城市軌道交通信號系統的設計方案探討

　　摘　要　信號系統作為城市軌道交通工程中重要的組成部分,對行車的安全、正點、高效的運行起著至關重要的作用,但由于其中的設計標準不全面,給系統設計方案造成了一定的隨意性。本文就其中的系統構成、設計行車間隔和ATP 信息傳輸方式等主要的設計方案進行了探討。
關鍵詞　城市軌道交通,信號系統,設計方案
城市軌道交通的信號系統擔當著控制和指揮列車運行的任務,是影響整個城軌交通系統運營安全和效益的關鍵點。信號系統的水平也成為城市快速軌道交通現代化的重要標志。設計出一個優秀的系統方案不僅有利于保證行車安全,提高運輸能力,實現迅速、及時、準確的行車調度指揮和運輸管理現代化,提高服務質量,而且還有利于合理使用工程投資,降低工程造價。
1 　系統構成方案
城市軌道交通是一個技術先進,具備相當程度自動化水平的運輸體系。其中信號控制系統的構成必須與整個交通運輸相適應。
在《城市快速軌道交通工程項目建設標準—試行本》中,把信號系統劃分了三個層次:第一層次設備在運量較小、行車密度較低的線路上,可配置聯鎖設備、自動閉塞、機車信號和自動停車系統;第二層次設備在運量較大、行車密度較高的線路上,可配置列車自動監控(ATS) 系統和列車自動防護(ATP) 系統; 第三層次設備在運量大、行車密度高的線路上,配置列車自動監控系統、列車自動防護系統和列車自動運行(ATO) 系統。
上述第一層次系統配置屬最低水平等級,只適于行車間隔大于3 min 的線路運用。也就是說,在行車密度較高時, 這種線路將面臨整個系統的改造,造成大量的廢棄工程;另一方面,由于機車信號和自動停車裝置所能容納的信息量少,列車運行的安全性很大程度上只能依賴于司機的駕駛;然而其國產化率水平是最高的,工程造價是最低的。應該說,該層次的設備適宜在近期運量小、行車密度低, 而且遠期運量無明顯變化的工程,如在中等城市或是郊區軌道交通系統中運用。
第二層次的信號系統配置,適于行車間隔在2 min 以上的線路運用,行車安全可以完全由列車自動防護系統來保證。雖然其國產化率水平降低,工程造價增高,但是該層次設備技術先進,便于向第三層次擴展,不存在明顯的廢棄工程,符合工程按近遠期分步實施、合理預留的原則,所以系統的綜合經濟指標是合理的。這種系統能適應大多數城市軌道交通的運用需要,是大運量的城市輕軌交通的首選方案。
第三層次的系統配置具備很高的現代化技術水平,適于行車間隔小于2 min 的線路運用,不僅行車安全可以完全由列車自動防護系統來保證,而且列車自動運行系統還可以完成站間自動運行、定位停車,接收控制中心運行指令,實現列車運行自動調整,使整套信號系統能夠滿足列車高速、高密度運行的需要。這種系統的國產化率水平低,工程造價高,是其在工程運用中不利的一面,但系統高水平的自動化程度無疑將給日后的運營、管理帶來巨大的經濟和社會效益;另外,由于安裝屏蔽門對列車精確定位停車功能和大運量對列車高折返能力等等方面的具體需求,這種線路的運行都要由列車自動運行(ATO) 系統來保證。所以只要條件許可,在城市軌道交通中,特別是高運量的地鐵工程中,該系統方案非常值得推薦。
2 　主要技術方案
2. 1 　設計行車間隔
城市軌道交通工程為適應乘客運量大、行車密度高的特點,往往采取縮短行車間隔的辦法。這樣一方面有利于減少旅客候車時間以提高服務質量; 另一方面可以減少列車編組輛數,節省工程投資。但是由于信號ATP 系統技術的限制,如軌道區段的長度、“ 車-地”通信的有效速率、列車進路的建立和恢復時間等等因素,正常的行車間隔不可能無限制縮短。換言之,最小行車間隔極大地影響著信號的ATP 系統方案和工程造價。確定合理的行車間隔時分成為信號ATP 系統方案設計的控制參數。
根據一些發達國家城市軌道交通的運營經驗, 信號ATP 系統可按滿足高峰運營流量130 % 的能力標準進行設計。也就是說,如果線路的客流量在某個特殊時段增加到預測高峰值的130 % 時,ATP 系統仍有能力滿足運營采取的臨時措施,如臨時增加運營列車等。表1 以某一條線路運營方案為例予以說明。
　 兩種方案均可滿足運量要求,但它們的運能余量,即單向運輸能力與高峰小時單向最大斷面客流量比是不同的。其中方案A 為1. 00 , 方案B 為1. 08 。那么,如果按方案A 實施,在高峰時間內的線路運營將處于全飽和狀態, 按上述標準設計相應的ATP 系統應采用184 s 的設計行車間隔;如果按方案B 實施,在高峰時間內的線路運營尚有8 % 的調節余量,相應的ATP 系統只需采用245 s 的設計行車間隔。顯而易見,從信號系統的設計角度來看,方案B 優于方案A 。
應該指出的是,ATS 系統所具備的行車間隔調控能力與上述的ATP 的設計行車間隔能力是有區別的。ATS 對列車運行的調控主要是當列車運行秩序有紊亂時,通過控制列車停站時分而使列車運行秩序盡快恢復的一種措施。當然,這種調控能力的實現也是要體現在ATP 行車間隔能力上的。
在實際的工程運用中,應結合線路近、遠期運量,以及工程實施方案、ATS 調控能力等綜合因素, 確定一個合理的滿足運營要求、節省工程投資的設計行車間隔。
2. 2 　ATP 信息傳輸方式
ATP 系統是確保列車運行安全的關鍵設備,它由軌旁設備和車載設備組成, 列車通過地面ATP 設備接收運行信息,實現列車的間隔控制。ATP 設備主要有兩種劃分方式,一是按“車-地”ATP 信息傳輸方式分為連續式和點式發碼方式;另一種是按對列車控制方式分為模式曲線方式和階梯式控制方式。其中按前一種劃分的兩種ATP 設備工程造價差異大,是選擇ATP 系統方案的主要比較點。
連續式的ATP 設備一般可利用軌道電路或連續敷設的電纜向車載接收設備連續不斷地傳遞地面信息。其特點是信息傳遞實時性高、技術復雜、造價昂貴。點式ATP 設備利用地面應答器或點式環線把地面信息傳至列車。這種方式實時性較差, 但技術簡單、造價低廉。
控制實時性較差高行車間隔大于90 s 可小于90 s 自動駕駛功能尚無產品有列車檢測功能需另設軌道電路有系統擴展對行車干擾較小對行車干擾大安裝調試周期較短周期長工程造價較低高維修成本低高生產廠家少多
　　在我國現有的地鐵交通中,由于運量大、行車密度高、地鐵隧道內駕駛條件較差等特點,均采用連續發碼方式的ATP 系統是適宜的。
隨著點式ATP 技術的發展,在城市軌道交通工程,特別是城市輕軌工程中采用點式ATP 設備顯得越來越合理。在點式ATP 系統中,以目前較有代表性的西門子公司ZUB120 為例,其主要的技術指標如下:
·傳輸制式　移頻鍵控(FSK) ,串行
·傳輸速率　50k·-1
·傳輸間距　130～210 mm
·電碼可靠性　循環碼多次判斷,海明距為4
·電碼長度　可編程有用比特96 位
·機車設備平均故障間隔時間　2 ×104 h
·地面應答器平均故障間隔時間　9 ×105 h

對于點式系統控制實時較差、缺乏緊急停車功能等缺點,則可以通過接近連續式發碼方式進行彌補。上海莘閔輕軌交通線作為我國第一條城市輕軌線路就已按點式ATP 系統進行設計。另據西門子公司介紹,目前該公司新研制的點式ATP 系統不僅打破了90 s 行車間隔的限制,也具備了自動駕駛功能。
3 　小結
在實際的工程運用中,結合工程具體情況就不難設計出優秀的系統方案。例如:在天津市區至濱海新區輕軌工程招標中,我方依據輕軌客運量近、遠期分別為18. 4 萬人次/ 日、28. 4 萬人次/ 日,列車運行近、遠期3 min 的追蹤間隔,以及列車4 列、6 列的不同編組,首先確定的投標方案中設計行車間隔為135 s , 采用點式ATP 和國產ATS , 預留ATO 方案;而結合本線列車運行速度高達100 km/h , 列車制動距離長的特點,從保證行車安全、節省工程造價的角度出發,我方又推薦了采用模擬無絕緣軌道電路加連續式環線的ATP 方案。兩種方案的技術論證受到了評判專家組的一致好評。
總之,在系統構成和主要的技術方案確定以后,信號系統雖已基本定型,但要真正全面地設計出一個良好的系統,還有許多細節需要考慮。例如:為發揮投資效益,根據城市軌道交通工程近、遠期不同的建設規模和標準,信號系統的配置應考慮按不同階段的運量要求分步實施、合理預留,并使之容易進行技術改造和升級;信號系統設計方案中應充分考慮到國家對機電設備國產化率的要求,除某些必須引進的設備外,盡量選用國產設備或與引進國外技術國內組裝相結合的方式。
另外,城市軌道交通信號系統的特殊技術指標也是應在設計過程中重點考慮的問題。如在長大坡道上設立的保護性延續進路對列車運行追蹤時分的影響;為縮短折返進路建立時間,如何處理折返進路有關的渡線道岔等技術問題。
參　考　文　獻
1 　吳汶麒主編. 城市軌道交通信號與通信系統. 北京:中國鐵道出版社,1998