移动闭塞的原理、系统结构及功能

摘　要　阐述了移动闭塞技术的原理。介绍了典型的基于无线通信的移动闭塞系统的系统结构。分析了移动闭塞相对于传统闭塞方式的优势。指出基于通信的列车控制将是未来列车控制技术的发展方向。

关键词　移动闭塞, 数据通信, 车载控制器, 区域控制器

　　基于通信的移动闭塞(mb) 技术,是全球铁路及轨道交通信号界公认的最先进的信号产品。以sel2 trac 为代表,该技术已经被应用将近20 年,并且给运营商们带来了良好的经济和社会效益。本文将从阐述移动闭塞技术的原理入手,分析其系统结构和优势,供国内同仁参照。
1 　移动闭塞技术的原理
1. 1 　地铁信号和列车自动保护系统
在轮轨交通中, 为保证列车运行安全, 须保证列车间以一定的安全间隔运行。早期, 人们通常将线路划分为若干闭塞分区, 以不同的信号表示该分区或前方分区是否被列车占用等状态, 列车则根据信号显示运行。不论采取何种信号显示制式, 列车间都必须有一定数量的空闲分区作为列车安全间隔。
地铁的信号原理也基于此。但由于地铁的特殊条件,对安全的要求更加严格,因此必须配备列车自动保护(a tp) 系统。a tp 通过列车间的安全间隔、超速防护及车门控制来保证列车运行的安全畅通。在固定划分的闭塞分区中,每一个分区均有最大速度限制。若列车进入了某限速为零或被占用的分区,或者列车当前速度高于该分区限速,a tp 系统便会实施紧急制动。 tp 地面设备以一定间隔或连续地向列车传递速度控制信息。该信息至少包含两部分:分区最高限速和目标速度(下一分区的限速) 。列车根据接收到的信息和车载信息等进行计算并合理动作。速度控制代码可通过轨道电路、轨间应答器、感应环线或无线通信等传输,不同的传递方式和介质也决定了不同列车控制系统的特点。为了保证安全,地铁a tp 在两列车之间还增加了一个防护区段,即双红灯区段防护(见图1) 。后续列车必须停在第二个红灯的外方,保证两列车之间至少间隔一个闭塞分区。

图1 　地铁a tp 的双红灯防护

1. 2 　移动闭塞-基于通信的列车控制系统
传统的固定闭塞制式下,系统无法知道列车在分区内的具体位置,因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。为充分保证安全,必须在两列车间增加一个防护区段,这使得列车间的安全间隔较大,影响了线路的使用效率。
准移动闭塞在控制列车的安全间隔上比固定闭塞进了一步。它通过采用报文式轨道电路辅之环线或应答器来判断分区占用并传输信息,信息量大;可以告知后续列车继续前行的距离,后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动,列车制动的起点可延伸至保证其安全制动的地点,从而可改善列车速度控制,缩小列车安全间隔,提高线路利用效率。但准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点仍必须在先行列车占用分区的外方,因此它并没有完全突破轨道电路的限制。
移动闭塞技术则在对列车的安全间隔控制上更进了一步。通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信,控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一定的防护距离, 便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区( 见图2) 。由于保证了列车前后的安全距离,两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进,这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行,从而提高运营效率。

图2 　移动闭塞系统的安全行车间隔
　　移动闭塞的线路取消了物理层次上的分区划分,而是将线路分成了若干个通过数据库预先定义的线路单元,每个单元长度为几米到十几米之间,移动闭塞分区即由一定数量的单元组成,单元的数目可随着列车的速度和位置而变化,分区的长度也是动态变化的。线路单元以数字地图的矢量表示。如图3 所示,线路拓扑结构的示意图由一系列的节点和边线表示。任何轨道的分叉、汇合、走行方向的变更以及线路的尽头等位置均由节点(node) 表示,任何连接两个节点的线路称为边线。每一条边线有一个从起始节点至终止节点的默认运行方向。一条边线上的任何一点均由它与起点的距离表示,称为偏移。因此所有线路上的位置均可由【边线,偏移】矢量来定义,且标识是唯一的。
　　移动闭塞系统中列车和轨旁设备必须保持连续的双向通信。列车不间断向轨旁控制器传输其标识、位置、方向和速度,轨旁控制器根据来自列车的信息计算、确定列车的安全行车间隔,并将相关信息(如先行列车位置,移动授权等) 传递给列车,控制列车运行。
边线e7 连接节点n5 和n6 , 默认方向为从n6 到n5 方向; 节点n5 与边线e7 、e8 和e11 相连。

图3 　线路拓扑图示例
　　早期的移动闭塞系统是通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载计算机(vobc) 与车辆控制中心(vcc) 之间的连续通信。现今,大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统实现各子系统间的通信。在采用轨旁基站的无线通信系统中,系统一般考虑100 % 的无线信号冗余率进行基站布置,以消除在某个基站故障时可能出现的信号盲区。
2 　典型无线移动闭塞系统的系统结构
目前,世界上诸多信号供应商如阿尔卡特、阿尔斯通、西门子、庞巴迪和西屋等,均开发出了各自的移动闭塞技术并已在全球广泛应用。

典型的移动闭塞线路中,线路被划分为若干个区域,每一个区域由一定数量的线路单元组成。区域的组成和划分预先定义,每一个区域均由本地控制器和通信系统控制。本地控制器和区域内的列车及联锁等子系统保持连续的双向通信,控制本区域内的列车运行。列车从一个控制区域进入下一个区域的移交是通过相邻区域控制器之间的无线通信实现。当列车到达区域边界,后方控制器将列车到达信息传递给前方控制器,同时命令列车调整其通话频率;前方控制器在接收并确认列车身份后发出公告,移交便告完成。两个相邻的控制区域有一定的重叠,保证了列车移交时无线通信不中断(见图4) 。

图4 　分布式移动闭塞技术的无线传输示意图( 3 图中虚线表示了无线蜂窝信号的重叠,车载无线电根据信号强度决定与哪一个轨旁基站进行通信。)
　　某一典型无线移动闭塞系统的系统结构如图5 所示[1 ] 。该系统以列车为中心,其主要子系统包括: 区域控制器,车载控制器,列车自动监控(中央控制), 数据通信系统和司机显示等。

图5 　典型无线移动闭塞系统的系统结构(图中:cctv -闭路电视,pas -乘客广播系统, pid -乘客向导系统, scada -电力监控系统, tod -司机显示, vobc -车载控制器) 　　区域控制器(zc) 即区域的本地计算机,与联锁区一一对应,通过数据通信系统保持与控制区域内所有列车的安全信息通信。zc 根据来自列车的位置报告跟踪列车并对区域内列车发布移动授权,实施联锁。区域控制器采取三取二的检验冗余配置。
冗余结构的a ts 可实现与所有列车运行控制子系统的通信,用于传输命令及监督子系统状况。
车载控制器(vobc) 与列车一一对应,实现列车自动保护(a tp) 和列车自动运行(a to) 的功能。车载控制器也采取三取二的冗余配置。车载应答器查询器和天线与地面的应答器(信标) 进行列车定位,测速发电机用于测速和对列车定位进行校正。
司机显示提供司机与车载控制器及a ts 的接口,显示的信息包括最大允许速度、当前测速度、到站距离、列车运行模式及系统出错信息等。
数据通信系统实现所有列车运行控制子系统间的通信。系统采用开放的国际标准:以802. 3(以太网) 作为列车控制子系统间的接口标准,以802. 11 作为无线通信接口标准。这两个标准均支持互联网协议( ip : internet protocol) 。
3 　移动闭塞技术的优势
移动闭塞系统通过列车与地面间连续的双向通信,实时提供列车的位置及速度等信息,动态地控制列车运行。固定闭塞、准移动闭塞与移动闭塞三种闭塞方式的比较见文献[ 3 ] 。移动闭塞制式下后续列车的最大制动目标点可比准移动闭塞和固定闭塞更靠近先行列车,因此可以缩小列车运行间隔,使运营公司有条件实现“小编组,高密度”,从而使系统可以在满足同等客运需求条件下减少旅客候车时间, 缩小站台宽度和空间,降低基建投资。此外,由于系统采用模块化设计,核心部分均通过软件实现,因此使系统硬件数量大大减少,可节省维护费用。
移动闭塞系统的安全关联计算机一般采取三取二或二取二的冗余配置,系统通过故障安全原则对软、硬件及系统进行量化和认证,可保证系统的可靠性、安全性和可用度。
无线移动闭塞的数据通信系统对所有的子系统透明,对通信数据的安全加密和接入防护等措施可保证数据通信的安全。由于采取了开放的国际标准,可实现子系统间逻辑接口的标准化,从而有可能实现路网的互联互通。采取开放式的国际标准也使国内厂商可从部分部件的国产化着手,逐步实现整个系统的国产化。
在对既有点式a tp 或数字轨道电路系统的改造中,移动闭塞系统能直接添加到既有系统之上,因此对于混合列车运行模式来说,移动闭塞技术是非常理想的选择。
4 　结语
最早使用移动闭塞技术之一的温哥华无人驾驶轻轨系统至今已安全运行近20 年,充分验证了移动闭塞的安全性以及技术的成熟性。此外,移动闭塞技术在北美、欧洲、亚洲许多国家的轨道交通建设中也得到应用。早期的移动闭塞系统大部分采用基于感应环线的技术,据不完全统计,目前全球已有11 个城市约217 km 此类线路投入运营。而近年新建的移动闭塞项目(如汉城地铁) 及旧系统改造项目(如纽约卡纳西线和巴黎地铁13 号线) 绝大多数采用基于无线通信的技术。据资料,全世界目前有近10 个城市约220 km 线路正在进行无线cb tc 的设计或安装。在中国,2002 年6 月和2003 年5 月,武汉轻轨一期和广州地铁3 号线也相继决定采用基于环线的移动闭塞技术,以实现列车安全、高效运行。
城市轨道交通信号技术已经历了传统运行方式、列车自动控制(a tc) 技术、全自动无人驾驶方式(如法国的val 系统、日本的新交通系统等[ 2 ]) 等几个发展阶段,从间断、间接的控制到连续、直接的列车控制, 人们逐步实现了更加安全、有效和经济(节能) 的列车控制技术。而实现直接列车控制的关键是安全可靠的车-地双向通信及列车定位技术。

参考文献
1 　阿尔卡特交通自动化. seltrac s40 无线cbtc 系统结构. 2003
2 　孙章. 城市轨道交通世纪回眸. 科学,2003(1) :6～10
3 　黄钟. 上海城市轨道交通atc 系统的发展策略. 城市轨道交通研

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