城市轨道交通信号系统的发展

城市轨道交通信号系统的发展2020/3/13主要内容城市轨道交通信号系统技术发展趋势1城市轨道交通信号系统选型2国产化城轨交通信号系统进展情况32020/3/141、城市轨道交通信号系统的发展趋势信号系统是保障行车安全、提高运输能力的关键技术装备。城市轨道交通信号系统随着微电子技术、计算机技术、通信技术的发展而不断发展。信号系统中，地面与车载设备的安全信息传输方式，大致经历了模拟轨道电路、数字轨道电路和无线通信3个阶段。2020/3/15基于模拟轨道电路的ATC系统轨道电路是将区间线路划分为若干固定的区段，进行列车占用检查和向车载ATC设备传送信息的载体。列车定位是以固定的轨道电路区段为单位，采用模拟轨道电路方式由地面向车载设备传送10～20种信息，列车采用阶梯式速度控制，称之为固定闭塞。2020/3/16模拟轨道电路在我国应用的代表产品有：从英国西屋引进的FS22500无绝缘轨道电路(北京地铁1号线、13号线)；从美国GRS公司引进的无绝缘数字调幅轨道电路(上海地铁1号线)。从系统整体角度来看，基于模拟轨道电路的ATC系统中各子系统处于分立状态，技术水平明显落后，维修工作量大，制约了列车运行速度和密度的进一步提高，将逐步退出历史舞台。2020/3/17基于数字轨道电路的ATC系统数字轨道电路采用数字编码方式，地面向车载设备传送十位数字编码信息，列车可实现一次模式曲线式安全防护，缩短了列车运行间隔，提高了舒适度。采用数字轨道电路的ATC系统，列车可实现一次模式曲线式安全防护，因此称之为准移动闭塞。2020/3/18数字轨道电路在我国应用的代表产品有美国USSI公司的AF2904无绝缘数字轨道电路(上海地铁2号线)；德国西门子公司的FTGS无绝缘数字轨道电路(广州地铁1、2号线,南京地铁1号线等)。数字轨道电路的ATC系统采用微电子技术、计算机技术和数字通信技术，延续了轨道电路故障-安全的特点，目前在我国和世界范围内开通运用较多，系统的可靠性和稳定性得到了充分的验证。2020/3/19但是数字轨道电路存在以下缺点：必须具备很强的抗干扰能力。轨道电路中ATC信息电流一般在几十毫安至几百毫安，而列车牵引回流最大可达4000A。受轨道电路特性限制，只能实现地面向列车的单向信息传输，信息量也只能到数十比特，限制了ATC系统的性能。2020/3/110与牵引供电专业的设备安装相互影响信号设备和牵引供电设备都需要安装在轨道上，两个专业设备的安装必须相互协调，否则会相互影响对方系统的性能。无法进行列车精确定位只能按轨道电路区段对列车进行定位，一般区段长度为30～300m，对缩短列车运行间隔有一定的限制。2020/3/111基于通信的列车运行控制系统（CBTC）CBTC的特点是前、后列车都采用移动定位方式，通过安全数据传输，将前行列车的位置信息安全地传递给后续列车，可实现一次模式曲线式安全防护，并且其防护点能够随前车的移动而实时更新，有利于进一步缩小行车间隔，提高运输效率，称之为移动闭塞。2020/3/112场强覆盖均匀、适应性强、电磁污染小无线AP传输漏线电缆传输成本较高优点缺点安装简单,施工方便,成本低无线场强分布不均匀目前国内主要采用的无线通信的传输方式采用沿着轨道方向的无线定向天线，传输距离可以达到200～400m。沿着同轴电缆的外部导体周期性或非周期性配置开槽口，信号在该电缆中传输的同时，能把电磁能量的一部分，按要求从特殊开槽口以电磁波的形式放射到周围的外部空间。2020/3/113实现列车定位、车-地双向传输波导管传输感应环线方式给线路的日常养护带来不便优点缺点传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强工艺复杂、受环境湿度影响较大波导管是一种双向数据传输的无线信号传输媒介。感应环线方式是通过轨道铺设交叉感应环线来实现无线通信。2020/3/114我国已经开通使用的广州地铁3号线采用加拿大阿尔卡特公司的SelTracMB系统，用感应环线实现车-地信息双向传输；北京地铁10号线、广州地铁4号线采用德国西门子公司的TrainguardMT，用点式AP实现无线信息传输，北京地铁2号线改造、机场线采用法国阿尔斯通公司的URBALISTM，用波导管和点式AP实现无线信息传输。现在正在建设的项目(广州地铁5号线、广佛线，上海地铁6、7、8、9号线，北京地铁4号线，沈阳地铁1、2号线，成都地铁1号线等)，都选择了基于点式AP无线通信的CBTC系统，它已经成为我国城市轨道交通信号系统选型的主流制式。2020/3/115CBTC系统采用当前先进的计算机技术和信息传输技术，不与牵引供电争轨道，有利于牵引供电专业合理布置设备；不需要在轨道上安装设备，易形成疏散通道。采用CBTC技术，具有多方面优势(提高效率、易于延伸线建设和改造升级)，可以充分利用国内现有的信号产品和资源，易于实现国产化。其中具有完全自主知识产权的计算机联锁设备和ATS子系统已经成功在现场开通使用。但目前CBTC系统的应用在国际上还处于初期阶段，国外厂商都在结合工程实践不断完善，开通投入商业运营的线路并不多，开通过程中主要存在以下技术瓶颈，需要在今后的研制和工程实施中加以解决。2020/3/116CBTC系统的列车定位和移动授权依赖无线信息传输，如果某列车或地面某点发生无线通信中断或故障，就会失去对列车的定位，将对运营造成较大的影响，且故障处理将比原来的轨道电路系统复杂。世界上已进行了近30年的CBTC系统研制，最大的技术瓶颈就是一旦发生通信故障时，如何保障行车安全和减小对运营的影响面问题。为此绝大多数采用CBTC系统的工程都配置了后备信号系统。2020/3/117一个成熟的信号系统应该是以最简洁的系统来实现全部功能，但移动闭塞CBTC系统由于尚处于发展初期，地铁轻轨公司为保险起见，在选用移动闭塞CBTC系统的同时，增加后备模式，以确保移动闭塞一旦故障或未及时开通时先以后备模式保证列车能以站间闭塞的方式运行。后备模式的选用，可谓保险但不经济，且技术风险(特别是自由无线传输)骤增。2020/3/118选用移动闭塞CBTC最大的论据是提高运行效率，可缩短列车追踪运行间隔，但是固定闭塞和准移动闭塞，及移动闭塞的区间最小运行间隔分别为120s、100s和90s，而运行间隔的瓶颈是端站的折返时间。一般端站的折返时间长达几分钟，缩短折返时间的方法是改变折返方式或追加折返线路等，故即使达到小于90s的区间运行间隔，但折返效率即“一夫当关”，前功尽弃。2020/3/119移动闭塞CBTC的特点是减少了轨旁设备，但列车与轨旁传输方式中如采用波导、漏缆或环线，这些设备不便于安装，不便于工务部门对钢轨的日常维修，且有些传输方式造成车-地通信效率较低等缺点。且移动闭塞CBTC由于采用了新的IT及软件技术，给用户维护带来相应困难，备品备件在开通后相当长的时间依赖受制于国外供货商，软件的更新升级同样取决于外方。2020/3/120移动闭塞CBTC的特点是缩短列车编组，高密度运行可以缩短站台长度和端站尾轨长度，但是我国城市轨道建设的建设体制是先挖洞后配系统，因此，缩短站台长度往往成为理论上的可行性探讨，达不到缩短站台和端站长度以降低工程造价的目的。相反，后备模式的配备又使造价递升，而国产的准移动闭塞的造价已降至进口的60%左右，固定闭塞的性价比优势更为显著。2020/3/121除采用环线通信外，目前CBTC系统采用的IEEE802.11系列的WLAN标准是一个开放的无线频段，该频段不限制其他用户使用，用户较多时容易造成相互干扰，特别是在高架开放区段，抗外部干扰问题尤为重要。列车从地面的一个AP切换到另一个AP时信息传输会有中断,存在一定程度的丢包现象,如何提高信息传输的可靠性也待研究。2020/3/1222、城市轨道交通信号系统选型新建线路信号系统制式选择①不宜再采用基于模拟轨道电路的ATC系统；②仍然可采用基于数字编码轨道电路的ATC系统；③推荐采用基于通信的列车控制系统(CBTC)。2020/3/123旧线改造信号系统模式我国早期建设的运营线路(旧线)一般采用轨道电路方式的ATC系统，因此在信号系统改造时，推荐采用基于通信的列车控制系统(CBTC)方案。改造期间，无线通信的CBTC系统与既有的轨道电路互不影响，减少了改造的技术难度和工程管理难度。2020/3/1243、国产化城轨交通信号系统进展情况国内开发的城市轨道交通系统3种制式都有，基本上都采用CBTC基于无线的列车控制系统。主要开发进展情况如下：1.中国铁道科学研究院，充分利用专业齐全的优势，通过多年的研发，完成了包括CBTC系统的所有子系统(ATS、联锁、ATP、ATO、DCS、应答器等)，并进行了室内系统调试、现场试验和调试。铁科院的ATS子系统、计算机联锁子系统是国内成熟技术，具有城市轨道交通业绩，已经具备工程实施的条件。