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TCRP Web-Only Document 71: A Transit Agency Guide to Evaluating Secondary Train Detection/Protection Systems in Communications-Based Train Control Systems CH2M New York, NYÂ Contractorâs Final Report for TCRP Project D-18 Submitted April 2017 ACKNOWLEDGMENT This work was sponsored by the Federal Transit Administration (FTA) in cooperation with the Transit Development Corporation (TDC). It was conducted through the Transit Cooperative Research Program (TCRP), which is administered by the Transportation Research Board (TRB) of the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. COPYRIGHT INFORMATION Authors herein are responsible for the authenticity of their materials and for obtaining written permissions from publishers or persons who own the copyright to any previously published or copyrighted material used herein. Cooperative Research Programs (CRP) grants permission to reproduce material in this publication for classroom and not-for-profit purposes. Permission is given with the understanding that none of the material will be used to imply TRB, AASHTO, FAA, FHWA, FMCSA, FRA, FTA, Office of the Assistant Secretary for Research and Technology, PHMSA, or TDC endorsement of a particular product, method, or practice. It is expected that those reproducing the material in this document for educational and not-for-profit uses will give appropriate acknowledgment of the source of any reprinted or reproduced material. For other uses of the material, request permission from CRP. DISCLAIMER The opinions and conclusions expressed or implied in this report are those of the researchers who performed the research. They are not necessarily those of the Transportation Research Board; the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine; or the program sponsors. The information contained in this document was taken directly from the submission of the author(s). This material has not been edited by TRB.
The National Academy of Sciences was established in 1863 by an Act of Congress, signed by President Lincoln, as a private, non- governmental institution to advise the nation on issues related to science and technology. Members are elected by their peers for outstanding contributions to research. Dr. Marcia McNutt is president. The National Academy of Engineering was established in 1964 under the charter of the National Academy of Sciences to bring the practices of engineering to advising the nation. Members are elected by their peers for extraordinary contributions to engineering. Dr. C. D. Mote, Jr., is president. The National Academy of Medicine (formerly the Institute of Medicine) was established in 1970 under the charter of the National Academy of Sciences to advise the nation on medical and health issues. Members are elected by their peers for distinguished contributions to medicine and health. Dr. Victor J. Dzau is president. The three Academies work together as the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine to provide independent, objective analysis and advice to the nation and conduct other activities to solve complex problems and inform public policy decisions. The National Academies also encourage education and research, recognize outstanding contributions to knowledge, and increase public understanding in matters of science, engineering, and medicine. Learn more about the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine at www.national-academies.org. The Transportation Research Board is one of seven major programs of the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. The mission of the Transportation Research Board is to increase the benefits that transportation contributes to society by providing leadership in transportation innovation and progress through research and information exchange, conducted within a setting that is objective, interdisciplinary, and multimodal. The Boardâs varied committees, task forces, and panels annually engage about 7,000 engineers, scientists, and other transportation researchers and practitioners from the public and private sectors and academia, all of whom contribute their expertise in the public interest. The program is supported by state transportation departments, federal agencies including the component administrations of the U.S. Department of Transportation, and other organizations and individuals interested in the development of transportation. Learn more about the Transportation Research Board at www.TRB.org.
IV Contents Section ........................................................................................................................................ Page Summary ............................................................................................................................................. ix 1 Introduction ............................................................................................................................ 1 2 Problem Statement ................................................................................................................. 2 3 List of Acronyms ...................................................................................................................... 3 4 CBTC Technology ..................................................................................................................... 4 4.1 CBTC Equipment ................................................................................................................. 4 4.2 CBTC Train Control Modes .................................................................................................. 5 4.3 Trends in CBTC Projects Around the World ........................................................................ 6 5 Secondary Train Detection/Protection Systems  ...................................................................... 8 5.1 Detection Systems .............................................................................................................. 9 5.2 Protection Functions ......................................................................................................... 11 5.3 STD/PS Implementations .................................................................................................. 12 6 STD/PS Considerations .......................................................................................................... 17 6.1 Consequences of Having an STD/PS ................................................................................. 17 6.2 Consequences of Having No or Minimal STD/PS .............................................................. 21 7 Equipment Failures ................................................................................................................ 22 7.1 CBTC Equipment Failures .................................................................................................. 22 7.2 STD/PS Equipment Failures ............................................................................................... 28 8 Work Trains ........................................................................................................................... 30 8.1 Not Equipping Work Trains ............................................................................................... 30 8.2 Equipping Work Trains ...................................................................................................... 31 8.3 Using a CBTC Equipped Trailer .......................................................................................... 32 8.4 Using a Separate Tracking System .................................................................................... 32 8.5 Minimum NonâEquipped Train Length Issue .................................................................... 32 8.6 CBTC Work Zone Function ................................................................................................ 33 9 CBTC Category Selection Process ........................................................................................... 34 9.1 Summary of Previous Sections.......................................................................................... 34 9.2 Selection Criteria ............................................................................................................... 35 9.3 Decision Flow Diagrams .................................................................................................... 42 9.4 Other Considerations ........................................................................................................ 50 10 Choosing the Secondary Method of Detection ....................................................................... 52 10.1 Secondary Detection System Layout ................................................................................ 52 10.2 Comparison Between Track Circuits and Axle Counters ................................................... 53 10.3 Industry Survey ................................................................................................................. 55 11 Conclusion ............................................................................................................................. 57 12 Case Studies .......................................................................................................................... 59 12.1 Port Authority of New York & New Jersey, AirTrain JFK Case Study ................................ 59 12.2 British Columbia Rapid Transit Company Case Study, SkyTrain ....................................... 62Â
V 12.3 New York City Transit Case Study, Canarsie and Flushing Lines ....................................... 68 12.4 Port Authority TransâHudson Case Study, Positive Train Control ..................................... 73 12.5 Transport for London Case Study, CBTC ........................................................................... 76 12.6 Baltimore Metro Subway Case Study ............................................................................... 79 Tables 1 CBTC Project Categories ............................................................................................................ x 2 Selection Factors of an STD/PS .................................................................................................. xi 3 STD/PS Functional Categories ................................................................................................. 13 4 Examples of STD/PS Drawbacks .............................................................................................. 19 5 Level of Consequences of STD/PS ........................................................................................... 20 6 Not Equipping Work Trains ..................................................................................................... 30 7 Summary of Functions by Category ........................................................................................ 34 8 Meeting the Need for a MixedâFleet Operation ..................................................................... 36 9 Meeting the Need to Operate a Peak Headway with the Secondary System ......................... 38 10 Meeting the Need for Backâup for Revenue Service ............................................................... 39 11 Meeting the Need to Manage a Single Train with CBTC Failure with the Secondary System 40 12 Work Train Management by Category .................................................................................... 41 13 Category 1.B Secondary Systems Designed to Handle a Single NonâCBTC Train .................... 47 14 Track Circuits vs. Axle Counters............................................................................................... 53 15 Type of Secondary Detection Equipment in Different Categories of CBTC Projects ............... 56 Figures 1 Category 1.A.1 ......................................................................................................................... 14 2 Category 1.A.2 ......................................................................................................................... 14 3 Category 1.B.1 ......................................................................................................................... 14 4 Category 1.B.2.1 ...................................................................................................................... 15 5 Category 1.B.2.2 ...................................................................................................................... 15 6 Category 1.B.3 ......................................................................................................................... 15 7 Category 2 ............................................................................................................................... 16 8 Example of 1 out of 2 redundancy architecture ...................................................................... 22 9 Example of 2 out of 2 redundancy architecture ...................................................................... 22 10 Example of 2 out of 3 redundancy architecture ...................................................................... 23 11 Decision Flow Diagram for STD/PS Selection .......................................................................... 44 12 Alternate Decision Flow Diagram for STD/PS Selection .......................................................... 46 13 Decision Flow Diagram for STD/PS Selection â Choosing between 1.B Categories ................ 49Â
VI Foreword TCRP WebâOnly Document 71: A Transit Agency Guide to Evaluating Secondary Train Detection/ Protection Systems (STD/PS) in CommunicationsâBased Train Control (CBTC) Systems discusses STD/PS technologies and types of CBTC, and provides guidelines for evaluating the implementation of STD/PS on a CBTC rail network. The deployment of a new signaling system requires a closely coordinated partnership among rail transit agencies, CBTC and STD/PS suppliers, installers, oversight agencies, and other stakeholders. This guide will be helpful to rail transit agencies, signaling system suppliers, consultants, safety regulators, grant writers, policy boards, and other stakeholders in evaluating the need for, and selection of, an appropriate STD/PS technology for CBTC deployment projects.  This guide has been developed as a result of the research effort conducted by the CH2M team through review of industry literature and a study of previously completed and ongoing CBTC projects to identify scope and factors relative to the selection of deployment strategies and technology choices. The research effort was based on the collection of data pertaining to deployment experience, operational practices, and technical aspects of a CBTC system with and without STD/PS. The principal means for collecting this data were visits and interviews with rail transit agencies and CBTC suppliers involved in major CBTC projects. The research approach involved a twoâphase process. The first phase focused on data collection and compilation utilizing literature review and industry surveys of rail transit operators and CBTC suppliers to understand the decisionâmaking processes behind STD/PS implementation. The second phase of the research focused on the selection of rail transit agencies for case studies, which involved direct site visits, inâperson interviews, observation and data collection on typical CBTC operating practices and reliance on STD/PS. This guide has been developed with the help of six CBTC implementation case studies.Â
VII Author Acknowledgments The Transit Agency Guide to Evaluating Secondary Train Detection/Protection Systems (STD/PS) in CommunicationsâBased Train Control (CBTC) Systems was conducted through the Transit Cooperative Research Program (TCRP), which is administered by the Transportation Research Board (TRB) of the National Academy of Sciences. This guide was developed under TCRP Project Dâ18 by the CH2M New York Cityâbased rail transit team (prime contractor), and supported by Integrated Strategic Resources (ISR) Consultants. The CH2M team was led by Kenneth Diemunsch, CSEP (Principal Investigator). The coâinvestigators were Stuart Landau, PE, MIRSE, Signal and Train Control Engineer; Girish Ananthashankaran, Senior System Engineer; Tedd L. Snyder, PE, Senior System Engineer; Stuart Hymowitz, Signal Engineer; Muamer DedoviÄ, Rolling Stock System Integration Engineer; and Robert F. Spero, Rail Operations Specialist. Special thanks go to Elizabeth Royzman and Christine Martino for their project support in compiling the information received from different agencies and overall assembly of the guide, and Girish Ananthashankaran for providing guidance during the project.  The project team thanks the transit agencies and CBTC suppliers who took the time to meet with the project team, accommodate requests for information, arrange for tours of their facilities, participate in the survey and case studies, and provide feedback on CBTC systems and projects around the world. Their assistance and input were invaluable in helping to shape this guide. In particular, the team thanks the agencies which participated in the case studies: New York City Transit (New York, NY, USA); Transport for London (London, UK); AirTrain JFK (New York, NY, USA); Maryland Transit Administration â Baltimore Metro Subway (Baltimore, MD, USA); British Columbia Rapid Transit Company (Vancouver, BC, Canada); and Port Authority TransâHudson (Jersey City, NJ, USA). The project team thanks the following signaling suppliers for their valuable contributions: Ansaldo Signaling and Transportation Systems (Pittsburgh, PA, USA); Alstom Transport (SaintâOuen, France); Bombardier Transportation (Pittsburgh, PA, USA); China Railway Signal & Communication Co. (Shanghai, China); Siemens Mobility â Rail Automation (Châtillon, France); Thales Transportation Solutions (Toronto, ON, Canada); and Frauscher Sensortechnik GmbH (Marienkirchen, Austria).  The project team thanks the TCRP Dâ18 Board for their support and overall feedback on the project.Â
VIII Abstract The top priorities of any signaling system have always been ensuring safe movement and separation of trains, prevention of injury to personnel and patrons, and optimization of system capacity. These objectives can be achieved by using various serviceâproven and mature technologies. The advantages of CommunicationsâBased Train Control (CBTC) technology are substantial. In addition to capacity increase, the system offers the potential to optimize maintenance effort, operational flexibility, and system management capabilities, thereby maximizing the overall return on capital investment. Despite the fact that operating and performance benefits of CBTC technology have been well demonstrated on many systems around the world over the past decades, some agencies still prefer to supplement it with a secondary train detection/Protection System (STD/PS). This STD/PS may consist of a conventional interlocking implementation with track circuits or axle counters. The purpose of this guide is to provide a practical approach to evaluating the appropriate level of STD/PS for a given CBTC application. In terms of detection, track circuits and axle counters are both considered and compared, including the broken rail detection capabilities of track circuits and the possibility of having no secondary detection at all.  The first part of this guide presents different STD/PS technologies, and discusses CBTC deployment trends and feedback on operations from rail transit agencies around the world. The second part provides guidance for selection of an appropriate level of STD/PS, in terms of candidate technologies, product maturity, and potential risks. This evaluation is intended to be used during the early stages of CBTC procurement projects. Case studies are provided at the end of the guide.Â
 IX  Summary CommunicationsâBased Train Control (CBTC) is one of the most advanced train control systems available to transit agencies; it enables transit agencies to make maximum use of the infrastructure configuration by allowing the trains to run closer to each other in comparison to other signaling systems. Deployment of CBTC technology in the United States has been limited so far due in part to a perception of higher cost and apparent difficulty with implementation and operation of this technology in comparison with other signaling systems. This perception of high cost is primarily driven by the expectation that CBTC systems require an additional, independent signaling system to detect and protect trains in the event of CBTC system failure. This is particularly true for reâsignaling projects in a brownfield environment (that is, an upgrade of an existing system; compared to greenfield projects which are new cleanâsheet systems) where the implementation of CBTC must consider existing operational, maintenance, and infrastructure constraints. Research was conducted to evaluate the need for an additional signaling system and the different types of signaling systems that could be used to manage CBTC failures. The research resulted in the present guide; its goals are to help transit agencies decide if an additional signaling system is needed, and if so, the appropriate type of secondary system. The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Std 1474.1, Standard for Communicationsâ Based Train Control, Performance and Functional Requirements, defines CBTC as a continuous automatic train control (ATC) system utilizing: ⢠Highâresolution train location determination, independent of track circuits ⢠Continuous, high capacity, bidirectional trainâtoâwayside data communications ⢠Trainâborne and wayside processors capable of implementing vital functions The four primary components of a CBTC system are: ⢠Trainâborne equipment ⢠Wayside equipment ⢠Data communications equipment ⢠Automatic Train Supervision (ATS) equipment CBTC has been used for more than 30 years all around the world in mass transit projects, initially on new lines and progressively on signaling upgrade projects where the transit agencies needed to address one or more requirements including: ⢠Improved capacity ⢠Replacement of a system at end of life ⢠Enhanced train protection with continuous speed enforcement ⢠Enhanced roadway worker safety CBTC has been used for all modes of train operation, from manual to driverless. It has been deployed on a wide range of transit modes, from airport people movers, to light rail systems, to metros/subways, and to commuter rail lines. In addition to CBTC, an additional signaling system is usually considered and implemented that provides backâup in the case of CBTC failures (both wayside and carborne) and to support unequipped trains, such as work trains. The additional signaling systems in this guide will be referred to as secondary train detection/protection systems (STD/PS) or simply secondary systems, which provide train detection as well as train protection functions. Another name commonly used is âfallback system,â given that it is used in the event of CBTC system failures. They are called secondary systems or auxiliary wayside systems because CBTC is the primary train control system. All worldwide CBTC suppliers have experienceÂ
X experience with secondary signaling systems and can offer integrated solutions as part of their respective CBTC packages.  Either track circuits or axle counters can be used for train detection. Several types of track circuits have been used by the rail industry for more than a century, using the rails as part of a circuit to detect the presence of trains. Train wheels and axles shorting the rails together deâenergize a track relay or other detection device to indicate occupancy. If a wire or rail breaks, the effect is the same as a train occupying the track circuit; this is an operational nuisance but more importantly, is safe since approaching trains will be stopped. The operation is simple, continuous, and failâsafe.  Axle counters are a proven technology and have been used for decades, although they have very limited implementations in the United States. This technology uses wheel sensors attached to the running rails that detect passing train wheels (axles). Evaluator equipment then computes the difference between the number of wheels entering an area and the number exiting the area to determine train presence. Some of the reasons why the use of axle counters has been limited in the United Sates is because the transit agencies are familiar with track circuits, have developed trust in their performance for achieving train detection, and because, unlike track circuits, axle counters are not able to detect broken rail. However, despite these reasons, more and more CBTC projects are using axle counters as a secondary method of detection.  The industry survey resulted in the following CBTC project categories: Table 1: CBTC Project Categories Category Type 1.A Secondary System capable of revenue service  1.A.1 Secondary System capable of peak revenue service 1.A.2 Secondary System capable of offâpeak revenue service 1.B Secondary System designed to handle a single nonâCBTC train  1.B.1 Capable of one train per interstation 1.B.2 Capable of one train in between two interlockings 1.B.2.1 With detection devices everywhere 1.B.2.2 With detection devices only at interlocking 1.B.3 Without territory specific headway performance 2 No Secondary System Two key consequences of having an STD/PS are the effort to deploy the new signaling system and the additional maintenance needed to maintain both the secondary system and the CBTC system. These key consequences impact the cost of deployment and the operation of the system. Another major consequence of having a secondary system is that the availability of the overall signaling system is lower than with CBTC only. This can be due to having more equipment to support both systems and a corresponding increase in overall system complexity. It is important to keep these drawbacks in mind when considering the benefits of having an additional signaling system. Alternatively, not having an STD/PS has two drawbacks: reliance on procedures in case of CBTC failures, which is vulnerable to human error, and the potential need to equip some of the work trains with CBTC technology to allow for mixed operation with both CBTC and nonâCBTC trains without impact to revenue service. Â
XI The result of the industry survey showed that work trains are handled differently by each transit agency without any direct relationship to the presence or type of secondary system. The method to manage work trains does not necessarily need to influence the selection of a secondary signaling system. There are different prevalent methods of managing work train operation: ⢠Use operating procedures to manage work train movement. This could be a challenge to manage for transit agencies that operate 24/7. ⢠Equip work trains with CBTC equipment, capable of full CBTC protection or capable of reporting position only, with the protection being managed by operating procedure. Equipping work trains can be implemented by fitting onboard equipment on the train or by attaching a trailer or locomotive equipped with CBTC. The different factors to consider when selecting the possible secondary system appropriate for a specific transit agency are summarized below: Table 2: Selection Factors of an STD/PS # STD/PS Purpose Comments 1 Mixedâfleet operation The need for mixedâfleet operation with CBTC and nonâCBTC trains is mainly related to the cutâover strategy with regards to the integration of the onboard CBTC equipment on the trains. Where not all trains are equipped with CBTC at the beginning of CBTC operations, a secondary system capable of peak performance is needed (Category 1.A.1), at least temporarily, until all CBTC trains are equipped and the system can be changed to another category. 2 Run peak headway Based on the industry survey, the only possible reason to deploy and maintain an STD/PS capable of peak headway performance is if trains which are not equipped with CBTC are operating often on the line. This may be the case on part of the lines where trains from nonâCBTC lines need to transfer from the yard to their own operating line. The need to run a peak headway results in Category 1.A.1.  A system capable of peak operation may also be useful during the cutâover period from the legacy system to the new CBTC system. In some cases, projects have started being compatible with peak headway (Category 1.A.1) and then modified to only provide offâpeak revenue service in a second step (Category 1.A.2).  3 Backâup for revenue service Though the availability of a CBTC system is usually specified as more than 99%, the issue of having a fallback system is often raised for CBTC projects deployed on a particularly busy line. Characteristics of the lines such as alternative modes of transportation, crowd control, or distance between stations should be considered. This option corresponds to a 1.A.2. 4 Management of a single train with CBTC failure This matter is closely related to the need for a backâup system for the complete line and similar considerations should be taken into account. Results may show that there is no need to have a full backâup system able to handle wayside CBTC failure, but there is a need to manage a single train with CBTC failure efficiently and automatically by a signaling system instead of completely by operating procedures. In this case, project Category 1.B is selected. Depending on the ratio between operating procedures and automatic management of a single train with CBTC failure, projects have decided to opt for Category 1.B.1, 1.B.2, or 1.B.3.Â
XII # STD/PS Purpose Comments 5 Management of Work Trains Managing work trains is not necessarily part of the decision process. When managing work trains, the selection process must consider if the transit agency has 24/7 operation, where work trains would operate around and with CBTC revenue service trains. In this case, either the decision is made to equip work trains with CBTC or there must be a secondary system to facilitate their operation, and projects in Category 1.B would be sufficient. For projects with a secondary system, similar to the management of a single train with CBTC failure, depending on the headway performance required for work trains, agencies could opt for Category 1.B.1, 1.B.2, or 1.B.3. 6 Broken Rail Protection Broken rail protection is an important issue considered in CBTC projects and may result in the perception of needing track circuits. Results of the research show that broken rail protection should not influence the decision to have a secondary system. There are two prevalent methods to provide broken rail protection: detect broken rails using track circuit failure indications or detect rail flaws by inspection and correct the issue before the break happens. Inspection is done both visually and with ultrasonic equipment.  When comparing track circuits and axle counters, it appears that for CBTC secondary detection, axle counters have a slight advantage. Axle counters may be installed in parallel to existing track circuits, thus facilitating the cutâover on a signaling upgrade program. Also, axle counters have no constraint on the length of the block which they monitor, in comparison to track circuits which have a maximum length. This factor suits a CBTC secondary system where block lengths in a secondary system are likely to be longer than in a conventional signaling system. Regulatory and technical aspects must also be considered with the engineering team prior to selection of an STD/PS. From a regulation point of view, this research only identified Federal Railroad Administration (FRA) rules that mandate track circuits, and only one rapid transit agency falls in this category. A transit agency should check with their regulatory authorities to confirm whether track circuits are mandated. From a technical point of view, the conditions of the tracks and rail inspection program must be discussed with the team in charge of maintenance of the tracks. Evidence suggests that agencies could be using more rigorous rail inspection methods to thwart the catastrophic rail break, regardless of the STD/PS solution. Even with track circuits, only certain rail flaws, such as clean breaks, are detectable without inspection. The guide includes various case studies conducted during the research. All categories of CBTC projects are considered with feedback on the experience in deployment and operations. All transit agencies studied had different approaches and the CBTC projects considered range widely in time periods and maturity level of the technology, from when CBTC originally emerged, to projects which have not been awarded. Therefore, the solution for each project is very different and covers a range of perspectives and lessons learned. The goal of the case studies is to make the research comprehensive and provide example templates for transit agencies trying to make selection decisions in similar situations.Â