浅谈城市轨道交通信号系统工程设计

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　　摘要:城市交通运输是影响和制约城市发展的重要因素，轨道交通信号系统是保障运输安全，提高运营效益的重要工具。本文结合城市轨道交通信号系统的发展趋势，以基于通信的移动闭塞制式实际工程设计当中所遇到的实际情况对目前城市轨道交通信号系统的闭塞制式比较，系统构成等进行分析。
　　
　　关键词:城市轨道;信号系统;工程设计;CBTC
　　1 引言
　　城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全,实现行车指挥和列车运行现代化,提高运输效率的关键系统设备。城市轨道交通信号工程造价高,高科技内容含量高,涉及到通信技术、计算机技术、网络技术和远程控制技术等。从事这一领域的企业,要求企业的拥有较高的技术水平和自主创新能力。
　　2 城市轨道交通信号系统方案
　　一般城市轨道交通线路在城市交通疏解任务中担当非常重要的角色，为满足以上要求，地铁信号系统应采用完整的、先进的、高效的列车控制系统。
　　(1)正线信号系统采用完整的列车自动控制（ATC）系统，由ATS、ATP、ATO、联锁设备组成。
　　(2)车辆段/停车场由联锁设备、微机监测设备、ATS分机等主要设备组成。
　　a)闭塞方式分析
　　目前城市轨道交通的信号系统主要有准移动闭塞和移动闭塞系统选择。
　　1.基于目标距离模式的准移动闭塞ATC系统
　　目标距离模式一般采用音频数字无绝缘轨道电路，具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。列车车载设备根据由钢轨传输而接收到的联锁、轨道电路编码、线路参数、控制管理等报文信息，对列车追踪运行以及折返作业进行连续的速度监督，实现超速防护，控制列车运行间隔，以满足规定的通过能力。由于音频数字轨道电路传输信息量大，可向车载设备提供目标速度、目标距离（指从占用音频轨道电路始端至停车点的距离）、线路状态（坡道、弯道数据等），使ATP车载设备结合固定的车辆性能数据计算出适合于本列车运行的模式速度曲线。
　　2.移动闭塞系统（CBTC）
　　基于通信的移动闭塞列车控制系统技术先进，是列车控制技术的发展方向，代表了国际ATC的先进水平。
　　★ 独立于轨道电路的高精度列车定位；
　　★ 连续、大容量的车－地双向数据通信；
　　★ 车载和轨旁的处理器执行安全功能。
　　CBTC系统采用自由空间无线天线、交叉感应电缆环线、漏泄电缆以及裂缝波导管等方式实现车-地、地-车间双向数据通信。轨旁ATP设备根据列车的位置信息和进路情况计算出每一列车的移动权限，并动态更新，通过连续车地通信设备发送给列车。车载设备根据接收到的移动授权和自身的运行状态计算出列车运行速度曲线和防护曲线，在ATP子系统的防护下，ATO子系统或人工驾驶控制列车在该速度曲线下运行。后续列车可最大限度地接近前行列车尾部，与之保持一个安全距离。在保证安全的前提下，CBTC系统能最大程度地提高区间通过能力，不受轨道电路区段分割的限制。
　　虽然CBTC系统在调试时存在一些不尽如人意的地方，但是CBTC系统在具有自身优越性的同时已经成为城市轨道交通信号系统的首选方案。其相对于准移动闭塞系统的优越性是不可取代的。
　　4 城市轨道交通信号系统构成
　　信号系统设备按地域划分可分为控制中心设备、车站与轨旁设备、车辆段和停车场设备、维修中心设备及车载设备五部分。
　　控制中心的设备主要是ATS子系统的中央级设备及显示终端设备。
　　a)控制中心设备（ATS）
　　1.控制中心ATS系统
　　信号系统的控制中心设备设于控制中心大楼内，是列车自动监控系统（ATS）的核心部分，设冗余ATS服务器，网络时钟服务器、总调度长及行车调度员工作站、综合显示系统、中心计算机系统、运行图编辑工作站、维护工作站、培训模拟工作站、网络设备及电源设备等。
　　（1）ATS服务器
　　信号设备室设置中心计算机系统，包括ATS系统中心控制主机、中心通信处理器、中心数据服务器、中心局域网及各自配备的外部设备。为了保证系统的可靠性，上述主要硬件设备采用双机热备方式。
　　（2）调度长及行车调度员工作站
　　根据车站及线路配置情况及行车组织要求，一般情况下在控制中心中央控制室各线设置3个行车调度工作站，其中两个行车调度员工作站，一个调度长工作站。
　　（3）运行图编辑工作站
　　在运行图室设置运行图编辑工作站及相应的打印设备，用于运行计划人员编制及修改列车运行时刻表，通过人机对话可以实现对运行时刻表的编辑、修改及管理。
　　（4）维护工作站
　　在维护室设维护工作站。维修工作站主要用于ATS系统的维护及修改系统数据、ATC系统的故障报警处理等。
　　（5）培训、模拟工作站
　　在培训室设置培训、模拟工作站及打印机，工作站内配有各种系统编辑、装配、连接和系统构成工具以及列车运行仿真的软件。可与调度员工作台具有相同的显示内容和相同的控制功能，并能实际仿真列车在线运行及各种异常情况，而不参与实际的列车控制。
　　（6）绘图仪和打印机
　　打印室配备两台彩色激光网络打印机和一台网络绘图仪，用于输出运行图及各种报表。
　　（7）控制中心综合显示屏（大屏幕）
　　综合显示屏显示的信息及实现的功能：
　　★实现正线列车运行及信号系统设备状态的监视
　　★显示行车信息
　　★CCTV图像
　　★行车、防灾、电力调度等有关的综合信息
　　其显示内容采用区域显示方式，并可根据调度的要求调整显示画面。
　　（8）电源设备
　　电源室设置ATS电源系统，包括为ATS设备正常工作提供电量的电源屏及在线式UPS，可提供30分钟后备电源的免维护电池。
　　2.车站ATS设备
　　正线车站ATS设备设在设备集中站，由车站ATS分机、通信接口设备、车控室操作设备等组成。
　　（1）车站ATS分机采用数据通信接口设备，该设备为双套冗余。
　　（2） 车站工作站由键盘及彩色显示器组成，当中心设备故障或下放控制权时，车站工作站可完成对进路、信号机的控制。
　　（3） 通信接口设备与通信传输设备配合完成车站ATS与中心ATS间信息传输及各种通信。
　　（4）发车指示器，设在发车站台端部。
　　3.车辆段、停车场ATS设备
　　（1）车场信号设备室设一台ATS分机，与车场联锁系统接口。
　　（2）行车值班室和车辆派班室各设一台终端以及必要的打印机。
　　（3）与OCC（控制中心）通信的传输网及其接口。
　　b)车站与轨旁设备
　　1.正线设备集中站室内设备包括联锁设备、ATP/ATO设备、车地双向通信室内设备、列车空闲检测设备、ATS车站设备、电源设备等。
　　2.站台设备包括发车时间指示器、紧急停车按钮、PIS系统。发车指示器：设置于发车正方向站台端部，每站台1个。紧急停车按钮：每侧站台设置2个，设置位置应便于紧急情况下的使用。
　　3.轨旁包括转辙机、信号机、列车占用检查设备、车地通信设备等。
　　4.在非设备集中站，将主要设置电缆分线架、安全门接口设备、ATS接口设备、轨旁信号机等。
　　5.在全线所有车站的控制室设紧急后备盘。在车站值班员认为必要的情况下，可通过按压紧急后备盘上的有关按钮。
　　6.对于联锁设备集中站，在车站控制室还应设置用于车站级控制的控制工作站，用于在车站级控制情况下，能对本联锁区内的信号元素进行监控以及故障报警。
　　（1）设备集中站的设置
　　综合考虑联锁设备、ATP、ATO和ATS车站设备的控制能力及控制距离的要求，正线区段的ATP/ATO室内设备原则上集中设置于设备集中站。设备集中站的设置及控制范围需结合线路具体情况及运营需求统筹考虑，此处不再赘述。

　　（2）轨旁ATP/ATO设备
　　1）轨旁骨干网
　　信号系统利用光纤及通信设备自行组建用于安全信息交换的冗余的通信网络，网络应符合开放的IEEE802.3标准。该网络也可以传输ATS信息。
　　2）车－地通信轨旁设备
　　轨旁设备包括轨旁设备、区间接入点设备、天线以及连接这些设备的光缆及电缆等组成。区间接入点与骨干通信网的连接应是冗余的。
　　区间接入点的布置位置及数量应该满足任意区间点的无线重叠覆盖，即任何单个的区间接入点故障不影响车－地的正常通信。
　　3）地面信标
　　★信标是CBTC的重要组成部分，其作用为：
　　★列车位置初始化，即运行方向判定；
　　★列车位置校准；
　　★轮径磨耗自动补偿；
　　根据目前市场实际情况，有欧标和查询信标两种方式可供选择：欧标应答器具有更强的数据传输能力并且适应更高的速度，并且进行了国产化。查询信标具有价格优势。
　　（3）正线联锁设备
　　联锁设备设于设备集中站，按照车站配线及控制范围考虑联锁集中站，主要包括计算机联锁设备及设备机架，完成信号机、进路、道岔的联锁等功能。
　　1）正线区段信号机的显示方式符合该项目所在城市地铁相关规范的要求并考虑CBTC系统的实际情况。
　　通常正线区段地面防护信号机的显示方式如下：
　　★红灯―禁止通行，列车在信号机前停车；
　　★绿灯―进路开通道岔直向位置，准许列车按规定速度运行；
　　★黄灯―进路开通道岔侧向位置，准许列车按规定的限制速度运行；
　　★黄灯+红灯―引导信号，允许列车以不大于25km/h（具体根据运营要求确定）速度越过该信号机继续运行，并随时准备停车。
　　2）全线设辅助列车检测设备，采用计轴设备。
　　（4）车载设备
　　每列车原则上配备两套车载ATP/ATO单元。包括车载ATP/ATO主机机柜、速度传感器、控制显示单元以及车地通信天线等主要设备。每套ATP/ATO车载设备的关键设备均采用冗余结构。 两套车载单元互为热备，热备切换时不能影响列车的正常运营。
　　人机界面的主要内容包括：
　　★列车实际速度/最大允许速度显示
　　★目标距离/速度显示
　　★驾驶状态（动力运行、惰行和制动）显示
　　★驾驶模式（ATO、人工ATP、限速人工、自动折返）表示
　　★ATO模式启动按钮
　　★自动/人工关门开关及表示
　　★列车折返表示
　　★列车停车精度（到位）情况
　　★门表示（含司机室车门）及控制元件
　　★紧急制动的启动表示
　　★ATP/ATO故障表示
　　★驾驶员输入有关数据（轮径、乘务组号、车辆号、目的地号等）
　　★列车完整性表示
　　（5）在运行交路的折返站，将考虑在站台设有折返按钮和折返设备，实现列车折返或车载设备驾驶端的自动转换。
　　c)系统后备模式设备
　　正线ATC系统在通信设备故障时可全部或局部按照设定的后备模式（限制人工驾驶模式）运行。后备模式通过计轴、发车表示器、信号机、联锁、应答器及相应编码设备等设备完成对列车的运行控制。
　　在线路上的每架信号机、道岔以及各车站正向出站处附近设置计轴设备，用于轨道空闲的检测，在移动闭塞ATC系统通信故障时，降级为后备模式，联锁系统利用这些设备配合ATP和机车信号控制列车安全运行。
　　d)车辆段、停车场设备
　　车辆段/停车场信号设备主要有车场ATS分机、联锁设备、监测设备、试车线设备、培训设备及日常检修和检查等设备。行车控制室设有计算机联锁监视、操作终端设备和ATS工作站。通过ATS工作站可监视出入段线和正线部分的列车运行情况。
　　1.车场ATS设备
　　（1）车场信号设备室设一台ATS分机，与车场联锁系统接口。
　　（2）行车值班室和车辆派班室各设一台终端以及必要的打印机。
　　（3）与OCC通信的传输网及其接口。
　　2.联锁设备
　　计算机联锁室内设备主要包括联锁机柜、接口柜、防雷柜、继电器柜、分线盘设备和UPS电源等，电源室设有智能电源屏。设备室同时设有计算机监测的下位机设备和维修监测工作站等。
　　3.试车线设备
　　在试车线旁设置试车设备室和控制室，装设与正线相同的ATP、ATO室内设备，轨旁设备以及相应的试验设备。
　　室内设备包括：试车线工作站和控制盘、ATP/ATO线路计算机设备、电源屏及UPS电源等，同时还应包括与屏蔽门接口的模拟设备。
　　室外设备包括列车占用检查设备、车地通信设备、信号机。
　　试车线上的道岔和道岔防护信号机均由车辆段联锁系统控制。作为信号楼联锁控制的一部分。
　　4.计算机监测设备
　　车辆段/停车场站场较大，养护维修工作量较多综合考虑设置铁道部统一标准的微机监测系统，该系统在国铁中已全面采用，并可与计算机联锁系统紧密结合。
　　5.维修中心的信号维修设备
　　信号系统设备维护采用日检、日常维护、定期检修方式。日检包括对每天投入运行列车的ATP/ATO车载设备进行测试；日常维修包括巡视、测试、故障抢修等；检修工作包括对检修期满的设备更换、性能测试、元器件更换及检修后的测试工作。

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