無線通信列車控制技術論文

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摘要分析了基于無線通信的列車控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟發(fā)展促進了ATC系統(tǒng)從一個以硬件為基礎向以軟優(yōu)勢。采用基于無線通信的列車控制系統(tǒng)可實現(xiàn)互聯(lián)互通,并有利于設備的國產(chǎn)化。結合國外實施互聯(lián)互通的經(jīng)驗和中國國情,指出該技術對于上海新線建設及將來的互聯(lián)互通是一種可行的方案。

關鍵詞列車自動控制,無線通信的列車控制,互聯(lián)互通

基于通信的列車控制(Communication2BasedTrainControl,簡為CBTC)系統(tǒng)采用先進的通信、計算機技術,對列車實現(xiàn)連續(xù)控制。它擺脫了軌道電路對列車占用的判別方式,突破了固定閉塞的局限性,可以實現(xiàn)移動閉塞。本文將從列車控制技術的發(fā)展著手,探討無線CBTC的技術經(jīng)濟優(yōu)勢及對于實現(xiàn)互聯(lián)互通和項目設備國產(chǎn)化的優(yōu)越性,并對其在國內(nèi)的應用前景提出了看法。

1列車控制技術的發(fā)展和CBTC

列車自動控制(ATC)系統(tǒng)的發(fā)展依賴于市場的需求以及各種新興的技術基礎。過去25年中微處理器的發(fā)展以及過去5年中移動通信的發(fā)展,對ATC技術的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。微處理器的件為基礎的系統(tǒng)的演變,而移動通信技術的發(fā)展也將極大影響ATC系統(tǒng)發(fā)展的進程(見圖1)[2]。

圖1列車控制技術的發(fā)展

無線CBTC采用無線通信系統(tǒng),通過開放的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡實現(xiàn)了列車與軌旁設備實時雙向通信,信息量大,并通過采用基于IP標準的列車控制結構,可以在實現(xiàn)列車控制的同時附加其它功能(如安全報警、員工管理及乘客信息等)。

目前國際上諸如Alcatel,Alstom,Siemens,Bombardier和Westinghouse等信號供應商。均開發(fā)出了各自的CBTC系統(tǒng)并在全球得到了廣泛的應用。

2無線CBTC與互聯(lián)互通

2.1無線CBTC的技術與經(jīng)濟優(yōu)勢

由于無線CBTC可采用移動閉塞的制式,列車能以較小的間隔運行,可使運營商實現(xiàn)“小編組,高密度”的運營模式,這使系統(tǒng)可在同樣滿足客運需求的基礎上,縮短旅客的候車時間,縮小站臺長度和候車空間,降低基建投資;同時,由于系統(tǒng)核心通過軟件實現(xiàn),使其在硬件數(shù)量上大大減少,因而可以降低維修費用,從而降低系統(tǒng)生命周期成本。

2.2采用無線CBTC可實現(xiàn)互聯(lián)互通

在城市軌道交通領域,互聯(lián)互通指的是接口間的列車控制的安全標準、導軌的模型化以及列車控制信息傳遞協(xié)議等。因此,要達到真正的互聯(lián)互通,就必須重新設計系統(tǒng)接口[3]。由于無線CBTC的各控制子系統(tǒng)間的邏輯接口均通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實現(xiàn),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用開放式的國際標準后,子系統(tǒng)間的接口也可實現(xiàn)標準化;而通過采用序列號、循環(huán)冗余校驗等方法進行對安全關聯(lián)數(shù)據(jù)的保護和接入防護,可有效保證開放數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全,因此采用無線CBTC將會有利于實現(xiàn)互聯(lián)互通。

在對既有的點式列車自動防護(ATP)傳輸系統(tǒng)或編碼數(shù)字軌道電路的改造中,采用無線CBTC對其車載設備和軌旁設備進行一定的改造后(主要是增加網(wǎng)絡接口和無線控制子系統(tǒng)),可實現(xiàn)既有信號系統(tǒng)與無線CBTC的疊加,從而達到既有線路與新的無線CBTC線路的互聯(lián)互通。

通過模塊化的結構、強有力的接口設計和事件描述,無線CBTC強調(diào)系統(tǒng)應用層和開發(fā)層的獨立性,而強調(diào)應用層之間的接口標準。采取開放式的國際標準可以使國內(nèi)廠商從系統(tǒng)部分元件的國產(chǎn)化著手(如通信系統(tǒng)等),逐步實現(xiàn)整個系統(tǒng)的國產(chǎn)化。

2.3國外的互聯(lián)互通項目

2.3.1歐洲的城市軌道交通管理系統(tǒng)UGTMS

城市軌道交通管理系統(tǒng)(UrbanGuidedTransportManagementSystem,簡為UGTMS)[4]是由歐洲委員會于2000年提出的一個研究項目,旨在歐洲范圍內(nèi)建立一個城市軌道交通領域內(nèi)的共同標準和規(guī)則,以提高公共交通系統(tǒng)的使用效率和安全,降低系統(tǒng)和社會成本,并使交通系統(tǒng)更加靈活以滿足運營商的需要。項目的參與者來自于運營商、系統(tǒng)供應商和科研院校。研究范圍包括:信號與聯(lián)鎖、列車控制、列車管理系統(tǒng)、供電監(jiān)控及維護輔助系統(tǒng)等。UGTMS的目標是定義一個完全開放系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)要求及接口的規(guī)范。

UGTMS分三個階段進行:第一個階段的主要任務是回顧和評價歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)(ERTMS)的功能需求規(guī)格書,進行ERTMS以及柏林、倫敦、馬德里、紐約和巴黎的先進項目與UGTMS的基準比較(Benchmarking),定義UGTMS的功能需求規(guī)格書(FRS)。第二個階段將完成FRS,建立系統(tǒng)需求規(guī)范書(SRS),建立功能接口標準I/F形式/安裝/功能接口規(guī)范書(FORMFitFunctionalInterfaceSpecifications,簡為FFFIS)。第三個階段將進行實際規(guī)模的示范線試驗。

與UGTMS同時進行的還有國際電聯(lián)IEC(In2ternationalElectro2technicalCommission)的標準化項目IECWG40,旨在建立城市軌道交通線路、線網(wǎng)的交通控制,以及管理系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)和接口規(guī)范。共有7個國家(法、中、加、日、德、意、美)及15個運營商和供應商參與這個標準化項目。

2.3.2巴黎公共運輸局(RATP)的地鐵13號線

經(jīng)過公開招標,RATP選擇了阿爾卡特的6530SeltracS30作為地鐵13號線的解決方案。該技術將使列車的運行間隔從現(xiàn)有的105s縮至90s。它采用無線數(shù)據(jù)通信,通過虛擬閉塞方式來提高線路通過能力。系統(tǒng)可實現(xiàn)列車自動運行(ATO)和列車自動防護(ATP)功能。此外,設計上的模塊化使系統(tǒng)可實現(xiàn)線路的混合模式運行,并預留了向無人駕駛模式發(fā)展的空間。為了不影響線路的正常運營,升級改造工作均在晚間進行。阿爾卡特的系統(tǒng)可以疊加在現(xiàn)有的系統(tǒng)之上,因此可以順利完成系統(tǒng)的升級改造。13號線將于2005年完成現(xiàn)場測試。

對于互聯(lián)互通的接口標準,RATP采用開放的國際標準而不是由某個企業(yè)作為”領跑者”制定。據(jù)悉,巴黎3、5號線的信號系統(tǒng)升級也已開始公開招標,并且這次招標是將系統(tǒng)的車載部分、軌旁部分和通信系統(tǒng)部分分成了5個合同包分別進行招標,其中車載2個,軌旁2個,通信系統(tǒng)1個。

2.3.3紐約地鐵(NYCT)的Canarsie線

在Canarsie項目一期中,NYCT要求3個供應商在一個信號改造區(qū)段示范其CBTC技術。經(jīng)過示范,NYCT認為CBTC是最適合改造其信號系統(tǒng)并實現(xiàn)互聯(lián)互通的方案,并選擇了一家供應商(Siemens)作為項目“領跑者”和另外兩家供應商(Alcatel,Alstom)作為“跟隨者”。在項目二期,CBTC將被安裝并作為NYCT的CBTC技術的標準。按照安裝合同,“領跑者”必須提供詳細的互聯(lián)互通的接口規(guī)范以便兩個“跟隨者”能按照規(guī)范生產(chǎn)兼容產(chǎn)品并進行示范試驗。

對于互聯(lián)互通的氣隙接口標準,紐紐地鐵采用了由“領跑者”制定的非開放的標準,Alcatel決定購買其通信設備,而Alstom決定開發(fā)兼容產(chǎn)品。

3在中國城市軌道交通的應用

3.1在武漢和廣州的應用

2002年5月,武漢輕軌率先一步,決定使用阿爾卡特公司的SeltracS40系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用移動閉塞技術,能夠?qū)嵤┛煽康牧熊囎詣颖O(jiān)控(ATS)并能使4節(jié)編組列車以80km/h的最高速度在高架雙線上安全運行。系統(tǒng)通過指揮中心的主電腦控制列車運行,可實現(xiàn)無人駕駛、定點停車和無人自動折返,但為了安全需要仍配備了司機。系統(tǒng)采用車載信號系統(tǒng),另外仍安裝軌旁信號機以作應急用。此外,系統(tǒng)還設有一套“功能后退模式”,以確保在極罕見的情況下系統(tǒng)發(fā)生了影響正常運營的故障時運營不會中斷。其首期工程將在2004年投入運營。

2003年5月,廣州地鐵3號線也決定采用SeltracS40作為其列車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可使列車行駛速度高達120km/h,并大大縮短行車間隔,從而大幅度提高運營效率。該線將在2006年投入運營。

3.2在上海的應用前景

隨著通信及計算機技術的不斷發(fā)展,采用無線CBTC作為新的列車控制技術或替代原有的信號系統(tǒng)已經(jīng)成為國際上大多運營商的共識。

上海目前的5條軌道交通線路采取了4種不同的信息制式,互不兼容。按照市委和市政府“站高一點,看遠一點,想深一步”的精神,考慮到上海市軌道交通即將形成網(wǎng)絡的前景,對新建線路信號系統(tǒng)的規(guī)范化以及對既有信號系統(tǒng)的升級改造以實現(xiàn)全網(wǎng)的互聯(lián)互通已經(jīng)成為當務之急[5]。因此,在選擇ATC系統(tǒng)技術與制式時,必須充分考慮以下幾點:

第一,有利于實現(xiàn)不同線路間的互聯(lián)互通,應采取開放式的國際標準而非某一家供應商的標準;

第二,積極吸取國內(nèi)外的經(jīng)驗教訓,開放市場,鼓勵競爭,減少備件品種,防止壟斷,減少培訓,降低系統(tǒng)的生命周期成本,實現(xiàn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展;

第三,對于新建線路,必須充分考慮成本-效益比,以及為將來的系統(tǒng)升級預留空間;

第四,對既有線路的升級改造,必須考慮既有系統(tǒng)的充分利用和近期實施的可能性,分步實施,逐步升級。

無線CBTC具有卓越的技術經(jīng)濟優(yōu)勢,同時由于采取了開放的國際標準,使系統(tǒng)有可能實現(xiàn)互聯(lián)互通,并有利于實現(xiàn)項目設備國產(chǎn)化,因此無線CBTC在國內(nèi)的應用前景是十分廣泛的。

參考文獻

1黃鐘.上海城市軌道交通ATC系統(tǒng)的發(fā)展策略.城市軌道交通研

究,2003(1):6

2AlcatelTSD.Seltrac移動閉塞系統(tǒng)結構和功能.2003

3PeterLudikar.Takingalogicalapproachoffersinteroperabilitybene2fits.RailwayGazatteInternational.June2002:307

4Jean2PaulRichard.Strategiesandguidelinestoupgrade/standardizeurbanrailwaysignallingsystems.UGTMSfirstissuefinalreport,Jan.2002

5陳永生,徐金祥.上海軌道交通信號制式的多樣性及其對策.城市軌道交通研究,2002(4):29