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            地鐵信號系統是干嘛的?(連續式ATP)

            更新時間:2020-09-02 點擊數:137

            地鐵信號系統是干嘛的?(連續式ATP)

             

                上上次從一位普通乘客的角度講了下信號系統的雛形,應大家提議,需要再局部展開下,上次我粗略介紹了下一種典型的非連續式ATP工作原理雛形。另外,這一系列文章旨在描述地鐵信號系統的核心子系統ATP,并未覆蓋信號系統的所有子系統,尤其是車載和ATS子系統。因為作為信號系統的安全核心部件,ATP應首先被介紹,當然如介紹過程中不得不涉及其他子系統時我會逐步說明。如需要以后可另開辟文章專題介紹ATS和車載子系統。(注:不是所有信號系統都是完全符合我下述功能實現的,這里只介紹一般典型的或常見的一類設備,請勿對號入座。


            《晉級篇》里我介紹了信號系統的非連續式控制級別,也叫點式,這是一種典型的ATP控制級別,并不適用于所有信號供應商。它是高于最低控制級別-聯鎖級而低于連續式的一種中間級別。前面我們比喻過,聯鎖級下相當于聯鎖保證道岔信號機區段等安全部件元素間協作安全,司機看信號機指示動車;非連續式ATP下也就是讓列車自己自動讀取前方信號燈指示,信號燈之間的列車基礎行為安全由車載ATP保證。那連續式ATP(CTC-Continuous Train Control)呢。這里我不得不想從車地通訊方式說起。

            所謂車地通訊,這里的“車”指的當然是車載,具體就是車載ATP;“地”指的是地面,以前提到過,地鐵信號系統不僅僅是列車兩個車頭的兩個機柜,還包括軌旁,除了真正安裝在軌道旁邊的檢測原件外,還有一個重要的房間,它位于聯鎖站的站廳后部,一般在大玻璃窗的車控室附近,這個房間叫信號設備室,里面有重要的信號核心設備,我提到過的有聯鎖相關控制機柜、ATS機柜,還有這里需要隆重介紹的兩套設備,第一套叫軌旁ATP,它才是整個信號系統的核心,相當于白蟻家族的蟻后,第二套叫radio,也就是無線系統,這個很容易理解,你的手機用的網絡或wifi,還有移動、聯通和電信,對,就是和他們一模一樣的的東西,即標準的通訊設備。再回去下,非連續ATP下車地通訊其實是單向的,即信號燈指示報文間斷性通過應答器傳遞給車載ATP,所謂間斷性是指有應答器的地方才能傳遞,應答器之間的區域是沒有數據傳輸的,只能沿用上一個應答器報文數據。這種非連續ATP下的一個重要特點或缺陷是沒有車對地的數據傳輸的,即只有地對車間斷性通訊;沒有車對地通訊。再回來,在連續ATP下,我們引入了無線通信設備,它安裝于列車車頭、軌道上和信號設備室,負責給車載ATP和軌旁ATP提供實時的雙向通訊,這樣,車地通訊就是雙向的了,就能實現在軌旁ATP領導下的各個車載ATP的安全與協作了。

            提到無線系統,我粗略介紹下,對通訊行業熟悉的人可跳過本段。列車車頭的控制柜里有個無線車載單元,它連接于列車車頭上的天線,在軌道附近的隧道頂上每隔幾百米會有和車載類似的可收發無線信號的天線,天線通過饋線連接于一個控制柜,叫AP(access point),AP通過光纖連接于車站信號設備室的交換機上,然后這些交換機再統一連接于整條線路只會有一套的無線總交換機和服務器,考慮到漫游和可用性,采用環形網絡較為普遍。無線服務器通過數據總線負責為軌旁ATP和車載ATP提供實時雙向的數據交換。

            大家已經知道非連續式ATP下車載ATP結合信號機指示來抉擇列車行為,車載ATP是每個車頭一套,它僅僅能管本列車的行為,但是在一個聯鎖區內,可能同時運行著幾十列車,它們之間互相的安全保證并高效協作可不是一套車載ATP能辦到的,這時就引入了軌旁ATP,它是由一整套高運算工業計算機來實現,在考慮了各種冗余和安全的基礎之上而設計,但各家又略有不同。我們說過螞蟻家族的例子,既然軌旁ATP是蟻后,那車載ATP就是工蟻,蟻后是怎么來控制工蟻的,即它們之間是怎么交流的呢?當然首先是通過無線系統的平臺了,無線系統作為通訊工具已經介紹了,那它們之間都在交流什么內容呢。

            軌旁ATP要控制它轄區的所有車載ATP,必須先知道他們的狀態,這個狀態包括列車位置及關鍵部件狀態,這個狀態信息顯然是車對地的,即車載ATP->軌旁ATP。這個信息被稱作“位置報告 position report”,軌旁ATP以毫秒級的頻率實時接收它轄區所有列車的車載ATP發過來的位置報告,這樣它就對所有列車的動向和狀態一覽無余,然后軌旁ATP會與聯鎖系統密切握手,依靠于聯鎖系統已經掌握的線路各元素之間的基本安全,在此之上運籌帷幄了。然后,輪到它發號施令了,即它需要下達命令來指揮每列車了,這個命令信息被稱作“移動授權moving authority”,車載ATP收到這個移動授權就像拿到作戰令牌一樣,這個令牌里包含軌旁ATP對于車載ATP的所有下一步詳細行動計劃,移動授權也是以毫秒級的頻率實時有地面下達到車上,這個令牌包含信息量很大,比如到站開哪邊車門和屏蔽門、當前不可逾越的最大限速、是否馬上緊急制動等。如果軌旁ATP發現危險需要某列車馬上停車,它會在發給該車的移動授權中標注EB信息,列車收到這個移動授權后立即緊急制動,當然如果由于通訊系統問題,某個時間間隔內列車接收不到移動授權,車載ATP也會默認立即緊急制動,緊急制動后列車默認降級到聯鎖級,即當前的連續式控制級別無效了,需要重新投入升級為CTC。


            其實,這就是連續式ATP控制系統的全部了。但里面有些枝節需要說明才能更明白些。別著急,我會試著站在外行的角度想象下你還需要了解哪些才能更容易清晰理解連續式ATP控制系統,放心吧,我會盡量逐一介紹的。

            首先是控制級別,我們總結下,有基礎聯鎖下的聯鎖級,有非連續式ATP的ITC級,也有連續式ATP的CTC級。這個控制級別從聯鎖級>ITC>CTC依次升高,每個級別都有門檻,需要滿足一些條件才能晉級下一更高級,這些說的都是列車安全控制級別,請不要和駕駛模式混淆。駕駛模式典型的有RM>SM>ATO,是根據ATP和ATO的參與程度設置了不同的駕駛模式。這里說下ATO,即自動列車駕駛,這是個好東西,是司機真正喜歡的東西,它解放了司機雙手(雖然雙手還裝模作樣的放操作桿上面)。它能連接并調動列車上各個動作機構,如列車制動系統和加速系統,這個類似于汽車的自動倒車系統,其實最典型的就是它還能讓列車平滑并精確地停站在站臺上與屏蔽門位置對齊,這個功能的實現是以來與密布在站臺區域軌道上的幾個應答器來實現的,ATO系統厘米級的精確計算列車當前速度和位置,并與列車制動系統和加速系統聯動,實現了精確停車。你坐地鐵時,如果列車以無比絲滑的減速到屏蔽門與車門準確對齊,這肯定是ATO的功勞,如果是一抖一抖,坑坑洼洼,最后還給停過頭了,還得退一點,這肯定是司機的功勞。

            其次是列車的測速系統,既然是連續式實時控制,那列車是不是得報告它每時每刻的位置?對,測速系統滿足這個要求。我們上節在介紹非連續式ATP時已經介紹過了,測速系統有雷達、測速電機和應答器聯合實現。假定應答器被按厘米級精確安裝在軌道上,兩個應答器之間利用雷達測速和測速電機測距來聯合提供實時位置,隨著雷達和測速電機測量誤差的增大,這樣列車的位置就需要考慮這個誤差,列車實際長度加上這個誤差才是ATP認為的基礎列車位置,還得考慮過其他不確定性,這些所有位置不確定性綜合起來會得出一個綜合列車位置,作為ATP計算安全的依據。列車繼續前行直到下個應答器又把測速誤差修正為零,依次周而復始。我不重復介紹了,大家可溫習下上節。對于每列車的初始狀態,列車需要定位,即經過第一個應答器,可獲得位置信息,經過第二個應答器,可獲得方向信息??傊?,通過這套測速系統列車可這樣把自己定位的實時精確位置提供給軌旁ATP。

            然后想說下軌道數據庫(TDB),上節非連續式ATP里也介紹過了。軌道數據庫包含線路所有元素的位置信息,包括應答器、信號機、道岔、物理區段、站臺信息、坡度、彎度等信息。它位于每列車上,供車載ATP需要時調用參考。連續式ATP下,軌旁ATP里也必須有軌道數據庫,它被封裝在軌旁ATP軟件里,作為軌旁ATP運籌帷幄的基本依據。另外,它也存在于另一套為ATS系統服務的TTS系統和車載ATO里,其實我不想說這么多,算了提下也無妨。前面我們介紹的車地之間的核心通訊數據為,車到地的位置報告和地到車的移動授權,這兩個數據為安全數據,是軌旁ATP的安全核心,至關重要,關乎著一切的安全前提。但我們知道在ATS系統上,如車站顯示系統和中央控制中心OCC,有很多可提高效率的列車調整ATR和基礎顯示功能及與列車互動功能的應用,需要車載和ATS交換大量數據,這些都是錦上添花的功能,雖不會像位置報告和移動授權那樣動不動就關系到車毀人亡的生死攸關級別,但也很必要,如時刻表自動調整下放到車、車次號調整、跳站功能以及全線所有列車及線路狀態顯示?;谶@些非安全的需求,在軌旁專門設置了一個控制單元叫TTS(Train and Track data base Server),它專門配合ATS負責上述非安全需求。TTS里也有TDB。不多說了。


            最后,不得不提下閉塞概念。以下內容有些專業,我盡量通俗。

            對于閉塞(Block),我們可以這樣想,線路上同時有很多車,車與車之間需要相隔,屬于每列車的每段區域就是一個閉塞,那只要管理好閉塞之間的安全距離就才是安全的,當然車與車之間越遠越安全,但卻降低了效率,這里要權衡安全和效率的問題。前面講過聯鎖級,你可以把閉塞看成是進路,進路之間的安全由聯鎖的聯鎖表來保證的,因為這種控制級別下的車地通訊限制一個進路只允許被一列車獨占,進路又是由若干個區段組成,區段是通過安裝在軌道上的硬件人為的按數百米把線路分成的很多個區段(物理區段)。所以就決定了這種閉塞形式只能以固定進路為準,進路之間有保護區段,我們業內稱"固定閉塞"。


            連續式ATP控制下,列車在線路的運行也是基于類似聯鎖的進路概念進行路徑設置和管理的。如果連續ATP下也按這個物理區段組成的進路來調度列車那就太大材小用了,因為軌旁ATP能拿到所有列車在物理區段內的精確位置,有些一條數百米的物理區段我們需要高效的調度數列車進去,不像聯鎖級一條進路只能為一列車所獨占,連續式ATP下軌旁ATP基于車地雙向通訊可以精確獲得每列車的精確位置,這樣我們就需要再把物理區段細分成很多段,我們稱邏輯區段。CTC下進路被精細到很多邏輯區段,一條進路可調度進多列車,ATP實時計算每列車的速度曲線來保障列車互相間的安全距離,更高效的調度更多車。這樣,每列車的閉塞是隨著列車移動而動態變化的,這種閉塞形式不受進路限制,也不固定,而是移動的,這種閉塞形式業內稱作"移動閉塞"。

            這種連續ATP控制下的與聯鎖級別下同樣安全,但要高效很多。以進路和邏輯區段為基礎,再配合ATS的多種智能高效的進路排列策略,需要贊一個。


            好,總結下了。連續式ATP控制就是通過無線系統來承載車載ATP和軌旁ATP之間的位置報告和移動授權的連續通訊來實現對于多列車的安全高效的"移動閉塞"式控制。即在軌旁ATP蟻后的控制下的轄區內多個車載ATP工蟻之間安全高效協作,轄區可以與聯鎖區對等,一條線路大概2-3個轄區,有些長線路4-5個轄區。所有進入轄區的工蟻都歸該轄區蟻后管理,每個工蟻也必須通過位置報告匯報給蟻后它的實時位置和狀態,具體如何進行下一步完全依據蟻后發給它的令牌,即移動授權。這樣,在蟻后領導下的工蟻們就可有條不紊的緊張忙碌的為四個現代化努力奮斗!

















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