地鐵信號(hào)系統(tǒng)是干嘛的？(連續(xù)式ATP)
上上次從一位普通乘客的角度講了下信號(hào)系統(tǒng)的雛形，應(yīng)大家提議，需要再局部展開(kāi)下，上次我粗略介紹了下一種典型的非連續(xù)式ATP工作原理雛形。另外，這一系列文章旨在描述地鐵信號(hào)系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)ATP，并未覆蓋信號(hào)系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)，尤其是車(chē)載和ATS子系統(tǒng)。因?yàn)樽鳛樾盘?hào)系統(tǒng)的安全核心部件，ATP應(yīng)首先被介紹，當(dāng)然如介紹過(guò)程中不得不涉及其他子系統(tǒng)時(shí)我會(huì)逐步說(shuō)明。如需要以后可另開(kāi)辟文章專題介紹ATS和車(chē)載子系統(tǒng)。(注：不是所有信號(hào)系統(tǒng)都是完全符合我下述功能實(shí)現(xiàn)的，這里只介紹一般典型的或常見(jiàn)的一類設(shè)備，請(qǐng)勿對(duì)號(hào)入座。）
《晉級(jí)篇》里我介紹了信號(hào)系統(tǒng)的非連續(xù)式控制級(jí)別，也叫點(diǎn)式，這是一種典型的ATP控制級(jí)別，并不適用于所有信號(hào)供應(yīng)商。它是高于最低控制級(jí)別-聯(lián)鎖級(jí)而低于連續(xù)式的一種中間級(jí)別。前面我們比喻過(guò)，聯(lián)鎖級(jí)下相當(dāng)于聯(lián)鎖保證道岔信號(hào)機(jī)區(qū)段等安全部件元素間協(xié)作安全，司機(jī)看信號(hào)機(jī)指示動(dòng)車(chē)；非連續(xù)式ATP下也就是讓列車(chē)自己自動(dòng)讀取前方信號(hào)燈指示，信號(hào)燈之間的列車(chē)基礎(chǔ)行為安全由車(chē)載ATP保證。那連續(xù)式ATP（CTC-Continuous Train Control）呢。這里我不得不想從車(chē)地通訊方式說(shuō)起。所謂車(chē)地通訊，這里的“車(chē)”指的當(dāng)然是車(chē)載，具體就是車(chē)載ATP；“地”指的是地面，以前提到過(guò)，地鐵信號(hào)系統(tǒng)不僅僅是列車(chē)兩個(gè)車(chē)頭的兩個(gè)機(jī)柜，還包括軌旁，除了真正安裝在軌道旁邊的檢測(cè)原件外，還有一個(gè)重要的房間，它位于聯(lián)鎖站的站廳后部，一般在大玻璃窗的車(chē)控室附近，這個(gè)房間叫信號(hào)設(shè)備室，里面有重要的信號(hào)核心設(shè)備，我提到過(guò)的有聯(lián)鎖相關(guān)控制機(jī)柜、ATS機(jī)柜，還有這里需要隆重介紹的兩套設(shè)備，第一套叫軌旁ATP，它才是整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的核心，相當(dāng)于白蟻家族的蟻后，第二套叫radio，也就是無(wú)線系統(tǒng)，這個(gè)很容易理解，你的手機(jī)用的網(wǎng)絡(luò)或wifi，還有移動(dòng)、聯(lián)通和電信，對(duì)，就是和他們一模一樣的的東西，即標(biāo)準(zhǔn)的通訊設(shè)備。再回去下，非連續(xù)ATP下車(chē)地通訊其實(shí)是單向的，即信號(hào)燈指示報(bào)文間斷性通過(guò)應(yīng)答器傳遞給車(chē)載ATP，所謂間斷性是指有應(yīng)答器的地方才能傳遞，應(yīng)答器之間的區(qū)域是沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，只能沿用上一個(gè)應(yīng)答器報(bào)文數(shù)據(jù)。這種非連續(xù)ATP下的一個(gè)重要特點(diǎn)或缺陷是沒(méi)有車(chē)對(duì)地的數(shù)據(jù)傳輸?shù)模粗挥械貙?duì)車(chē)間斷性通訊；沒(méi)有車(chē)對(duì)地通訊。再回來(lái)，在連續(xù)ATP下，我們引入了無(wú)線通信設(shè)備，它安裝于列車(chē)車(chē)頭、軌道上和信號(hào)設(shè)備室，負(fù)責(zé)給車(chē)載ATP和軌旁ATP提供實(shí)時(shí)的雙向通訊，這樣，車(chē)地通訊就是雙向的了，就能實(shí)現(xiàn)在軌旁ATP領(lǐng)導(dǎo)下的各個(gè)車(chē)載ATP的安全與協(xié)作了。
提到無(wú)線系統(tǒng)，我粗略介紹下，對(duì)通訊行業(yè)熟悉的人可跳過(guò)本段。列車(chē)車(chē)頭的控制柜里有個(gè)無(wú)線車(chē)載單元，它連接于列車(chē)車(chē)頭上的天線，在軌道附近的隧道頂上每隔幾百米會(huì)有和車(chē)載類似的可收發(fā)無(wú)線信號(hào)的天線，天線通過(guò)饋線連接于一個(gè)控制柜，叫AP（access point），AP通過(guò)光纖連接于車(chē)站信號(hào)設(shè)備室的交換機(jī)上，然后這些交換機(jī)再統(tǒng)一連接于整條線路只會(huì)有一套的無(wú)線總交換機(jī)和服務(wù)器，考慮到漫游和可用性，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)較為普遍。無(wú)線服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)總線負(fù)責(zé)為軌旁ATP和車(chē)載ATP提供實(shí)時(shí)雙向的數(shù)據(jù)交換。
大家已經(jīng)知道非連續(xù)式ATP下車(chē)載ATP結(jié)合信號(hào)機(jī)指示來(lái)抉擇列車(chē)行為，車(chē)載ATP是每個(gè)車(chē)頭一套，它僅僅能管本列車(chē)的行為，但是在一個(gè)聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)，可能同時(shí)運(yùn)行著幾十列車(chē)，它們之間互相的安全保證并高效協(xié)作可不是一套車(chē)載ATP能辦到的，這時(shí)就引入了軌旁ATP，它是由一整套高運(yùn)算工業(yè)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在考慮了各種冗余和安全的基礎(chǔ)之上而設(shè)計(jì)，但各家又略有不同。我們說(shuō)過(guò)螞蟻家族的例子，既然軌旁ATP是蟻后，那車(chē)載ATP就是工蟻，蟻后是怎么來(lái)控制工蟻的，即它們之間是怎么交流的呢？當(dāng)然首先是通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)的平臺(tái)了，無(wú)線系統(tǒng)作為通訊工具已經(jīng)介紹了，那它們之間都在交流什么內(nèi)容呢。軌旁ATP要控制它轄區(qū)的所有車(chē)載ATP，必須先知道他們的狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)包括列車(chē)位置及關(guān)鍵部件狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)信息顯然是車(chē)對(duì)地的，即車(chē)載ATP->軌旁ATP。這個(gè)信息被稱作“位置報(bào)告 position report”，軌旁ATP以毫秒級(jí)的頻率實(shí)時(shí)接收它轄區(qū)所有列車(chē)的車(chē)載ATP發(fā)過(guò)來(lái)的位置報(bào)告，這樣它就對(duì)所有列車(chē)的動(dòng)向和狀態(tài)一覽無(wú)余，然后軌旁ATP會(huì)與聯(lián)鎖系統(tǒng)密切握手，依靠于聯(lián)鎖系統(tǒng)已經(jīng)掌握的線路各元素之間的基本安全，在此之上運(yùn)籌帷幄了。然后，輪到它發(fā)號(hào)施令了，即它需要下達(dá)命令來(lái)指揮每列車(chē)了，這個(gè)命令信息被稱作“移動(dòng)授權(quán)moving authority”，車(chē)載ATP收到這個(gè)移動(dòng)授權(quán)就像拿到作戰(zhàn)令牌一樣，這個(gè)令牌里包含軌旁ATP對(duì)于車(chē)載ATP的所有下一步詳細(xì)行動(dòng)計(jì)劃，移動(dòng)授權(quán)也是以毫秒級(jí)的頻率實(shí)時(shí)有地面下達(dá)到車(chē)上，這個(gè)令牌包含信息量很大，比如到站開(kāi)哪邊車(chē)門(mén)和屏蔽門(mén)、當(dāng)前不可逾越的最大限速、是否馬上緊急制動(dòng)等。如果軌旁ATP發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)需要某列車(chē)馬上停車(chē)，它會(huì)在發(fā)給該車(chē)的移動(dòng)授權(quán)中標(biāo)注EB信息，列車(chē)收到這個(gè)移動(dòng)授權(quán)后立即緊急制動(dòng)，當(dāng)然如果由于通訊系統(tǒng)問(wèn)題，某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)列車(chē)接收不到移動(dòng)授權(quán)，車(chē)載ATP也會(huì)默認(rèn)立即緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)后列車(chē)默認(rèn)降級(jí)到聯(lián)鎖級(jí)，即當(dāng)前的連續(xù)式控制級(jí)別無(wú)效了，需要重新投入升級(jí)為CTC。
其實(shí)，這就是連續(xù)式ATP控制系統(tǒng)的全部了。但里面有些枝節(jié)需要說(shuō)明才能更明白些。別著急，我會(huì)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(xù)式ATP控制系統(tǒng)，放心吧，我會(huì)盡量逐一介紹的。首先是控制級(jí)別，我們總結(jié)下，有基礎(chǔ)聯(lián)鎖下的聯(lián)鎖級(jí)，有非連續(xù)式ATP的ITC級(jí)，也有連續(xù)式ATP的CTC級(jí)。這個(gè)控制級(jí)別從聯(lián)鎖級(jí)>ITC>CTC依次升高，每個(gè)級(jí)別都有門(mén)檻，需要滿足一些條件才能晉級(jí)下一更高級(jí)，這些說(shuō)的都是列車(chē)安全控制級(jí)別，請(qǐng)不要和駕駛模式混淆。駕駛模式典型的有RM>SM>ATO，是根據(jù)ATP和ATO的參與程度設(shè)置了不同的駕駛模式。這里說(shuō)下ATO，即自動(dòng)列車(chē)駕駛，這是個(gè)好東西，是司機(jī)真正喜歡的東西，它解放了司機(jī)雙手（雖然雙手還裝模作樣的放操作桿上面）。它能連接并調(diào)動(dòng)列車(chē)上各個(gè)動(dòng)作機(jī)構(gòu)，如列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和加速系統(tǒng)，這個(gè)類似于汽車(chē)的自動(dòng)倒車(chē)系統(tǒng)，其實(shí)最典型的就是它還能讓列車(chē)平滑并精確地停站在站臺(tái)上與屏蔽門(mén)位置對(duì)齊，這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)是以來(lái)與密布在站臺(tái)區(qū)域軌道上的幾個(gè)應(yīng)答器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，ATO系統(tǒng)厘米級(jí)的精確計(jì)算列車(chē)當(dāng)前速度和位置，并與列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和加速系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了精確停車(chē)。你坐地鐵時(shí)，如果列車(chē)以無(wú)比絲滑的減速到屏蔽門(mén)與車(chē)門(mén)準(zhǔn)確對(duì)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(guò)頭了，還得退一點(diǎn)，這肯定是司機(jī)的功勞。
其次是列車(chē)的測(cè)速系統(tǒng)，既然是連續(xù)式實(shí)時(shí)控制，那列車(chē)是不是得報(bào)告它每時(shí)每刻的位置？對(duì)，測(cè)速系統(tǒng)滿足這個(gè)要求。我們上節(jié)在介紹非連續(xù)式ATP時(shí)已經(jīng)介紹過(guò)了，測(cè)速系統(tǒng)有雷達(dá)、測(cè)速電機(jī)和應(yīng)答器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。假定應(yīng)答器被按厘米級(jí)精確安裝在軌道上，兩個(gè)應(yīng)答器之間利用雷達(dá)測(cè)速和測(cè)速電機(jī)測(cè)距來(lái)聯(lián)合提供實(shí)時(shí)位置，隨著雷達(dá)和測(cè)速電機(jī)測(cè)量誤差的增大，這樣列車(chē)的位置就需要考慮這個(gè)誤差，列車(chē)實(shí)際長(zhǎng)度加上這個(gè)誤差才是ATP認(rèn)為的基礎(chǔ)列車(chē)位置，還得考慮過(guò)其他不確定性，這些所有位置不確定性綜合起來(lái)會(huì)得出一個(gè)綜合列車(chē)位置，作為ATP計(jì)算安全的依據(jù)。列車(chē)?yán)^續(xù)前行直到下個(gè)應(yīng)答器又把測(cè)速誤差修正為零，依次周而復(fù)始。我不重復(fù)介紹了，大家可溫習(xí)下上節(jié)。對(duì)于每列車(chē)的初始狀態(tài)，列車(chē)需要定位，即經(jīng)過(guò)第一個(gè)應(yīng)答器，可獲得位置信息，經(jīng)過(guò)第二個(gè)應(yīng)答器，可獲得方向信息。總之，通過(guò)這套測(cè)速系統(tǒng)列車(chē)可這樣把自己定位的實(shí)時(shí)精確位置提供給軌旁ATP。
然后想說(shuō)下軌道數(shù)據(jù)庫(kù)（TDB），上節(jié)非連續(xù)式ATP里也介紹過(guò)了。軌道數(shù)據(jù)庫(kù)包含線路所有元素的位置信息，包括應(yīng)答器、信號(hào)機(jī)、道岔、物理區(qū)段、站臺(tái)信息、坡度、彎度等信息。它位于每列車(chē)上，供車(chē)載ATP需要時(shí)調(diào)用參考。連續(xù)式ATP下，軌旁ATP里也必須有軌道數(shù)據(jù)庫(kù)，它被封裝在軌旁ATP軟件里，作為軌旁ATP運(yùn)籌帷幄的基本依據(jù)。另外，它也存在于另一套為ATS系統(tǒng)服務(wù)的TTS系統(tǒng)和車(chē)載ATO里，其實(shí)我不想說(shuō)這么多，算了提下也無(wú)妨。前面我們介紹的車(chē)地之間的核心通訊數(shù)據(jù)為，車(chē)到地的位置報(bào)告和地到車(chē)的移動(dòng)授權(quán)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)為安全數(shù)據(jù)，是軌旁ATP的安全核心，至關(guān)重要，關(guān)乎著一切的安全前提。但我們知道在ATS系統(tǒng)上，如車(chē)站顯示系統(tǒng)和中央控制中心OCC，有很多可提高效率的列車(chē)調(diào)整ATR和基礎(chǔ)顯示功能及與列車(chē)互動(dòng)功能的應(yīng)用，需要車(chē)載和ATS交換大量數(shù)據(jù)，這些都是錦上添花的功能，雖不會(huì)像位置報(bào)告和移動(dòng)授權(quán)那樣動(dòng)不動(dòng)就關(guān)系到車(chē)毀人亡的生死攸關(guān)級(jí)別，但也很必要，如時(shí)刻表自動(dòng)調(diào)整下放到車(chē)、車(chē)次號(hào)調(diào)整、跳站功能以及全線所有列車(chē)及線路狀態(tài)顯示?；谶@些非安全的需求，在軌旁專門(mén)設(shè)置了一個(gè)控制單元叫TTS（Train and Track data base Server），它專門(mén)配合ATS負(fù)責(zé)上述非安全需求。TTS里也有TDB。不多說(shuō)了。
最后，不得不提下閉塞概念。以下內(nèi)容有些專業(yè)，我盡量通俗。對(duì)于閉塞(Block)，我們可以這樣想，線路上同時(shí)有很多車(chē)，車(chē)與車(chē)之間需要相隔，屬于每列車(chē)的每段區(qū)域就是一個(gè)閉塞，那只要管理好閉塞之間的安全距離就才是安全的，當(dāng)然車(chē)與車(chē)之間越遠(yuǎn)越安全，但卻降低了效率，這里要權(quán)衡安全和效率的問(wèn)題。前面講過(guò)聯(lián)鎖級(jí)，你可以把閉塞看成是進(jìn)路，進(jìn)路之間的安全由聯(lián)鎖的聯(lián)鎖表來(lái)保證的，因?yàn)檫@種控制級(jí)別下的車(chē)地通訊限制一個(gè)進(jìn)路只允許被一列車(chē)獨(dú)占，進(jìn)路又是由若干個(gè)區(qū)段組成，區(qū)段是通過(guò)安裝在軌道上的硬件人為的按數(shù)百米把線路分成的很多個(gè)區(qū)段(物理區(qū)段)。所以就決定了這種閉塞形式只能以固定進(jìn)路為準(zhǔn)，進(jìn)路之間有保護(hù)區(qū)段，我們業(yè)內(nèi)稱"固定閉塞"。
連續(xù)式ATP控制下，列車(chē)在線路的運(yùn)行也是基于類似聯(lián)鎖的進(jìn)路概念進(jìn)行路徑設(shè)置和管理的。如果連續(xù)ATP下也按這個(gè)物理區(qū)段組成的進(jìn)路來(lái)調(diào)度列車(chē)那就太大材小用了，因?yàn)檐壟訟TP能拿到所有列車(chē)在物理區(qū)段內(nèi)的精確位置，有些一條數(shù)百米的物理區(qū)段我們需要高效的調(diào)度數(shù)列車(chē)進(jìn)去，不像聯(lián)鎖級(jí)一條進(jìn)路只能為一列車(chē)所獨(dú)占，連續(xù)式ATP下軌旁ATP基于車(chē)地雙向通訊可以精確獲得每列車(chē)的精確位置，這樣我們就需要再把物理區(qū)段細(xì)分成很多段，我們稱邏輯區(qū)段。CTC下進(jìn)路被精細(xì)到很多邏輯區(qū)段，一條進(jìn)路可調(diào)度進(jìn)多列車(chē)，ATP實(shí)時(shí)計(jì)算每列車(chē)的速度曲線來(lái)保障列車(chē)互相間的安全距離，更高效的調(diào)度更多車(chē)。這樣，每列車(chē)的閉塞是隨著列車(chē)移動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化的，這種閉塞形式不受進(jìn)路限制，也不固定，而是移動(dòng)的，這種閉塞形式業(yè)內(nèi)稱作"移動(dòng)閉塞"。
這種連續(xù)ATP控制下的與聯(lián)鎖級(jí)別下同樣安全，但要高效很多。以進(jìn)路和邏輯區(qū)段為基礎(chǔ)，再配合ATS的多種智能高效的進(jìn)路排列策略，需要贊一個(gè)。
好，總結(jié)下了。連續(xù)式ATP控制就是通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)來(lái)承載車(chē)載ATP和軌旁ATP之間的位置報(bào)告和移動(dòng)授權(quán)的連續(xù)通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于多列車(chē)的安全高效的"移動(dòng)閉塞"式控制。即在軌旁ATP蟻后的控制下的轄區(qū)內(nèi)多個(gè)車(chē)載ATP工蟻之間安全高效協(xié)作，轄區(qū)可以與聯(lián)鎖區(qū)對(duì)等，一條線路大概2-3個(gè)轄區(qū)，有些長(zhǎng)線路4-5個(gè)轄區(qū)。所有進(jìn)入轄區(qū)的工蟻都?xì)w該轄區(qū)蟻后管理，每個(gè)工蟻也必須通過(guò)位置報(bào)告匯報(bào)給蟻后它的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)，具體如何進(jìn)行下一步完全依據(jù)蟻后發(fā)給它的令牌，即移動(dòng)授權(quán)。這樣，在蟻后領(lǐng)導(dǎo)下的工蟻們就可有條不紊的緊張忙碌的為四個(gè)現(xiàn)代化努力奮斗！
