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北交大唐涛专访:中国地铁信号系统凭什么升级

2011年08月11日17:43    来源:《科学时报》     手机看新闻

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  2008年7月19日,北京地铁10号线(一期)开通试运营。10号线的亮点之一是其信号系统。它是世界上第一条开通即采用了无线移动闭塞信号系统(CBTC)的城市轨道交通线路,同时也是全世界第五条投入运营的CBTC线路。

  CBTC较其他信号系统有何优势?它的采用解决了哪些关键问题,又为什么会出现不稳定的情况?带着这些问题,《科学时报》记者走访了北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室副主任唐涛教授。


  CBTC是目前世界上最先进的地铁车辆运行模式,可以大大缩短行车间隔,提高地铁客运能力。

  7月19日,北京地铁10号线(一期)开通试运营。这意味着北京市轨道交通将为2008年北京奥运会提供更加快速、便捷的交通服务。

  10号线的亮点之一是其信号系统。它是世界上第一条开通即采用了无线移动闭塞信号系统(CBTC)的城市轨道交通线路,同时也是全世界第五条投入运营的CBTC线路。

  目前,我国只有北京地铁2号线同样采用此类技术(2008年7月刚刚改造完成)。当时,业内人士对它的评价是:“这标志着我国地铁信号系统技术跃上新的台阶。”

  CBTC是世界上最先进的地铁车辆运行模式,可以大大缩短行车间隔,提高地铁客运能力。不过,这套系统刚刚上线使用,在不到一个月的时间里已经连续发生多次故障,甚至造成部分车站乘客滞留。

  CBTC较其他信号系统有何优势?它的采用解决了哪些关键问题,又为什么会出现不稳定的情况?带着这些问题,《科学时报》记者走访了北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室副主任唐涛教授。

  移动闭塞模式安全高效

  “信号系统,即列车控制系统,它采用技术手段对列车运行方向、运行间隔和运行速度进行控制,从而保证行车安全,提高运输效率。”唐涛首先对信号系统作了简单解释。

  “从轨道交通的诞生之日起,就有了信号系统。”唐涛说,只是原来的实现方式是靠人工控制,能够达到的安全性和保证的效率都处在较低水平。随着实现手段和技术水平的日益提高,自动化程度和达到的性能都有了显著提高。城市轨道交通信号系统已从传统信号系统发展到现代信号系统,即列车自动控制(ATC)系统。

  ATC系统主要包括列车自动防护(ATP)、列车自动监控(ATS)、列车自动运营(ATO)等3个子系统。其中,ATP为整个系统的安全核心。根据闭塞方式的不同,ATP系统可分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞3种制式。

  固定闭塞是将线路划分为固定位置、某一长度的闭塞分区,分区长度一般为150米~600米。一个分区只能被一辆列车占用,两列车间以若干分区为完全间隔,列车制动的起点和终点均在某一分区的边界。由于轨道电路所能提供给列车的信息量有限,不能充分发挥地铁列车控制性能,影响了线路通行能力。

  准移动闭塞的线路划分和固定闭塞一样,两列车间也以若干分区为安全间隔,但系统传输的信息量大,列车制动的起点可以延伸,可在保证行车安全的前提下充分发挥列车性能,提高线路的通过能力。准移动闭塞在当今轨道交通的信号系统中采用得较多,如上海地铁2、3、4号线,广州地铁1、2号线等都采用这种技术。

  移动闭塞取消了前两种制式的固定划分的分区,列车间隔控制可以不再以固定闭塞的分区为单位,后续列车以前方列车尾部为目标点追踪运行,列车制动的起点和终点都是动态的。列车的安全距离是按后续列车在当前速度下所需的制动距离加上安全余量计算得出,使列车追踪间隔有效减少。列车和地面间保持连续的双向通信,信息量大,易于实现无人驾驶。

  唐涛指出:“移动闭塞制式,既保证了安全性,又提高了效率。”

  施工运营两不误

  信号系统由计算机自动控制、调度集中、移频轨道电路、电气集中、机车信号、速度监督、自动驾驶等设备组成,以实现行车指挥自动化及列车运行自动化。

  信号系统的关键技术包括列车完整性检查、测速、定位及车地信息传输。其中,车地信息传输是系统核心问题之一。目前,车地信息传输方式主要包括轨道电路、轨道环线、漏泄电缆、漏泄波导、查询应答器、无线通信等。

  唐涛介绍,在2号线改造之前,都是基于轨道电路控制方式的信号系统。这种制式只能从地面向车辆传输信息,不能满足移动闭塞模式的要求。

  而无线通信的最大优点就是可以双向连续传输大容量信息,除用于列车运行控制外,还可用于调度指挥信息,满足信息化对固定设备与移动体间大容量信息交换的需要,以便实现轨道交通的综合自动化。“而且,近年来随着无线通信技术的飞速发展,无线通信的可靠性、可用性大大提高。”

  因此,改造后的2号线通过无线通信的方式来实现双向传输。“有了这样的传输手段,才能够实现高密度的行车控制。”唐涛说:“北京地铁,除了改造后的2号线以外,新开通的10号线也采用了CBTC,达到同等的技术水准,只是具体实现的介质方式和厂商有所不同。”

  唐涛回忆,当时制定方案的时候,其实有很多可走的路线。之所以会选择CBTC,就是考虑到它有个最大的好处——跟钢轨没关系,施工和运营互不影响。施工结束,新系统开通,再和车、轨结合就行。如果继续采用原来的轨道电路控制方式,就要在轨道上施工,为了不影响运营,就不能走叠加的方式。

  “采用跟既有系统尽量减少关系、对运营尽量干扰少的方式,对旧线改造来讲,是最适合的一种技术路线。这样,新旧系统就能叠加,尤其在施工和调试阶段优势更明显。”唐涛指出:“环线在北京目前公共交通中具有突出的作用,一旦瘫痪,不仅影响地铁本身,甚至整个城市交通都会瘫痪。”

  2号线改造是一个奇迹

  只有技术路线选对了,才能保证工程按时完成。事实证明,他们当时选的技术路线是对的。

  作为2号线改造方案论证的参与者,唐涛认为:“2号线的成功改造是一个奇迹。”

  从2005年开始,为了保证正常运营,旧线改造工程每天施工的时间只有三四个小时。与此同时,2号线的站台、自动售检票的改造工作也都在同步进行。“在这样的情况下,2号线实行新的移动闭塞系统之后,列车间隔时间由3分钟缩短至2分30秒,达到我国最高的运营水平,这真的是奇迹。”这些年,纽约、巴黎也都在实施旧线改造,从试验到实施,都花了若干年时间。

  唐涛指出,尽管2号线信号系统的技术是国外的,但是在调试的过程中,我国的技术人员发挥了许多重要的作用,有时甚至是主导地进行集成调试工作。因为很多技术在国外也是开发不久的,需要在现场解决许多新的问题。而发现问题、解决问题的过程都是中外双方共同努力完成的。

  信号系统是地铁高效、安全运营的关键设备,但是信号系统的核心技术,目前我国并没有完全掌握。唐涛说:“事实上,信号系统核心技术的自主研发是我们这些年一直追求的。从核心技术的研发、中试试验到示范工程,我们正在通过这样的研究,来逐步掌握核心技术。随着计算机、通信技术的飞速发展,基于通信的信号系统是未来的发展方向。”

  系统稳定需要一个过程

  地铁2号线信号系统更新后,其性能还不是十分稳定,在不到一个月的时间里已经连续发生多次故障,影响了市民的出行。

  对此,唐涛表示:“新旧线的过渡都有一个逐渐成熟的过程。”

  任何技术都要有一个逐渐成熟、走向稳定的过程。在此过程中,或多或少会出现一些问题。针对地铁,不会是安全的问题,但可能对运营产生一定影响,从而给乘客的出行带来不便。

  “尤其对于一条既有线路,突出的矛盾表现在高密度、大容量的载客,同时系统又要成长、更新,这肯定需要一个成熟的过程。”唐涛说:“这不仅仅是旧线改造会出现的问题,即使新线开通的时候,也不采用高密度的车次运营,就是因为系统需要一个逐渐成熟的过程。”

  然而,北京的情况比较特殊,虽然理论上应该有一个成熟期,但是公众对公共交通有迫切的需要,对新技术的期望值也很高。唐涛指出:“只能从技术上尽最大努力避免出现故障,但这是难以完全做到的。”
(责任编辑:王泓漓)

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