移動閉塞的原理、系統結構及功能

摘　要　闡述了移動閉塞技術的原理。介紹了典型的基于無線通信的移動閉塞系統的系統結構。分析了移動閉塞相對于傳統閉塞方式的優勢。指出基于通信的列車控制將是未來列車控制技術的發展方向。
關鍵詞　移動閉塞, 數據通信, 車載控制器, 區域控制器

　　基于通信的移動閉塞(MB) 技術,是全球鐵路及軌道交通信號界公認的最先進的信號產品。以Sel2 Trac 為代表,該技術已經被應用將近20 年,并且給運營商們帶來了良好的經濟和社會效益。本文將從闡述移動閉塞技術的原理入手,分析其系統結構和優勢,供國內同仁參照。
1 　移動閉塞技術的原理
1. 1 　地鐵信號和列車自動保護系統
在輪軌交通中, 為保證列車運行安全, 須保證列車間以一定的安全間隔運行。早期, 人們通常將線路劃分為若干閉塞分區, 以不同的信號表示該分區或前方分區是否被列車占用等狀態, 列車則根據信號顯示運行。不論采取何種信號顯示制式, 列車間都必須有一定數量的空閑分區作為列車安全間隔。
地鐵的信號原理也基于此。但由于地鐵的特殊條件,對安全的要求更加嚴格,因此必須配備列車自動保護(A TP) 系統。A TP 通過列車間的安全間隔、超速防護及車門控制來保證列車運行的安全暢通。在固定劃分的閉塞分區中,每一個分區均有最大速度限制。若列車進入了某限速為零或被占用的分區,或者列車當前速度高于該分區限速,A TP 系統便會實施緊急制動。A TP 地面設備以一定間隔或連續地向列車傳遞速度控制信息。該信息至少包含兩部分:分區最高限速和目標速度(下一分區的限速) 。列車根據接收到的信息和車載信息等進行計算并合理動作。速度控制代碼可通過軌道電路、軌間應答器、感應環線或無線通信等傳輸,不同的傳遞方式和介質也決定了不同列車控制系統的特點。為了保證安全,地鐵A TP 在兩列車之間還增加了一個防護區段,即雙紅燈區段防護(見圖1) 。后續列車必須停在第二個紅燈的外方,保證兩列車之間至少間隔一個閉塞分區。

圖1 　地鐵A TP 的雙紅燈防護

1. 2 　移動閉塞-基于通信的列車控制系統
傳統的固定閉塞制式下,系統無法知道列車在分區內的具體位置,因此列車制動的起點和終點總在某一分區的邊界。為充分保證安全,必須在兩列車間增加一個防護區段,這使得列車間的安全間隔較大,影響了線路的使用效率。
準移動閉塞在控制列車的安全間隔上比固定閉塞進了一步。它通過采用報文式軌道電路輔之環線或應答器來判斷分區占用并傳輸信息,信息量大;可以告知后續列車繼續前行的距離,后續列車可根據這一距離合理地采取減速或制動,列車制動的起點可延伸至保證其安全制動的地點,從而可改善列車速度控制,縮小列車安全間隔,提高線路利用效率。但準移動閉塞中后續列車的最大目標制動點仍必須在先行列車占用分區的外方,因此它并沒有完全突破軌道電路的限制。
移動閉塞技術則在對列車的安全間隔控制上更進了一步。通過車載設備和軌旁設備不間斷的雙向通信,控制中心可以根據列車實時的速度和位置動態計算列車的最大制動距離。列車的長度加上這一最大制動距離并在列車后方加上一定的防護距離, 便組成了一個與列車同步移動的虛擬分區( 見圖2) 。由于保證了列車前后的安全距離,兩個相鄰的移動閉塞分區就能以很小的間隔同時前進,這使列車能以較高的速度和較小的間隔運行,從而提高運營效率。

圖2 　移動閉塞系統的安全行車間隔
　　移動閉塞的線路取消了物理層次上的分區劃分,而是將線路分成了若干個通過數據庫預先定義的線路單元,每個單元長度為幾米到十幾米之間,移動閉塞分區即由一定數量的單元組成,單元的數目可隨著列車的速度和位置而變化,分區的長度也是動態變化的。線路單元以數字地圖的矢量表示。如圖3 所示,線路拓撲結構的示意圖由一系列的節點和邊線表示。任何軌道的分叉、匯合、走行方向的變更以及線路的盡頭等位置均由節點(Node) 表示,任何連接兩個節點的線路稱為邊線。每一條邊線有一個從起始節點至終止節點的默認運行方向。一條邊線上的任何一點均由它與起點的距離表示,稱為偏移。因此所有線路上的位置均可由【邊線,偏移】矢量來定義,且標識是唯一的。
　　移動閉塞系統中列車和軌旁設備必須保持連續的雙向通信。列車不間斷向軌旁控制器傳輸其標識、位置、方向和速度,軌旁控制器根據來自列車的信息計算、確定列車的安全行車間隔,并將相關信息(如先行列車位置,移動授權等) 傳遞給列車,控制列車運行。
邊線e7 連接節點n5 和n6 , 默認方向為從n6 到n5 方向; 節點n5 與邊線e7 、e8 和e11 相連。

圖3 　線路拓撲圖示例
　　早期的移動閉塞系統是通過在軌間布置感應環線來定位列車和實現車載計算機(VOBC) 與車輛控制中心(VCC) 之間的連續通信。現今,大多數先進的移動閉塞系統已采用無線通信系統實現各子系統間的通信。在采用軌旁基站的無線通信系統中,系統一般考慮100 % 的無線信號冗余率進行基站布置,以消除在某個基站故障時可能出現的信號盲區。
2 　典型無線移動閉塞系統的系統結構
目前,世界上諸多信號供應商如阿爾卡特、阿爾斯通、西門子、龐巴迪和西屋等,均開發出了各自的移動閉塞技術并已在全球廣泛應用。
典型的移動閉塞線路中,線路被劃分為若干個區域,每一個區域由一定數量的線路單元組成。區域的組成和劃分預先定義,每一個區域均由本地控制器和通信系統控制。本地控制器和區域內的列車及聯鎖等子系統保持連續的雙向通信,控制本區域內的列車運行。列車從一個控制區域進入下一個區域的移交是通過相鄰區域控制器之間的無線通信實現。當列車到達區域邊界,后方控制器將列車到達信息傳遞給前方控制器,同時命令列車調整其通話頻率;前方控制器在接收并確認列車身份后發出公告,移交便告完成。兩個相鄰的控制區域有一定的重疊,保證了列車移交時無線通信不中斷(見圖4) 。

圖4 　分布式移動閉塞技術的無線傳輸示意圖( 3 圖中虛線表示了無線蜂窩信號的重疊,車載無線電根據信號強度決定與哪一個軌旁基站進行通信。)
　　某一典型無線移動閉塞系統的系統結構如圖5 所示[1 ] 。該系統以列車為中心,其主要子系統包括: 區域控制器,車載控制器,列車自動監控(中央控制), 數據通信系統和司機顯示等。

圖5 　典型無線移動閉塞系統的系統結構(圖中:CCTV -閉路電視,PAS -乘客廣播系統, PID -乘客向導系統, SCADA -電力監控系統, TOD -司機顯示, VOBC -車載控制器) 　　區域控制器(ZC) 即區域的本地計算機,與聯鎖區一一對應,通過數據通信系統保持與控制區域內所有列車的安全信息通信。ZC 根據來自列車的位置報告跟蹤列車并對區域內列車發布移動授權,實施聯鎖。區域控制器采取三取二的檢驗冗余配置。
冗余結構的A TS 可實現與所有列車運行控制子系統的通信,用于傳輸命令及監督子系統狀況。
車載控制器(VOBC) 與列車一一對應,實現列車自動保護(A TP) 和列車自動運行(A TO) 的功能。車載控制器也采取三取二的冗余配置。車載應答器查詢器和天線與地面的應答器(信標) 進行列車定位,測速發電機用于測速和對列車定位進行校正。
司機顯示提供司機與車載控制器及A TS 的接口,顯示的信息包括最大允許速度、當前測速度、到站距離、列車運行模式及系統出錯信息等。
數據通信系統實現所有列車運行控制子系統間的通信。系統采用開放的國際標準:以802. 3(以太網) 作為列車控制子系統間的接口標準,以802. 11 作為無線通信接口標準。這兩個標準均支持互聯網協議( IP : Internet Protocol) 。
3 　移動閉塞技術的優勢
移動閉塞系統通過列車與地面間連續的雙向通信,實時提供列車的位置及速度等信息,動態地控制列車運行。固定閉塞、準移動閉塞與移動閉塞三種閉塞方式的比較見文獻[ 3 ] 。移動閉塞制式下后續列車的最大制動目標點可比準移動閉塞和固定閉塞更靠近先行列車,因此可以縮小列車運行間隔,使運營公司有條件實現“小編組,高密度”,從而使系統可以在滿足同等客運需求條件下減少旅客候車時間, 縮小站臺寬度和空間,降低基建投資。此外,由于系統采用模塊化設計,核心部分均通過軟件實現,因此使系統硬件數量大大減少,可節省維護費用。
移動閉塞系統的安全關聯計算機一般采取三取二或二取二的冗余配置,系統通過故障安全原則對軟、硬件及系統進行量化和認證,可保證系統的可靠性、安全性和可用度。
無線移動閉塞的數據通信系統對所有的子系統透明,對通信數據的安全加密和接入防護等措施可保證數據通信的安全。由于采取了開放的國際標準,可實現子系統間邏輯接口的標準化,從而有可能實現路網的互聯互通。采取開放式的國際標準也使國內廠商可從部分部件的國產化著手,逐步實現整個系統的國產化。
在對既有點式A TP 或數字軌道電路系統的改造中,移動閉塞系統能直接添加到既有系統之上,因此對于混合列車運行模式來說,移動閉塞技術是非常理想的選擇。
4 　結語
最早使用移動閉塞技術之一的溫哥華無人駕駛輕軌系統至今已安全運行近20 年,充分驗證了移動閉塞的安全性以及技術的成熟性。此外,移動閉塞技術在北美、歐洲、亞洲許多國家的軌道交通建設中也得到應用。早期的移動閉塞系統大部分采用基于感應環線的技術,據不完全統計,目前全球已有11 個城市約217 km 此類線路投入運營。而近年新建的移動閉塞項目(如漢城地鐵) 及舊系統改造項目(如紐約卡納西線和巴黎地鐵13 號線) 絕大多數采用基于無線通信的技術。據資料,全世界目前有近10 個城市約220 km 線路正在進行無線CB TC 的設計或安裝。在中國,2002 年6 月和2003 年5 月,武漢輕軌一期和廣州地鐵3 號線也相繼決定采用基于環線的移動閉塞技術,以實現列車安全、高效運行。
城市軌道交通信號技術已經歷了傳統運行方式、列車自動控制(A TC) 技術、全自動無人駕駛方式(如法國的VAL 系統、日本的新交通系統等[ 2 ]) 等幾個發展階段,從間斷、間接的控制到連續、直接的列車控制, 人們逐步實現了更加安全、有效和經濟(節能) 的列車控制技術。而實現直接列車控制的關鍵是安全可靠的車-地雙向通信及列車定位技術。

參考文獻
1 　阿爾卡特交通自動化. Seltrac S40 無線CBTC 系統結構. 2003
2 　孫章. 城市軌道交通世紀回眸. 科學,2003(1) :6～10
3 　黃鐘. 上海城市軌道交通ATC 系統的發展策略. 城市軌道交通研