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(西门子(中国)有限公司交通集团铁路自动化部门,100102,北京∥工程师)

随着我国城市轨道交通的快速发展,轨道交通已成为民众出行的首选交通方式,客流逐年高速增长。在部分大城市,客流的增速已经大幅超过了线路运能的增速。城市轨道交通的运营压力日益增加,列车的运行间隔不断缩短,列车的行驶速度也在不断提高,目前有些列车的设计时速已超过100 km。在小间隔、高速度的环境下,如何确保运营安全,提高运营效率,既对城市轨道交通的日常运营管理工作提出了更高的要求,同时对轨道交通车辆、信号系统、通信系统等轨道交通设备都提出了极高的要求。从最初的固定闭塞到准移动闭塞,再到现在最先进的基于通信的列车控制(CBTC)移动闭塞系统的应用,信号系统的持续改进是在小间隔、高速度的环境下保障列车安全行驶的关键技术。

图1 西门子“TrainGuard M T”系统的结构

西门子先进的CBTC解决方案是其“全面交通解决方案”理念的完整体现,已被成功应用到我国多个城市轨道交通系统中。针对我国城市轨道交通CBTC系统多样化的特点,西门子又推出了先进的模块化产品——“TrainGuard MT”自动列车控制系统。

1 “TrainGuard MT”系统结构

“TrainGuard MT”系统主要由列车自动监督系统(ATS)、计算机联锁系统(IXL)、轨道空闲检测系统(TVD)、列车自动控制系统(自动防护ATP及自动驾驶ATO)和双向通信系统(W-LAN)5个子系统组成。“T rainGuard MT”系统的结构如图1所示。

“T rainGuard MT”系统的5个子系统被划分为4个层级,以便分层级实现系统指定的功能。

第一层级,ATS系统的集中控制层,包括中心控制和车站控制两级。VICOS OC 501实现线路集中控制功能及其备用功能;VICOS OC 101则为车站控制和后备模式的功能提供操作员工作站和列车进路计算机(T RC)。

第二层级,沿着线路分布的轨旁层。包括联锁系统(IXL)、AT P轨旁系统、轨道空闲检测系统(TVD)及信号机、应答器部件等,执行联锁和ATP轨旁功能。联锁系统(IXL)采用了技术成熟、应用广泛的电子联锁技术Sicas(西门子计算机辅助信号)。Sicas联锁基于联锁表原理,能够灵活调整,适应相关铁路运营商的运行规则和不同的用户需求。

第三层级,通信层。包括局域网络、无线 WLAN通信系统以及应答器等地—车通信设备。

第四层级,连续式或点式通信级别时,“T rainGuard MT”系统的车载ATP和ATO控制功能。

2 “TrainGuard MT”系统特点

与以往的固定闭塞和准移动闭塞相比,西门子“T rainguard MT”系统属于移动闭塞控制系统,通过配备在列车上以及轨道旁的无线设备,实现车-地间不中断的双向通信,控制系统可以根据列车实时的速度和位置,动态计算和调整列车的最大制动距离,两个相邻列车能以很小的间隔同时前进,从而极大地提高运营效率。

“T rainguard MT”系统在保证安全的前提下提供了大量的自动化功能,例如ATO和无人折返功能,不仅使司机从繁重的例行工作中解放了出来,还保证了列车在站台屏蔽门前的精确制动,能够极大地缩短列车的运行时间和行车间隔。除此之外,“T rainguard MT”系统还具有以下显著特点。

2.1 支持混合运营模式

“T rainguard MT”系统是西门子在原CBTC系统基础上进行创新、完善的成果。一方面,原CBTC各个子系统都相对独立、完整地保留在“T rainguard MT”系统中;另一方面,各个子系统相互接口,逐层逐级扩充系统功能。这种设计理念使得“Trainguard MT”系统能够区别对待其管辖范围内的非装备列车、点式控制列车和连续式控制列车,为列车提供不同的安全防护策略,从而允许不同控制级别的列车在同一信号系统的控制下安全运行。对于非装备列车,联锁系统提供进路保护;对于点式控制列车,联锁系统通过应答器为车载ATP提供安全移动授权;对于连续式控制列车,则由轨旁ATP设备通过无线系统向车载ATP提供安全移动授权。采用“TrainGuard MT”系统,将点式列车控制和连续式列车控制融合在一个系统中,让客户在特定情况下拥有多种运营策略和建设策略的选择。

2.2 列车控制级别和信号机的自动切换

“T rainguard MT”系统中,列车在进入线路、具备升级条件后,可以自动从联锁级升级到点式控制级,最后到连续式控制级,无须人工介入。对于连续式控制列车,信号灯处于灭灯状态,司机依据车载提示驾驶;对于点式控制列车或非装备列车,信号灯点灯,司机必须遵守实际信号。信号灯的点灯或灭灯控制,完全由信号系统依据信号灯前的列车控制级别自动选择。列车控制级别和信号机的自动切换设计,极大地简化了复杂情况下运营人员的操作强度。

2.3 车载设备的前后冗余功能

“Trainguard MT”系统大量采用冗余设计,提高了系统可靠性。其中,车载设备的前后冗余功能是难点。当一端车载无线设备、ATP设备、ATO设备、ITF设备发生故障时,另一端的车载设备会接管列车,在乘客毫无察觉的情况下继续保持列车的平稳运行。

2.4 W-LAN和无线加密技术

基于成本、可维护性、可用性和通信稳定性等方面的考量,“Trainguard MT”系统采用了基于无线AP(访问节点)的W-LAN作为车地通信通道。WLAN无线通道提供了一个强大的数据传输通道,其功能可以在整体系统中进行扩展。

W-LAN数据通信基于IPSec标准,专用加密模块在应用层为数据提供256位加密、专用数据通道格式和密钥协商,防止对数据的访问和篡改;在AP数据链路层采用防火墙机制,拦截非法的数据报文。从而,使无线系统在满足CTC(连续式列车控制)系统对数据通信高实时性的要求的同时,最大限度地减少了黑客侵入的风险。

综上所述,基于W-LAN的“Trainguard MT”自动列车控制系统为我国城市轨道交通的发展提供了一种新的选择和方向。北京地铁10号线(含奥运支线)采用了西门子的“Trainguard MT”系统,于2008年7月19日开始以移动闭塞的全功能投入载客运营,至今已经平稳运营一年多的时间。同样采用了西门子“Trainguard MT”系统的广州地铁4号线于2009年3月、5号线于2009年12月以移动闭塞的全功能投入载客运营。经过实践检验的“Trainguard MT”系统还将会应用到南京、广佛、重庆、苏州等城市的轨道交通系统中。西门子的“Trainguard MT”系统正在开创无线移动闭塞系统的新时代。