畢危危

*西門子 (中國(guó))有限公司 工程師,100102 北京

隨著中國(guó)城市軌道交通的載客壓力日益增加,地鐵行駛速度不斷提升 (目前最高速度已超過(guò) 100km/h)。如何在高速環(huán)境下確保運(yùn)營(yíng)安全,縮短行車間隔,提高運(yùn)營(yíng)效率,這對(duì)地鐵車輛、信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等都提出了極高要求。從最初的固定閉塞到準(zhǔn)移動(dòng)閉塞,再到現(xiàn)在最先進(jìn)的基于通信的列車控制CBTC(Communications-Based Train Control)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的應(yīng)用,信號(hào)系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)是推動(dòng)列車提速、保障行駛安全的最關(guān)鍵技術(shù)。

西門子憑借 “全面交通解決方案”的理念,將其先進(jìn)的 CBTC解決方案引入到中國(guó)城市軌道交通中,并提供模塊化產(chǎn)品 “Trainguard MT”列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 “Trainguard MT”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“Trainguard MT”系統(tǒng)主要由列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng) (ATS)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng) (IXL)、軌道空閑檢測(cè)系統(tǒng) (TVD)、列車控制系統(tǒng) (列車自動(dòng)防護(hù)ATP及列車自動(dòng)運(yùn)行 ATO)、和雙向通信系統(tǒng)(WLAN)等 5個(gè)子系統(tǒng)組成,如圖 1所示。這 5個(gè)子系統(tǒng)被劃分到 4個(gè)層級(jí),以便分級(jí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指定的功能。

第 1層:ATS系統(tǒng)的集中控制層。包括中心控制和車站控制 2級(jí)。VICOS OC 501實(shí)現(xiàn)線路集中控制功能及其備用功能;VICOSOC 101則為車站控制和后備模式的功能提供操作員工作站和列車進(jìn)路計(jì)算機(jī) (TRC)。

第 2層:沿著線路分布的軌旁層。包括聯(lián)鎖系統(tǒng) (IXL)、ATP軌旁系統(tǒng)、軌道空閑檢測(cè)系統(tǒng)(TVD)及信號(hào)機(jī)、應(yīng)答器部件等,執(zhí)行聯(lián)鎖和ATP軌旁功能。聯(lián)鎖系統(tǒng) (IXL)采用西門子計(jì)算機(jī)輔助信號(hào) (Sicas)。Sicas基于聯(lián)鎖表原理,能夠靈活調(diào)整,適應(yīng)相關(guān)鐵路運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行規(guī)則和不同的用戶需求。

第 3層:通信層。包括局域網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線 WLAN通信系統(tǒng),以及應(yīng)答器等車-地通信設(shè)備。

第 4層:連續(xù)式或點(diǎn)式通信級(jí)別時(shí),Trainguard MT的車載 ATP和 ATO控制功能。

2 “TrainGuard MT”系統(tǒng)特點(diǎn)

與以往的固定閉塞和準(zhǔn)移動(dòng)閉塞相比,西門子“Trainguard MT”系統(tǒng)屬于移動(dòng)閉塞控制系統(tǒng),通過(guò)配備在列車上以及軌道旁的無(wú)線設(shè)備,實(shí)現(xiàn)車-地間不中斷的雙向通信?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)列車實(shí)時(shí)的速度和位置動(dòng)態(tài)計(jì)算和調(diào)整列車的最大制動(dòng)距離,2個(gè)相鄰列車能以很小的間隔同時(shí)前進(jìn),從而極大地提高運(yùn)營(yíng)效率。

“Trainguard MT”系統(tǒng)在保證安全的前提下提供了大量的自動(dòng)化功能,例如 ATO和無(wú)人折返功能,不僅使司機(jī)從繁重的例行工作中解放了出來(lái),還保證了列車在站臺(tái)屏蔽門前的精確制動(dòng),極大地縮短了運(yùn)行時(shí)間和行車間隔,從而確保了安全、可靠、穩(wěn)定、舒適的載客環(huán)境。除此之外, “Trainguard MT”還具有以下顯著特點(diǎn)。

2.1 支持混合運(yùn)營(yíng)模式

“Trainguard MT”系統(tǒng)是西門子在以往系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新、完善的成果。一方面,各個(gè)子系統(tǒng)都相對(duì)獨(dú)立、完整地保留在系統(tǒng)中;另一方面,各個(gè)子系統(tǒng)相互接口,逐層逐級(jí)擴(kuò)充系統(tǒng)功能。這種設(shè)計(jì)理念使得 “Trainguard MT”系統(tǒng)能夠區(qū)分對(duì)待其管轄范圍內(nèi)的非裝備列車、點(diǎn)式控制列車和連續(xù)式控制列車,為列車提供不同的安全防護(hù)策略,從而允許不同控制級(jí)別的列車在同一信號(hào)系統(tǒng)的控制下安全運(yùn)行。對(duì)于非裝備列車,聯(lián)鎖系統(tǒng)提供進(jìn)路保護(hù);對(duì)于點(diǎn)式控制列車,聯(lián)鎖系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)答器為車載 ATP提供安全移動(dòng)授權(quán);對(duì)于連續(xù)式控制列車,則由軌旁 ATP設(shè)備通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)向車載 ATP提供安全移動(dòng)授權(quán)。

采用 “Trainguard MT”方案,將點(diǎn)式列車控制和連續(xù)式列車控制融合在一個(gè)系統(tǒng)中,讓客戶在特定情況下?lián)碛卸喾N運(yùn)營(yíng)策略和建設(shè)策略的選擇。

2.2 列車控制級(jí)別和信號(hào)機(jī)的自動(dòng)切換

Trainguard MT”系統(tǒng)中,列車在進(jìn)入線路、具備升級(jí)條件后,可以自動(dòng)從聯(lián)鎖級(jí)升級(jí)到點(diǎn)式控制級(jí),最后到連續(xù)式控制級(jí),無(wú)須人工介入。

對(duì)于連續(xù)式控制列車,信號(hào)燈處于滅燈狀態(tài),司機(jī)依據(jù)車載提示駕駛;對(duì)于點(diǎn)式控制列車或非裝備列車,信號(hào)燈點(diǎn)燈,司機(jī)必須遵守實(shí)際信號(hào)。信號(hào)燈的點(diǎn)燈或滅燈控制,完全由信號(hào)系統(tǒng)依據(jù)信號(hào)燈前的列車控制級(jí)別來(lái)自動(dòng)選擇。

列車控制級(jí)別和信號(hào)機(jī)的自動(dòng)切換設(shè)計(jì),極大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜情況下運(yùn)營(yíng)人員的操作強(qiáng)度。

2.3 車載設(shè)備的前后冗余功能

“Trainguard MT”系統(tǒng)大量采用冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)可靠性。其中,車載設(shè)備的前后冗余功能是難點(diǎn)。當(dāng)一端車載無(wú)線設(shè)備、ATP設(shè)備、ATO設(shè)備、ITF設(shè)備發(fā)生故障時(shí),另一端的車載設(shè)備會(huì)接管列車,在乘客毫無(wú)察覺的情況下繼續(xù)保持列車的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 WLAN和無(wú)線加密技術(shù)

出于在成本、可維護(hù)性、可用性和通信穩(wěn)定性等方面的考慮,“Trainguard MT”采用基于無(wú)線 AP的 WLAN作為車-地通信通道。WLAN無(wú)線通道提供了一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸通道,其功能可以在整體系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展。

WLAN數(shù)據(jù)通信基于 IPSec標(biāo)準(zhǔn),專用加密模塊在應(yīng)用層為數(shù)據(jù)提供 256位加密、專用數(shù)據(jù)通道格式和密鑰協(xié)商,防止對(duì)數(shù)據(jù)的訪問和篡改;在AP數(shù)據(jù)鏈路層采用防火墻機(jī)制,攔截非法的數(shù)據(jù)報(bào)文。從而,使無(wú)線系統(tǒng)在滿足 CTC系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信高實(shí)時(shí)性的要求之同時(shí),最大限度地減少了黑客侵入的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上,可以說(shuō),基于 WLAN的 “Trainguard MT”列車自動(dòng)控制系統(tǒng)為中國(guó)城市軌道交通的發(fā)展提供了一種新的選擇和方向。北京地鐵 10號(hào)線(含奧運(yùn)支線)項(xiàng)目采用西門子公司的 “Trainguard MT”系統(tǒng),于 2008年 7月 19日開始以移動(dòng)閉塞的全功能投入載客運(yùn)營(yíng),為北京奧運(yùn)會(huì)獻(xiàn)上了一份厚禮。同樣采用西門子公司的 “Trainguard MT”系統(tǒng)的廣州地鐵 4號(hào)線于 2009年 3月份,5號(hào)線于 2009年 12月份也已經(jīng)投入移動(dòng)閉塞的全功能載客運(yùn)營(yíng)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的 “Trainguard MT”系統(tǒng)也會(huì)應(yīng)用到南京、廣佛、重慶,蘇州等地區(qū),開創(chuàng)無(wú)線移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的新時(shí)代。