浅谈城市轨道交通信号系统的设计方案选择
摘要信号系统在城市轨道交通中占有重要地位，它是保障轨道交通系统安全与高效运行的重要手段。随着我国城市轨道交通的迅猛发展 ， 信号系统作为控制运行安全的核心设备，其系统结构与性能直接关系到项目初期建设投资、系统运量、运 行能耗、以及系 统运行与维修成本。本文就其中的系统构成、系统制式、设计行车间隔和车-地信息传输方式等主要的设计方案进行了探讨。
关键词城市轨道信号系统 设计
信号系统的安全性体现在两个方面，即方案的安全性和设备的安全性。一般人们只注重设备的安全性，而忽视了方案的安全性比较，也就是说在不同设备提供同样的安全性指标时，由于方案选择的不同，也会造成整个信号系统安全性能的差异。城市轨道交通的信号系统担当着控制和指挥列车运行的职责,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体现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,而且还有利于降低工程投资。
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能力相适应。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,如果在将来行车密度需要增加时, 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,同时,也可大大减轻驾驶员的劳动强度;另外,由于对列车精确定位停车和列车折返能力等等方面的具体需求,这种线路的运行一般都采用列车自动运行(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,一般推荐采用该系统方案。
主要技术方案
2. 1 系统制式
城市轨道交通中信号系统的制式目前有三种制式：第一，基于多信息移频轨道电路的固定闭塞制式，采用台阶式速度控制模式，属二十世纪八十年代技术水平，西屋公司、GRS公司分别用于北京地铁、上海地铁一号线的ATP、ATO系统属于此种类型；第二，基于报文式轨道电路的准移动闭塞制式ATP/ATO系统，采用距离/速度曲线控制模式，属二十世纪九十年代技术水平，西门子公司在广州地铁一号线使用的LZB700M、US＆S公司在上海地铁二号线使用的AF-900以及我国香港地区机场快速线（最高速度达135km/h）使用的阿尔斯通公司SACEM（ATP/ATO）信号系统均属于此种类型。第三，基于通信的移动闭塞的地铁信号系统，移动闭塞通过双向通信手段，每辆列车不仅知道自身在线路中的位置，也了解前行列车在线路中的精确位置，这样就可以缩短列车的行车间隔，提高行车密度和行车效率，从而增加客运能力，提高服务质量和服务水平。
第一种、第二种列车控制模式均为基于轨道电路的列车控制系统，应用较多，技术成熟。第三种列车控制模式相对来说应用较少，技术不够成熟，但是代表着地铁信号系统发展的需求和趋势。具体的制式选择应结合项目的运营需求以及工程预算综合考虑后确定。
2. 2 设计行车间隔
行车间隔是信号系统的一个重要性能指标。行车间隔时间对旅客在站等候时间，地铁运营的服务质量以及地铁项目的工程投资等方面产生直接影响。但是，行车间隔时间的确定受到多种因素的制约，一般来说，最小行车间隔取决于信号系统、客流大小、车辆性能、折返能力，线路配线形式以及停站时间等诸多因素。设计行车间隔是考虑在基本行车间隔的基础上预留必要的余量，便于运营中对列车运行误差进行调整。一般来说，对于大、中型城市的地铁项目，目前国内普遍采用每小时30对列车的通过能力,即120s的基本行车间隔进行设计，设计行车间隔按90s进行设计。
在实际的工程运用中，应结合线路近，远期客流量、信号系统的性能、以及线路情况综合考虑，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. 3 信息传输方式
根据信息传输链路的建立模式，信号ATC系统的车－地通信方式有点式和连续式之分：
1）点式信息传输方式
点式信息传输系统主要由音频无绝缘轨道电路（或计轴设备）和轨旁应答器构成。轨道电路（或计轴器）用于检测轨道的占用情况，应答器用来定点地向车载设备传输ATP信息，实现地－车数据单方向传输，根据需要还可用环线来延伸信息点的范围，构成点－连式数据传输系统。点式系统具有投资少、维修成本较低等优点，单纯的点式ATP系统不能使列车的运行有效地跟随信号机的显示状况，需在进站前方铺设一段填充电缆环线，传输连续车-地信息；同时，由于列车获得的信息是定点、不连续的，列车在越过信息点后按已接收到的信息行驶，必须等待收到下一个点式信息时才能按新的信息要求行驶，在两信息点间行驶不能及时地更新轨旁变化的运行条件，因此，更新列车控制信息的实时性差。
2）连续式信息传输方式
连续式信息传输系统利用多信息或数字音频无绝缘轨道电路、交叉电缆环线、裂缝波导管或漏缆、无线天线等，向车载设备提供连续的列车运行信息，既有检查列车占用功能，同时也具有信息传递功能。其特点是信息不间断，提供的信息较大（交叉电缆环线、裂缝波导管、漏缆、无线天线），列车运行安全、平稳舒适。连续式通信投资相对较大、维修成本较高，但地面对列车运行能进行连续有效地控制；由于连续地进行车地通信，提高了安全信息的更新率，从而为缩短行车间隔创造了有利条件。
对于运量大、行车密度高、地铁隧道内驾驶条件较差的项目,如大、中型城市的骨干线路等采用连续式信息传输方式的系统是较为适宜的，也是符合信号系统的发展方向的。
对于运量相对较小，行车密度相对较小的项目，运营要求不高的项目，如城市轻轨、城际铁路等采用点式信息传输方式的系统是较为适宜的。对于点式系统控制实时较差的缺点,则可以通过接近连续式发码方式进行弥补。
小结
在许多发达国家都设有专门的系统工程师在方案设计时对整个系统的安全、可靠性作出全面的、科学的评价。我国虽然没有专门的系统设计工程师，但在设