备品备件严重依赖进口的局面,加快我国城市轨道交通产业的发展,我国相继制定和颁布了提高轨道交通建设的国产化政策和措施。其中机电设备国产化的重点是车辆和信号系统。开发研究具有完全自主知识产权的列车自动控制(Auto-matic Train Control,简为ATC)系统是我国城市轨道交通信号技术发展的必由之路。本文介绍了城市轨道交通信号系统全部国产化的几种不同方案,并对其进行比较和分析。

1 我国城市轨道交通信号系统国产化现状

我国城市轨道交通处于蓬勃发展阶段,但是国内有关信号厂商对城市轨道交通信号系统的研究、开发起步较晚,市场投入有限,信号技术与国际先进的信号公司具有较大的差距。目前国内尚不具备提供整套 ATC系统的能力,尤其是不具备提供基于通信的ATC系统的能力。为了满足轨道交通系统的建设要求,绝大多数轨道交通线路的信号系统,尤其是采用基于无线通信的移动闭塞信号系统,其核心子系统均采用进口设备,其核心技术由外国公司掌控,其他子系统和辅助设备采用国产设备。这导致了在设备价格方面处于被动局面,备品备件难以到位,维修周期长,运营成本高。按照以上的系统建设方案,国产化率一般能够达到50%～60%。

目前国内已经初具规模,并且具有完全自主知识产权的轨道交通信号系统包括通号公司的基于数字轨道电路的FZL准移动闭塞系统和北京交通大学的LCF-300型CBTC(基于无线通信的列车控制)移动闭塞系统。两种系统的列车自动运行(Automatic Train Operation,简为ATO)子系统设备均在研制和试验中。FZL准移动闭塞系统已成功应用于长春轻轨一期、二期工程,以及大连轻轨工程。LCF-300型CBTC系统即将应用于北京轨道交通亦庄线工程,全部采用国产设备,并同时进行独立第三方安全认证。目前该工程已经开始实施,预计2010年底开通运营。该系统在成功应用于亦庄线工程后,国内轨道交通信号系统的国产化将迎来崭新的一页。

2 信号系统全部国产化方案

2.1 准移动闭塞方案

由中国铁路通信信号集团公司研制开发的FZL型准移动闭塞系统是由国家计委和铁道部立项,由国家计委、铁道部和中国铁路通信信号总公司联合投资开发,具有自主知识产权的国产信号系统。它主要由以下几个部分组成:列车自动监督(Automatic Train Supervision,简为ATS)子系统区域控制中心,数字轨道电路,车载设备等。FZL型信号系统结构如图1所示。

图1 FZL系统基本结构示意图

ATS子系统是一个分布式的计算机监控系统,负责全线列车运行的集中监控与管理。区域控制中心是基于成熟的DS6-11升级型计算机联锁系统开发的,运用网络通信技术构成多机分布式控制系统,实现正线基本的联锁功能;并根据一次制动模式控制原理,通过数字轨道电路,完成地对车的信息传输,实现对列车的超速防护控制。数字轨道电路起着信息传递的作用,把区域控制中心发出的命令传递给列车,同时将列车的位置信息返回给区域控制中心。车载设备根据接收到的地面信息和列车信息实现列车超速防护、无意识移动防护、车门防护、实时数据记录,以及临时限速和紧急关闭等功能。

车载设备提供了三种驾驶模式:列车自动防护(Automatic Train Protection,简为ATP)系统模式、人工驾驶模式(监控模式)、ATP限速驾驶模式(限速模式)和切除模式。由于车载设备能够连续地收到地面ATP信息,因此系统能够实现准移动闭塞方式,即一次制动的固定闭塞,如图2所示。

图2 基于数字轨道电路的准移动闭塞式ATC连续曲线速度控制示意图

2.2 移动闭塞方案

由北京交通大学开发研制的LCF-300型CBTC系统,具有完全自主知识产权。该系统是保证行车安全、提高区间和车站通过能力,以及实现行车指挥和列车自动化、提高运输效率的关键设备。它由中央控制列车监督系统ATS、ATP、ATO、计算机联锁 CI系统、数据通信系统(Data Communication System,简为DCS)等五个部分组成。其中最核心的ATP系统采用了CBTC,可以实现移动闭塞;同时为了提高信号系统的可靠性与可用性,将基于点式的ATP系统作为CBTC系统的后备模式。系统结构图如图3所示。

ATS子系统负责列车运行的集中监控与管理,实现进路自动设置,按时刻表控制列车运行,与其他系统接口等功能。ATP的主要功能是监督及控制列车安全地运行,包括列车位置检测、列车间隔控制和超速防护、车门及屏蔽门的安全监控、站台紧急停车、列车非正常移动控制等。ATO实现自动控制列车运行,根据ATS的指令实现列车的自动驾驶,能够自动完成对列车的起动、牵引、巡航、惰行和制动的控制。联锁子系统实现信号机、道岔、轨道区段的正确的联锁关系,控制进路安全,以及控制屏蔽门和紧急停车按钮。DCS的主要作用是在各个子系统之间传输ATC报文。

装备CBTC设备的列车(包括轨旁设备)可以以多种模式驾驶。驾驶模式与列车是在CBTC区域还是非CBTC区域行驶,以及车载或轨旁设备的操作状态有关。在CBTC系统中有自动驾驶模式、ATP监督下的人工驾驶模式、ATP允许速度下的人工驾驶模式、无限制人工驾驶、自动折返驾驶模式。在CBTC区域,可以实现移动闭塞控制方式,如图4所示。

图3 LCF-300型CBTC系统结构图

图4 移动闭塞方式连续曲线速度控制示意图

2.3 方案比较

基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统具有20世纪90年代的世界先进水平,是目前已经相当成熟的ATC系统,在国内外已经得到广泛的应用,具有较为丰富的运用和运营经验,这使得FZL准移动闭塞系统的应用有现成的经验可循。由于采用准移动闭塞方式,全线设置轨道电路等地面设备,其系统故障转向备用模式或系统复原处理较为容易。但它利用钢轨作为信息传输媒介,因而带来了先天的不足:容易受电气化干扰,数据传输速度和容量受到限制,室内及轨旁设备较多,维护量相应增大,专用的设备、复杂的调试及安装导致较高的生命周期成本;与此同时,随着列车追踪间隔的缩短,轨旁设备增多,维护工作量增大。

FZL准移动ATC系统在国内的应用经验,为轨道交通信号系统的全部国产化提供了宝贵经验及可行方案,但只能实现中等技术水平的列车自动控制系统。

基于无线通信的移动闭塞ATC系统,是采用当今先进的通信和信息技术的技术领先型系统,代表了城市轨道交通领域信号系统的发展趋势。LCF-300型CBTC系统可以满足现代轨道交通信号系统的性能要求,国产化率可达到100%。

LCF-300型CBTC移动闭塞系统中,轨旁无线通信设备多为免维护设备,与钢轨或道床没有直接关系,减少了各系统之间与土建工种的相互干扰,增加了系统可维护性。较少的轨旁设备、通用的商业现货、简单的设备安装和较少的设备维护等,使其生命周期成本降低。特别是基于无线通信的移动闭塞ATC系统的采用,将使轨道交通路网中多条线路实现互联互通成为可能。

综上所述,基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统的国产化率也可以做到100%,而其自身的特点及实现的功能最终导致其被更加先进的基于通信的列车控制系统所代替。而对于基于通信的ATC系统而言,比传统系统在技术上更具有优势,成为当前轨道交通信号系统的主流产品。LCF-300型CBTC移动闭塞系统的应用,将使基于通信的ATC系统全部国产化成为可能。

3 国产化实施步骤

鉴于国产信号ATC系统的ATO子系统目前还不成熟,对于全部采用国产信号设备的轨道交通工程,可以首先开通基于点式应答器的ATP功能或暂按后备信号系统开通,按基于点式应答器的ATP模式或站间闭塞运营;信号系统工程设计按CBTC要求一次到位;室内外及车载预留ATO子系统软硬件功能,待 ATO子系统成熟后,完善ATO功能,硬件和软件在相应设备上增加或修改完善,建成完整的ATC系统。

[1]林瑜筠.城市轨道交通信号[M].北京:中国铁道出版社,2008.

[2]黄争艳,杨建国.我国城轨交通列车自控系统状况分析及展望[J].电气化铁道,2003(1):40.

[3]何燕.第一套全国产化信号系统在大连快轨3号线中的应用[J].城市轨道交通研究,2007(7):36.

[4]高乃明.信号系统国产化策略[J].城市轨道交通研究,2000(1):38.

[5]方明豹,殷军,罗青.城市轨道交通信号系统国产化的战略思考[J].都市快轨交通,2005(5):42.

[6]刘杰,秋宽民,迟男.我国地铁、轻轨信号系统的现状及国产化研究[J].铁道通信信号,2000,36(9):56.