城市轨道交通信号系统的设计方案探讨

摘　要　信号系统作为城市轨道交通工程中重要的组成部分,对行车的安全、正点、高效的运行起着至关重要的作用,但由于其中的设计标准不全面,给系统设计方案造成了一定的随意性。本文就其中的系统构成、设计行车间隔和atp 信息传输方式等主要的设计方案进行了探讨。

关键词　城市轨道交通,信号系统,设计方案

城市轨道交通的信号系统担当着控制和指挥列车运行的任务,是影响整个城轨交通系统运营安全和效益的关键点。信号系统的水平也成为城市快速轨道交通现代化的重要标志。设计出一个优秀的系统方案不仅有利于保证行车安全,提高运输能力,实现迅速、及时、准确的行车调度指挥和运输管理现代化,提高服务质量,而且还有利于合理使用工程投资,降低工程造价。
1 　系统构成方案
城市轨道交通是一个技术先进,具备相当程度自动化水平的运输体系。其中信号控制系统的构成必须与整个交通运输相适应。
在《城市快速轨道交通工程项目建设标准—试行本》中,把信号系统划分了三个层次:第一层次设备在运量较小、行车密度较低的线路上,可配置联锁设备、自动闭塞、机车信号和自动停车系统;第二层次设备在运量较大、行车密度较高的线路上,可配置列车自动监控(ats) 系统和列车自动防护(atp) 系统; 第三层次设备在运量大、行车密度高的线路上,配置列车自动监控系统、列车自动防护系统和列车自动运行(ato) 系统。
上述第一层次系统配置属最低水平等级,只适于行车间隔大于3 min 的线路运用。也就是说,在行车密度较高时, 这种线路将面临整个系统的改造,造成大量的废弃工程;另一方面,由于机车信号和自动停车装置所能容纳的信息量少,列车运行的安全性很大程度上只能依赖于司机的驾驶;然而其国产化率水平是最高的,工程造价是最低的。应该说,该层次的设备适宜在近期运量小、行车密度低, 而且远期运量无明显变化的工程,如在中等城市或是郊区轨道交通系统中运用。
第二层次的信号系统配置,适于行车间隔在2 min 以上的线路运用,行车安全可以完全由列车自动防护系统来保证。虽然其国产化率水平降低,工程造价增高,但是该层次设备技术先进,便于向第三层次扩展,不存在明显的废弃工程,符合工程按近远期分步实施、合理预留的原则,所以系统的综合经济指标是合理的。这种系统能适应大多数城市轨道交通的运用需要,是大运量的城市轻轨交通的首选方案。
第三层次的系统配置具备很高的现代化技术水平,适于行车间隔小于2 min 的线路运用,不仅行车安全可以完全由列车自动防护系统来保证,而且列车自动运行系统还可以完成站间自动运行、定位停车,接收控制中心运行指令,实现列车运行自动调整,使整套信号系统能够满足列车高速、高密度运行的需要。这种系统的国产化率水平低,工程造价高,是其在工程运用中不利的一面,但系统高水平的自动化程度无疑将给日后的运营、管理带来巨大的经济和社会效益;另外,由于安装屏蔽门对列车精确定位停车功能和大运量对列车高折返能力等等方面的具体需求,这种线路的运行都要由列车自动运行(ato) 系统来保证。所以只要条件许可,在城市轨道交通中,特别是高运量的地铁工程中,该系统方案非常值得推荐。
2 　主要技术方案
2. 1 　设计行车间隔
城市轨道交通工程为适应乘客运量大、行车密度高的特点,往往采取缩短行车间隔的办法。这样一方面有利于减少旅客候车时间以提高服务质量; 另一方面可以减少列车编组辆数,节省工程投资。但是由于信号atp 系统技术的限制,如轨道区段的长度、“ 车-地”通信的有效速率、列车进路的建立和恢复时间等等因素,正常的行车间隔不可能无限制缩短。换言之,最小行车间隔极大地影响着信号的atp 系统方案和工程造价。确定合理的行车间隔时分成为信号atp 系统方案设计的控制参数。
根据一些发达国家城市轨道交通的运营经验, 信号atp 系统可按满足高峰运营流量130 % 的能力标准进行设计。也就是说,如果线路的客流量在某个特殊时段增加到预测高峰值的130 % 时,atp 系统仍有能力满足运营采取的临时措施,如临时增加运营列车等。表1 以某一条线路运营方案为例予以说明。
　 两种方案均可满足运量要求,但它们的运能余量,即单向运输能力与高峰小时单向最大断面客流量比是不同的。其中方案a 为1. 00 , 方案b 为1. 08 。那么,如果按方案a 实施,在高峰时间内的线路运营将处于全饱和状态, 按上述标准设计相应的atp 系统应采用184 s 的设计行车间隔;如果按方案b 实施,在高峰时间内的线路运营尚有8 % 的调节余量,相应的atp 系统只需采用245 s 的设计行车间隔。显而易见,从信号系统的设计角度来看,方案b 优于方案a 。
应该指出的是,ats 系统所具备的行车间隔调控能力与上述的atp 的设计行车间隔能力是有区别的。ats 对列车运行的调控主要是当列车运行秩序有紊乱时,通过控制列车停站时分而使列车运行秩序尽快恢复的一种措施。当然,这种调控能力的实现也是要体现在atp 行车间隔能力上的。
在实际的工程运用中,应结合线路近、远期运量,以及工程实施方案、ats 调控能力等综合因素, 确定一个合理的满足运营要求、节省工程投资的设计行车间隔。
2. 2 　atp 信息传输方式
atp 系统是确保列车运行安全的关键设备,它由轨旁设备和车载设备组成, 列车通过地面atp 设备接收运行信息,实现列车的间隔控制。atp 设备主要有两种划分方式,一是按“车-地”atp 信息传输方式分为连续式和点式发码方式;另一种是按对列车控制方式分为模式曲线方式和阶梯式控制方式。其中按前一种划分的两种atp 设备工程造价差异大,是选择atp 系统方案的主要比较点。

连续式的atp 设备一般可利用轨道电路或连续敷设的电缆向车载接收设备连续不断地传递地面信息。其特点是信息传递实时性高、技术复杂、造价昂贵。点式atp 设备利用地面应答器或点式环线把地面信息传至列车。这种方式实时性较差, 但技术简单、造价低廉。
控制实时性较差高行车间隔大于90 s 可小于90 s 自动驾驶功能尚无产品有列车检测功能需另设轨道电路有系统扩展对行车干扰较小对行车干扰大安装调试周期较短周期长工程造价较低高维修成本低高生产厂家少多
　　在我国现有的地铁交通中,由于运量大、行车密度高、地铁隧道内驾驶条件较差等特点,均采用连续发码方式的atp 系统是适宜的。
随着点式atp 技术的发展,在城市轨道交通工程,特别是城市轻轨工程中采用点式atp 设备显得越来越合理。在点式atp 系统中,以目前较有代表性的西门子公司zub120 为例,其主要的技术指标如下:
·传输制式　移频键控(fsk) ,串行
·传输速率　50k·-1
·传输间距　130～210 mm
·电码可靠性　循环码多次判断,海明距为4
·电码长度　可编程有用比特96 位
·机车设备平均故障间隔时间　2 ×104 h
·地面应答器平均故障间隔时间　9 ×105 h

对于点式系统控制实时较差、缺乏紧急停车功能等缺点,则可以通过接近连续式发码方式进行弥补。上海莘闵轻轨交通线作为我国第一条城市轻轨线路就已按点式atp 系统进行设计。另据西门子公司介绍,目前该公司新研制的点式atp 系统不仅打破了90 s 行车间隔的限制,也具备了自动驾驶功能。
3 　小结
在实际的工程运用中,结合工程具体情况就不难设计出优秀的系统方案。例如:在天津市区至滨海新区轻轨工程招标中,我方依据轻轨客运量近、远期分别为18. 4 万人次/ 日、28. 4 万人次/ 日,列车运行近、远期3 min 的追踪间隔,以及列车4 列、6 列的不同编组,首先确定的投标方案中设计行车间隔为135 s , 采用点式atp 和国产ats , 预留ato 方案;而结合本线列车运行速度高达100 km/h , 列车制动距离长的特点,从保证行车安全、节省工程造价的角度出发,我方又推荐了采用模拟无绝缘轨道电路加连续式环线的atp 方案。两种方案的技术论证受到了评判专家组的一致好评。
总之,在系统构成和主要的技术方案确定以后,信号系统虽已基本定型,但要真正全面地设计出一个良好的系统,还有许多细节需要考虑。例如:为发挥投资效益,根据城市轨道交通工程近、远期不同的建设规模和标准,信号系统的配置应考虑按不同阶段的运量要求分步实施、合理预留,并使之容易进行技术改造和升级;信号系统设计方案中应充分考虑到国家对机电设备国产化率的要求,除某些必须引进的设备外,尽量选用国产设备或与引进国外技术国内组装相结合的方式。
另外,城市轨道交通信号系统的特殊技术指标也是应在设计过程中重点考虑的问题。如在长大坡道上设立的保护性延续进路对列车运行追踪时分的影响;为缩短折返进路建立时间,如何处理折返进路有关的渡线道岔等技术问题。

参　考　文　献
1 　吴汶麒主编. 城市轨道交通信号与通信系统. 北京:中国铁道出版社,1998