National Academies Press: OpenBook
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Suggested Citation:"9. CBTC Category Selection Process." National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2018. A Transit Agency Guide to Evaluating Secondary Train Detection/Protection Systems in Communications-Based Train Control Systems. Washington, DC: The National Academies Press. doi: 10.17226/25063.
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SECTION 9  34  CBTC Category Selection Process  9.1 Summary of Previous Sections  The following table summarizes the differences among the project categories.  Table 7: Summary of Functions by Category   Category  Type  Possible  back‐up for  revenue  service  Support  mixed‐ fleet to  facilitate  cut‐over  Manage a  single train  with CBTC  failure  Manage  work trains  Drawbacks on  deployment,  maintenance,  and CBTC  operation  availability  1.A Secondary System capable of revenue service  1.A.1 Secondary System  capable of peak revenue  service  Yes  Yes  Yes  Yes  Major  1.A.2 Secondary System  capable of off‐peak  revenue service  Yes, with  performance  degradation  Yes, with  phased  implemen tation  Yes  Yes  Major  1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC train  1.B.1 Capable of one train per interstation  Yes, with  performance  degradation  No  Yes  Yes  Moderate  1.B.2 Capable of one train in  between two  interlockings  Not likely,  but depends  on the layout  and off‐peak  performance  No  Yes, but  operating  procedures  needed  Yes, but  operating  procedures  needed  Minor to  moderate  1.B.2.1 With detection devices everywhere  Not likely,  but depends  on the layout  and off‐peak  performance  No  Yes, but  operating  procedures  needed.  Procedures  facilitated  by  knowledge  of location  of the train  Yes, but  operating  procedures  needed.  Procedures  facilitated  by  knowledge  of location  of the train  Moderate  1.B.2.2 With detection devices only at interlocking  Not likely,  but depends  on the layout  and off‐peak  performance  No  Yes, but  operating  procedures  needed  Yes, but  operating  procedures  needed  Minor 

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  35  Category  Type  Possible  back‐up for  revenue  service  Support  mixed‐ fleet to  facilitate  cut‐over  Manage a  single train  with CBTC  failure  Manage  work trains  Drawbacks on  deployment,  maintenance,  and CBTC  operation  availability  1.B.3 Without territory  specific headway  performance  Not likely,  but depends  on the layout  and off‐peak  performance  No  Yes, but  operating  procedures  needed.  Procedures  facilitated  by  knowledge  of location  of the train  Yes, but  operating  procedures  needed.  Procedures  facilitated  by  knowledge  of location  of the train  Moderate  2  No secondary system  No  No  Only by  operating  procedure  Only by  operating  procedure  None  9.2 Selection Criteria  This  section  presents  the  various  factors  to  be  considered  when  evaluating  the  possible  secondary  systems appropriate for a specific transit agency. Selection of these factors was based primarily on the  industry survey.   These factors are driven by the following needs:  1. Mixed‐fleet operation during the cut‐over to CBTC 2. Using the STD/PS as a back‐up system: a. Operation at peak headway with the secondary system b. Operation at off‐peak headway with the secondary system c. Management of a single train with CBTC failure using the secondary system 3. Handling of unequipped work trains 4. Detection of broken rail by the signal system 9.2.1 Mixed‐fleet Operation During the Cut‐Over to CBTC  The need for a mixed‐fleet operation depends greatly on the type of legacy train control system as well  as the rolling stock in service. It is common that the cut‐over to CBTC impacts the type of STD/PS used  on the project, at  least temporarily. Considering  the  life duration of the CBTC system, at minimum 30  years, having  the  cut‐over  strategy  impact  the  choice of  the permanent  secondary  system  should be  avoided.   Dual equipping the wayside – both legacy system and CBTC system  It is not always feasible to avoid the issue of having the cut‐over impose the need for STD/PS due to the  constraints listed below: • Implementation is a brownfield project – current revenue operation cannot be disrupted • Only new trains are delivered with CBTC equipment or CBTC ready • Legacy trains are needed to make up the minimum fleet required for revenue service, but will not be equipped with CBTC

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  36  • The new  trains cannot use  the  legacy  train control  system  to operate at a headway  sufficient  for revenue  service. For  instance,  this  is  the  case when  the new  trains  cannot be equipped with  the legacy system onboard equipment. Examples:    In a  transformation  to a CBTC driverless system, new  trains are equipped with CBTC, while  legacy trains, not equipped with CBTC, continue  to provide  revenue service.  It  is generally  impractical  to retrofit old trains with CBTC. In this case, the need for mixed‐fleet operation results in the selection of Category 1.A, an STD/PS capable of revenue service.  Another case is when not all trains are able to run in CBTC mode at the beginning of CBTC operation, irrespective of whether the new or upgraded trains can run on the legacy system. For example, Case Study 3  ‒ NYCT’s  first project,  the Canarsie  Line, did not have  sufficient CBTC‐ready  trains at  the beginning of the project, so a mixed‐fleet operation was needed to meet service demands. This  section  emphasizes  the  importance of  coordination between  the new  train procurement or  the  train upgrade and the signaling project.  Dual equipping the train – train may run under CBTC and under legacy system  There  is a possibility  that  the  cut‐over  strategy has no  impact on  the  STD/PS. Provided all  trains are  equipped with CBTC at the beginning of CBTC revenue service, and that they can operate on the legacy  signaling system as well, it is possible to start CBTC revenue service on part of the line or on the entire  line  without  having  the  need  for  mixed‐fleet  operation.  This  case  provides  the  agency  with  the  possibility  to  choose  the  appropriate  level of  STD/PS,  if  any  is needed.  From  the  industry  survey, no  brownfield project has  implemented CBTC without STD/PS; however, provided all  trains are equipped  with CBTC before revenue service, this option is possible.  Table 8: Meeting the Need for a Mixed‐Fleet Operation  Type  Category  Type  Need for a mixed‐fleet operation  Systems with  STD/PS  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 off‐peak revenue service  *  1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC train  1.B.1 Capable of one train per interstation  1.B.2 Capable of one train in between two interlockings  1.B.3 Without territory specific headway performance  Systems  without  STD/PS  2  No Secondary System  *It  is  possible  to  start  CBTC  operation with  a  secondary  system  capable  of  peak  performance,  and subsequently reduce  it to off‐peak performance to maximize the benefits of the CBTC technology. This  strategy has been used by NYCT as described  in Case Study 3, where  the project  started  in Category  1.A.1 for a period of time, until all trains were capable of CBTC and the system was operationally stable,  and then reduced the amount of wayside equipment to cut‐over the system  into a project of Category  1.A.2.

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  37  Starting with a Category 1.A.1 and going to a Category 1.B would require a large amount of effort and no  such project could be  found during  the  industry  survey. This  is  technically  feasible, provided  that  the  legacy system  is used as the secondary system temporarily. This option  is discussed  further  in Section  9.3.2 Revisiting the Cut‐over Strategy.  9.2.2 Using the STD/PS as a Back‐up  The  reason  for  implementing  STD/PS  is often  to use  it  as  a back‐up  system  in  case of CBTC  failures,  either wayside controller or train‐borne controller failure. Transit agencies may require a back‐up for the  following reasons:  First category of reasons is due to perception of the CBTC technology:   CBTC  technology has not been commonly used  in North America so  far and  though  it  is a proven technology with over 30 years of successful experience around the world, transit agencies in North America may still see it incorrectly as emerging.  CBTC  relies heavily on electronic equipment, unlike  some conventional signaling systems, and  the technology gap between conventional signaling and CBTC may be too  large for a transit agency to feel comfortable to depart from its legacy principles. The second category of reasons are the drawbacks of the CBTC technology benefits:   One of the advantages of CBTC is to be able to perform with less equipment; but on the other hand, failure  of  any  equipment  is  more  critical  than  in  other  signaling  systems.  Unlike  conventional signaling systems and other advanced systems such as cab signaling where failure of equipment  is localized  in the small area governed by the equipment, CBTC  is more centralized and some of the failures may affect a large geographical zone. For instance, failure of a wayside controller affects the entire  zone which may  be  several  interstations,  or  failure  of  the  data  communications  network system may affect the entire line.  CBTC  technology  provides many  functionalities,  allowing  flexible  operation,  and  therefore  it  is  a complex system. Deployment is more difficult than other signaling systems. Once a conventional or cab signaling system is placed in service, there are a limited number of failures, while CBTC systems take  time  to become  stable.  Simpler  systems have  simpler  failure modes:  the  consequences of a relay  failure are predictable while  the  consequences of a  software  timing  issue,  for example, are probably not (just  localizing a failure to a software timing  issue requires a  large effort). One of the reasons  for CBTC  system  complexity  is  the  use  of  a  secondary  system  and  the  interface  needed between CBTC and the secondary system. So, the secondary system itself is adding to the problem which it is trying to solve. A possible method to evaluate whether the appropriate level of STD/PS has been selected is to perform  a hazard  risk assessment,  specifically addressing  train  collision and derailment hazards,  for  trains not  running under CBTC protection.  9.2.2.1 Operation at Peak Headway with the STD/PS   Based on the industry survey, the only time there was a permanent need to run peak headway using the  secondary system was when trains from lines other than the CBTC equipped line had to operate through  the CBTC territory.   This case is very particular and it is possible, as described in the Case Study 3 ‒ NYCT Canarsie Line, that  only  part  of  the  line  used  for  such  transfer  is  equipped  with  a  secondary  system  capable  of  peak  performance.  

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  38  Further considerations  An STD/PS  capable of peak headway may be under  consideration  for brownfield projects, where  the  reason for deploying CBTC is only for continuous speed control. In this case, to simplify implementation  of the CBTC system, the new CBTC  is overlaid on top of the existing conventional signaling system. All  other benefits of CBTC technology may be constrained by the underlying secondary system, especially  the capacity increase, but the transition to CBTC is greatly simplified.  Table 9: Meeting the Need to Operate a Peak Headway with the Secondary System  Type  Category  Type  Need for a peak headway  Systems with  STD/PS  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 off‐peak revenue service  1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC train  1.B.1 Capable of one train per interstation  1.B.2 Capable of one train in between two interlockings  1.B.3 Without territory specific headway performance  Systems  without STD/PS  2  No Secondary System  9.2.2.2 Operation at Off‐Peak Headway with STD/PS   This need  is based on whether an off‐peak revenue service  is necessary  in case of major CBTC system  failure.   From  the  industry  survey,  an  STD/PS  capable  of  off‐peak  revenue  service  is  deemed  necessary  for  brownfield projects that have a high capacity demand with few or no alternative transportation modes  and require other considerations such as crowd control on the platforms.   Further considerations  Though  technically  possible  for  greenfield  projects,  the  industry  survey  did  not  identify  any  CBTC  greenfield projects where a STD/PS capable of peak or off‐peak performance was selected. 

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  39  Table 10: Meeting the Need for Back‐up for Revenue Service  Type  Category  Type  Need for back‐up for revenue service  Systems with  STD/PS   1.A Secondary System capable of revenue service   1.A.1  Secondary System capable of peak revenue service  *  (possible but  unnecessary)  1.A.2  Secondary System capable of off‐peak revenue service   1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC train  1.B.1 Capable of one train per interstation  1.B.2 Capable of one train in between two interlockings  1.B.3 Without territory specific headway performance  Systems  without  STD/PS  2  No Secondary System  *Category  1.A.1  can  provide  back‐up  for  revenue  service  since  it  is  capable  of  peak  revenue  service operation, but it may be unnecessary.   9.2.2.3 Management of a Single Train With CBTC Failure Using the STD/PS  A scenario similar  to  the mixed‐fleet operation  is  the management of a single  train with CBTC  failure.  This is akin to the question of how to handle work trains, but since mitigations are possible for the work  trains, the two issues are addressed separately. Also, the category of projects for managing a single train  with CBTC failure and for work trains might be different.  Based on industry survey responses, the most frequent failure of the CBTC system is the onboard train  equipment.   For systems with high capacity demand and service,  the  recovery strategy mandates  that managing a  train with CBTC failure and moving it out of the system is important. A single train with CBTC failure not  only creates revenue service disruption  for  the  failed  train, but also  for several other  following  trains,  creating a much more difficult situation to handle. 

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  40  Table 11: Meeting the Need to Manage a Single Train with CBTC Failure with the Secondary System  Type  Category  Type  Manage a single  train with CBTC  failure  Systems  with STD/PS  1.A Secondary System capable of revenue service   1.A.1  Secondary System capable of peak revenue service   (possible but  unnecessary)  1.A.2  Secondary System capable of off‐peak revenue service   (possible but  unnecessary)  1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC train   1.B.1 Capable of one train per interstation   1.B.2 Capable of one train in between two interlockings  (Only for 1.B.2.1)     1.B.2.1     With detection devices everywhere   Protection around  the train with CBTC  failure      1.B.2.2     With detection devices only at interlocking  1.B.3 Without territory specific headway performance  Protection around  the train with CBTC  failure  Systems  without  STD/PS  2  No Secondary System  9.2.3 Handling of Unequipped Work Trains  Depending on the needs assessment for an STD/PS, the necessity for a mixed‐fleet operation, and the  need to manage trains with CBTC failure, the management of unequipped work trains may have already  been included by default. If the selection did not include any previous solution categories, then the work  train management needs to be addressed. Usually, work trains are used  in a particular area which can  be protected by operating  rules; however,  the main  issue  is  in  the movement of  the  train  from  the  storage area  to  the work  site and  then back  to  the  storage area when  the work  is  finished. A  similar  issue arises with the use of a track inspection or geometry car, for example, that traverses large portions  of  the mainline. Section 8 – Work Trains, presents  the various options  regarding  the management of  work  trains.  There  are  two  categories:  1)  using  procedures  and  not  equipping  work  trains  and  2)  equipping work trains to an appropriate level to provide some level of protection.  Not equipping work trains may be considered reasonable when:  • The STD/PS already can manage revenue operation at peak headway (Category 1.A.1) • A back‐up for revenue service is already selected (Category 1.A.2) • The STD/PS already handles a single train with CBTC failure (Category 1.B) Unequipped work trains result in impacts on revenue service where:  • There  is only  interlocking protection by the STD/PS.  In this case, depending on the  line  layout and separation  of  the  interlockings,  running  unequipped  work  trains  may  seriously  impact  revenue service.

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  41  • There  is no STD/PS  (Category 2).  In  this  case, non‐equipped work  trains are managed entirely by operating procedure. Where transit agencies do not operate revenue service 24/7, maintenance work  is typically performed  during  the nightly  system  closure,  and unequipped work  trains have no negative  impact on  revenue  service. The agency must rely on operating procedures for safe movement during the closures.  Equipping work trains is highly recommended when both of these conditions exist:  • The  system operates 24/7 and work  trains would have  to be  routed  in between  revenue  service trains.  Relying  on  operating  procedure  would  dramatically  impede  revenue  service  and  the operating procedures would require a lot of coordination effort. And • There is no STD/PS that can facilitate tracking and/or control of the trains. Section 8 – Work Trains, presents different options for equipping work trains resulting in various levels  of work  train protection. The  choice  is dependent on  the  transit  system’s characteristics,  such as  the  number  and  type  of  work  trains,  and  the  CBTC  or  STD/PS  supplier’s  technology.  This  guide  only  addresses the needs assessment for an STD/PS and whether to equip work trains, and not how to equip  them or what level of protection to provide.   Table 12: Work Train Management by Category  Type  Category Type  Equipping work trains  Systems with  STD/PS  1.A Secondary System capable of revenue service   1.A.1  Secondary System capable of peak revenue service  Not required  1.A.2  Secondary System capable of off‐peak revenue service  Not required  1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC train   1.B.1 Capable of one train per interstation  Not required  1.B.2 Capable of one train in between two interlockings  Depends on layout  and if operation is  24/7  1.B.3 Without territory specific headway performance  Depends on layout  and if operation is  24/7  Systems  without  STD/PS  2  No Secondary System  Only if operation is  24/7  9.2.4 Detection of Broken Rail by the Signal System  There are two ways to view the broken rail issue and its effect on STD/PS decision making:  • One  way  is  to  consider  the  broken  rail  detection  feature  of  track  circuits  as  a  mandatory requirement  for  the choice of a  secondary  system  in a CBTC project. This  traditional approach of determining the method of secondary detection before choosing the  level of secondary protection in a CBTC system defaults to keeping the track circuits, often resulting in project Category 1.A. • Another way  is to consider the type of secondary system needed  from a  functional point of view, and  if  a  secondary  system  is  needed,  then  decide  on  a  detection method—track  circuits  or  axle counters—that meets the needs of the project. This is the approach proposed in this guide. Section

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  42  9 – CBTC Category Selection Process, proposes a decision‐making method to evaluate the need for a  secondary  system,  and  Section  10  –  Choosing  the  Secondary  Method  of  Detection,  presents  a  decision‐making method to evaluate the type of secondary train detection equipment.  Broken  rail  detection  has  been widely  perceived  as  an  important  feature  in  the  application  of  track  circuits,  though  it  is  not  the  primary  function  of  a  track  circuit.  However,  its  efficacy  has  been  questioned,  as  noted  in American  Public  Transportation Association  (APTA)  standard RT‐FS‐S‐002‐02,  “Rail Transit Track Inspection and Maintenance,” where it has been documented that “signal circuits do  not provide 100 percent reliability for pull‐apart detection.” Given that broken rails are a serious risk for  train operation, agencies need to proactively detect rail flaws before the rail completely breaks.   Broken rail detection with track circuits can only be effective when a track circuit is known to be vacant.  That  is, a broken  rail  is masked  if  there  is a  train occupying  the  track  circuit. Under CBTC, especially  during peak periods, trains are closely spaced and may be occupying most track circuits, rendering such  broken  rail  detection  ineffective.  Effectiveness  of  broken  rail  detection  is  reduced  even  further with  longer  track  circuits  (such as might be  found between  stations or  interlockings  in Category 1.B)  since  longer track circuits are more likely to be occupied.  Furthermore, broken rail cannot be reliably detected on the negative rail of single‐rail track circuits with  bypaths through the traction return system; nor on running rail on the  inside of curves where there  is  restraining rail attached to it.   Broken rail detection should not be considered as a primary decision factor  in choosing the functional  level of a secondary system. Rail flaw detection has been shown to be successful  in CBTC projects that  do  not  have  track  circuits.  The  industry  survey  revealed  that  several  projects  successfully  use  only  inspection  methods  to  detect  rail  flaws.  Such  examples,  in  Section  12  –  Case  Studies,  include  case  studies of Transport for London and British Columbia Rapid Transit Company.   9.3 Decision Flow Diagrams   In summary:  • The lowest level of secondary system to meet the functional needs is the most desirable. • Work  train management  is either a  factor  in  the decision  for an STD/PS or a  result of  the STD/PS chosen for the project. In the following flow diagrams, it is shown as a factor. • Broken rail detection should be kept separate from the decision flow diagram. • The  type of detection equipment,  track circuit or axle counter,  should be kept  separate  from  the evaluation of the level of secondary system. • When looking at the flow diagram, transit agencies may be considering different categories of CBTC on different parts of  the  line where  the needs may be different based on geographical areas. For instance,  in  Case  Study  3,  on  the NYCT  Canarsie  Line  project,  there was  a  need  to  handle  non‐ equipped train transfers on one part of the  line but not on another. Another example may be the need to have a back‐up or to handle a single train with CBTC failure in the city center where possibly several CBTC lines merge and headway requirements are crucial, but have no such needs outside of the city where capacity is less. There are several decision processes depending on the initial factors to be considered. 

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  43  9.3.1 Decision Flow Diagram  In Figure 11, Decision Flow Diagram  for STD/PS Selection, greenfield projects can skip  the mixed‐fleet  step and start with the need for peak revenue service provided by the STD/PS.   The diamonds represent a functionality of the STD/PS. The diamonds are:   Mixed fleet during cut‐over: Is mixed fleet needed during the cut‐over to CBTC from the legacy train control system? See section 9.2.1 for information about making this decision.  Peak performance permanently: Is operation at peak headway with the secondary system needed in the final system, as opposed to only during the cut‐over? See section 9.2.2.1 for information about making this decision.  Peak performance:  Is operation  at peak headway with  the  secondary  system needed  in  the  final system? See section 9.2.2.1 for information about making this decision.  Off‐peak performance: Is operation at off‐peak headway with the secondary system needed  in the final system? See section 9.2.2.2 for information about making this decision.  Manage single train with CBTC failure:  Is management of a single train with CBTC failure using the secondary system needed? See section 9.2.2.3 for information about making this decision.  Manage  unequipped work  train:  Is management  of  unequipped work  trains  using  the  secondary system needed? See section 9.2.3 for information about making this decision.

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  44  Figure 11: Decision Flow Diagram for STD/PS Selection  Mixed fleet during Cut‐over Peak performance Peak Performance permanently Off‐peak performance Manage single train with CBTC failure Manage unequipped work train 2 1.A.1 Yes During Cutover Yes Yes Yes No No No No No Yes 1.A.1 No : Need from STD/PS 1.A.2 Yes 1.B.1 1.B.2 1.B.3 (9.3.3) See 1.B Selection Flow  Diagram (Figure 13)

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  45  9.3.2 Revisiting the Cut‐Over Strategy  Most of the information presented in the previous sections is based on results from the industry survey.  Regarding  the cut‐over during  the  implementation of CBTC  in brownfield projects, other possible cut‐ over methods can be considered.  For projects where mixed‐fleet operation cannot be avoided, one possible method of cut‐over used  in  project  Category  1.A  is  to  start  CBTC  operations with  a  secondary  system  capable  of  peak  revenue  service. Then in a second step, remove some of the secondary signal equipment to reap the benefits of  CBTC, eliminating  the headway  restrictions  imposed by  the STD/PS. Based on  the  industry survey  this  was done only for projects in Category 1.A, but not for other types of projects, such as Category 1.B and  2.  Consideration should also be given to the transition process used when migrating to other categories of  CBTC systems, such as 1.B or 2, where mixed‐fleet is only needed during the transition to CBTC, and not  in  the  final  configuration. The  transit agency  can  consider deploying a  system  capable of mixed‐fleet  operation  (Category 1.A)  followed by  its decommissioning once  the  transition  is  complete,  leading  to  Category 1.B or 2.  Two possible options include:   1. Interface with  the  legacy  system and decommission  it after  the  transition  to CBTC.  (The  industry survey showed projects where the legacy system was interfaced but not decommissioned.) 2. Install a new (temporary) secondary system and decommission  it after the transition to CBTC. The industry survey has not revealed any project where this method has been used yet. In both cases, the CBTC trains may be designed to behave like the trains governed by the legacy system  (the  soon‐to‐be  secondary  system).  This  type of  transition  is  technically  possible whether  the  legacy  system is a conventional signaling system or an automatic cab signal system.  The principal benefit of  this  transition  is  that mixed‐fleet operation  is  facilitated, and  the  final project  configuration is not impacted by the transition to an optimal CBTC system category.   The disadvantage is the effort to deploy the CBTC system in a Category 1.A configuration, and the effort  to decommission the secondary system, partially or completely. For agencies desiring a Category 2 final  solution without a secondary system, all of the secondary system has to be removed. It would therefore  be preferred  that  the new CBTC system  interface with  the existing signaling system,  that will  then be  decommissioned when all trains are CBTC equipped.  

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  46  Figure 12 illustrates the adjusted Decision Flow Diagram:   Figure 12: Alternate Decision Flow Diagram for STD/PS Selection  Mixed fleet during cutover Peak performance Off‐peak performance 1.A.1 1.A.2 Yes During cutover Yes Yes No No 1.A.1 2 No Manage single train with CBTC failure Manage unequipped work train Yes Yes No No 1.B.1 1.B.2 1.B.3 (9.3.3) See 1.B Selection Flow  Diagram (Figure 13) : Need from STD/PS

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  47  9.3.3 Choosing Among 1.B Categories  Table 13: Category 1.B Secondary Systems Designed to Handle a Single Non‐CBTC Train  Category  Type  1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC 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, with detection devices everywhere  If the need for managing a single train with CBTC failure or non‐equipped work train is established, the  level  of  STD/PS  appropriate  for  a  particular  project  must  still  be  defined.  Choosing  among  the  1.B  Categories is the equivalent of fine‐tuning the level of STD/PS to implement. It is dependent on the track  configuration and the capacity needed along the line which may not be the same between each pair of  stations. The method for choosing between the 1.B Categories can be the following:  1. Choosing between Category 1.B.1, capable of one train per interstation, and Categories 1.B.2/1.B.3, not capable of one train per interstation 2. Evaluating the need for detection devices everywhere (1.B.2.1/1.B.3) and detection devices only at interlockings (1.B.2.2) 3. If detection devices everywhere are needed, then choosing between Category 1.B.2.1 with signals at interlocking and Category 1.B.3 without any signals 9.3.3.1 Choosing Between Category 1.B.1 One Train per Interstation and Categories 1.B.2./1.B.3  The  main  difference  between  Category  1.B.1  and  Categories  1.B.2/1.B.3  is  the  performance  of  the  secondary system  regarding management of a single non‐CBTC  train.  If managing one non‐CBTC  train  per  interstation  is needed,  then Category 1.B.1  is preferred, and  if not, other categories are possible.  Functionally, another  important difference between Category 1.B.1 and Categories 1.B.2/1.B.3  is  that  projects  in Category 1.B.1 are able  to manage wayside controller  failure more efficiently, as noted  in  Section 7.1.3 Wayside Failures.  Therefore, the two needs to evaluate this choice are:   Need for station to station control of non‐CBTC trains  Need for back‐up for wayside controller failure The need for managing a non‐CBTC train per interstation is dependent on the track layout and should be  evaluated by the transit agency based on the configuration of its system.   The  industry  survey  showed  that  projects  in  Category  1.B.1  are  more  common  than  projects  in  Categories 1.B.2/1.B.3. 

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  48  9.3.3.2 Choosing Between Detection Devices Everywhere (Categories 1.B.2.1/1.B.3) and Only at  Interlockings (Category 1.B.2.2)  There are two  implementation methods of the secondary detection system: with secondary detection  devices everywhere (Categories 1.B.2.1/1.B.3), or with secondary detection devices only at interlockings  (Category 1.B.2.2).  Interlocking protection  is presented  in Section 5 – Secondary Train Detection/Protection Systems, and  includes  approach  locking,  route  locking,  detector  locking,  and  traffic  locking.  This  protection  can  technically be provided by both the CBTC system for CBTC equipped trains and by the secondary system  for all trains. The industry survey showed that when STD/PS is present, the STD/PS provides interlocking  protection  for  all  trains,  CBTC  and  non‐equipped.  The  CBTC  system  is  used  to  provide  interlocking  protection  for CBTC  trains only  in Category 2, when  STD/PS  is not present.  In  this  case,  the wayside  controller is providing the interlocking protection.  The main factor for this decision  is whether there  is a need to track non‐CBTC trains everywhere with  the STD/PS. The  industry survey showed that having secondary detection devices only at  interlockings  (Category 1.B.2.2)  is very rare  in comparison to projects with secondary detection everywhere (1.B.2.1  and 1.B.3). Being able to track non‐CBTC trains accurately using secondary detection devices everywhere  is beneficial for providing protection around the non‐CBTC trains; it  is particularly  important to protect  non‐equipped work trains. It also allows operation of CBTC trains around the non‐CBTC train efficiently  and  more  closely  than  in  systems  with  detection  devices  only  at  interlockings.  Furthermore,  less  distance  is required for running  in restricted speed mode by a train with CBTC failure to resume CBTC  operation.  In summary, the needs to evaluate this choice are:   Need to track non‐CBTC trains accurately, to facilitate management of unequipped work trains  Need for CBTC trains to follow non‐CBTC trains closely, especially  in the case of a single train with CBTC failure  Need  to  avoid  running  for  long  distance  to  resume  CBTC  operation  after  a  train  experiences  a recoverable CBTC failure 9.3.3.3 Choosing Between Categories with Detection Devices Everywhere With Signals at  Interlockings (Category 1.B.2.1) and Without Signals (Category 1.B.3)  The difference between projects  in Category 1.B.2.1 capable of one train  in between two  interlockings  and 1.B.3 without territory specific headway performance is the presence of signals at interlockings, and  in particular the presence of a method of enforcement of the signals.   Even  if  the  agency  decides  to  not  have  any  interlocking  signals,  switch  position  indicators might  be  installed to provide the position of the switch to non‐CBTC trains so the main difference between the  two categories is a method of enforcement of those signals.   When the legacy system does not include a method of enforcement, it is not practical to start using one  with the  introduction of CBTC, due to the need to equip the trains.  In this case, the project may be  in  Category 1.B.3 with or without switch position indicators, or in Category 1.B.2.1 with interlocking signals  without a method of enforcement. Those categories are then equivalent.  When the legacy system includes a method of enforcement which is to be retained, then the project is  in Category 1.B.2. The decision of whether to retain the method of enforcement is to be made by both  the signaling team of the agency and the team in charge of the rolling stock. 

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  49  In summary:   If  the  legacy  system does not  include a method of enforcement of  signals,  then options 1.B.2.1 or 1.B.3 can be used and are equivalent. There may be either  signals without enforcement or  switch position indicators.  If the legacy system includes a method of enforcement of signals and the method can be kept in the new system, option 1.B.2.1 is preferred. 9.3.3.4 Decision Flow Diagram for Choosing Between 1.B Categories  Figure 13: Decision Flow Diagram for STD/PS Selection – Choosing between 1.B Categories  Station  to station  resolution Detection  everywhere 1.B.2.2 1.B.3 No Yes 1.B.1 Yes No Signals at  interlockings 1.B.2.1Yes No

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  50  9.4 Other Considerations  9.4.1 Other Potential Influences  All the factors discussed previously are usually the main factors in the assessment done by engineering  and operation departments. There are several other  influences which may affect the decision process.  Those influences may not be identified as factors, but may be in the decision maker’s mind. For instance,  if  there  is  already  significant  solid‐state  equipment  in  service  or  electronics  onboard  the  trains,  the  agency may be more comfortable with CBTC technology, and may be less likely to require a high degree  of back‐up by a secondary system. Below are some of the most common influences.  9.4.1.1 Supplier Influence  • CBTC  suppliers  are  adapting  to  client  needs  but  are  also  capable  of  influencing  transit  agency selection regarding the STD/PS. • Though  most  of  the  CBTC  suppliers  are  also  track  circuit  vendors,  most  of  them  have  been advocating  for axle counters over  track circuits. One  reason  is  that axle counters can be  installed independently of the existing signaling system, which works well for upgrade projects. • Few CBTC suppliers have products and experience without STD/PS, so suppliers tend to offer CBTC with STD/PS. Regarding mass transit projects, based on the industry survey, only two CBTC suppliers so  far  have  deployed  a  system  without  STD/PS  on  greenfield  projects.  Some  of  the  first  CBTC projects in the 1980s were implemented without STD/PS and have been very successful, such as in Vancouver,  BC,  Canada  (see  Case  Study  2  ‒  British  Columbia  Rapid  Transit  Company  SkyTrain). Despite  the  success  of  these  projects,  the  proportion  of  projects without  STD/PS  has  remained small. 9.4.1.2 Type of Legacy System – Culture Change  In cases where  the  legacy signaling system already  includes electronics, as  in a cab signal system,  the  transit  agency  culture  change  with  transition  to  CBTC  is  less  of  a  shock  than  for  agencies  with  no  electronics experience. The result is:  • The transit agency with electronics experience is already used to an advanced signaling system and may view a back‐up system  less favorably than a transit agency with a conventional wayside signal system. • It is possible that the number of field devices is already minimal, having signals only at interlockings for instance, and therefore the transit agency is more likely to embrace a low level of STD/PS. 9.4.1.3 Grade of Automation  Based on the industry survey, the grade or level of automation does not appear to have a direct impact  on the level of STD/PS except in the case of greenfield driverless projects. The survey revealed that, so  far, all  the projects without STD/PS were greenfield driverless projects. However, not all greenfield or  brownfield driverless projects are without STD/PS.  Without  an  operator  onboard,  any  system  failure would  result  in  a  long  delay, whether  there  is  an  STD/PS or not, since an operator needs to reach the stranded train from another location before it can  be moved.   9.4.1.4 Grade of Line  Grade  of  line  is  defined  as  a measure  of  the  complexity  of  the  line  to  be  equipped with  CBTC.  For  instance, projects with several  interwoven  lines are more complex than a single  line  isolated from the 

SECTION 9 – CBTC CATEGORY SELECTION PROCESS  51  rest of the network. The complexity of the rail network, and the intensity of the service to be provided  on that network, is likely be a factor impacting the decision for a back‐up system.   9.4.2 Other Topics Not Usually Considered as Factors  This section notes some of the possible issues which, after analysis of the industry survey, turned out to  not be factors in the decision of which type of STD/PS to implement.  9.4.2.1 Underground/Above Ground Systems  Based on the  industry survey, there  is no  influence on the assessment whether the  infrastructure  is  in  tunnels, at grade, or above ground level.   From  the  industry  survey,  respondents  indicated  that  projects with  above  ground  territory  in  harsh  winter  locations chose to  implement  track circuits because broken rails are more  frequent  in extreme  weather conditions. On the other hand, projects have cited extreme weather conditions as a reason for  not having a secondary method of detection, as devices on the roadbed fail too often and impact CBTC  operation availability.   9.4.2.2 Type of Rolling Stock  Whether the rolling stock is with steel wheels or with rubber tires, the industry survey did not show any  relevant effect.  

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A Transit Agency Guide to Evaluating Secondary Train Detection/Protection Systems in Communications-Based Train Control Systems Get This Book
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TRB's Transit Cooperative Research Program (TCRP) Web-Only Document 71: A Transit Agency Guide to Evaluating Secondary Train Detection/Protection Systems in Communications-Based Train Control Systems provides a practical approach to evaluating the appropriate level of secondary train detection/protection systems (STD/PS) for a given communications-based train control system 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 technologies, and discusses communications-based train control 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. The document is accompanied by a PowerPoint presentation.

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