A Transit Agency Guide to Evaluating Secondary Train Detection/Protection Systems in Communications-Based Train Control Systems (2018)

Below is the uncorrected machine-read text of this chapter, intended to provide our own search engines and external engines with highly rich, chapter-representative searchable text of each book. Because it is UNCORRECTED material, please consider the following text as a useful but insufficient proxy for the authoritative book pages.

SECTION 10  52  Choosing the Secondary Method of  Detection  When the transit agency decides to  implement some type of secondary detection, a selection must be  made as to the type of equipment to be used. This section provides information to help transit agencies  make  this selection. Unlike  the decision  regarding  the  functional use of an STD/PS, choosing between  track circuits and axle counters  is not  influenced by the required functionality of the signaling system.  The decision is based on regulatory and technical factors.  Track  circuits and axle  counters both  satisfy  the goal of detecting  train occupancy. The principles  for  each method are described  in Section 5 – Secondary Train Detection/Protection Systems. This section  presents  the benefits and  limitations of each  type of method. The  influence of  this selection on CBTC  projects is also presented.  10.1 Secondary Detection System Layout  Authorizing initial CBTC train movement and providing train separation with non‐CBTC trains are two of  the CBTC core  functions  that have a direct  impact on  the  implementation of  the secondary detection  system. The number of detection devices is based on the desired performance of those functions.  10.1.1 Authorizing Initial CBTC Train Movement  In systems  that  feature a secondary detection method,  the detection devices are used  to ensure  that  there is no obstruction on the track around the CBTC train before authorizing CBTC train movement. The  obstruction could be a non‐CBTC  train  such as a  train with CBTC  failure or a work  train. The wayside  controller uses the location reported by the CBTC trains and the knowledge of the secondary detection  device layout to confirm that no “hidden” train is present before issuing a movement authority limit to  the CBTC train. This function is discussed in Section 8.5 – Minimum Non‐Equipped Train Length Issue.   Having more detection equipment means  that  train  initialization can be performed at more  locations.  This  is particularly  important  for managing  the  recovery of a  train with CBTC  failure or  recovery of a  wayside controller failure.  On projects without STD/PS, the initialization of the train relies on operating procedures.   10.1.2 Providing Train Separation with Non‐CBTC Trains  For projects with detection of non‐CBTC trains, CBTC allows CBTC trains to follow non‐CBTC trains using  the occupancy status of each block. Since no information is received by the wayside controller regarding  the non‐CBTC trains, CBTC keeps a vacant buffer between non‐CBTC trains and following CBTC trains.  Having more detection device equipment means  that CBTC  trains would be  able  to  follow non‐CBTC  trains more closely. This function is also important for managing trains when a train experiences a CBTC  failure. 

SECTION 10 – CHOOSING THE SECONDARY METHOD OF DETECTION  53  10.2 Comparison Between Track Circuits and Axle Counters  Table 14: Track Circuits vs. Axle Counters  The asterisk (*) indicates a relative advantage.  Criteria  Track Circuits  Axle Counters  Relative Advantage To  Track requirements  Isolated rails, insulated  joints, impedance  bonds, wire  connections  *None Axle counters  Length of track section  Limited by feed power,  ballast leakage  *Unlimited Axle counters  Traction current return  interference  Yes  *No Axle counters  Broken rail detection  *Yes (only certain kinds)  No  Track circuits  Dependence on wheel‐ rail electrical interface  (shunt)  Yes  *No Axle counters  Detects vehicles  entering upon track in  middle of section  *Yes No  Track circuits  Initialization and reset  procedures  *No Yes  Track circuits  Functional scope  Detection, direction (by  following sequence  with adjacent track  circuits), average speed  through entire section  (by also measuring  time)  *Detection, direction, car counting, train  length, average speed  between detectors (by  also measuring time)  Axle counters (car  counting and train  length are determined  non‐vitally)  Installation  More complex  *Quicker, no modification to track.  May be overlaid over  existing track circuits.  Axle counters  Modification of layout  Complex, involves  insulated joint and  impedance bond  changes, new holes in  the rail  *Simple due to wheel sensors being  clamped to the rail  (depends on  manufacturer). Third  rail modification might  be required to  facilitate  maintenance.  Axle counters  Maintenance  Periodic readjustment  required due to  changes in ballast  resistance  *Highly reliable. Minimum  maintenance.  Axle counters  Vital Operation  Yes  Yes (CENELEC/EN  5012X, SIL 4)  Equal 

SECTION 10 – CHOOSING THE SECONDARY METHOD OF DETECTION  54  As shown in Table 14, the axle counter technology has a distinct overall advantage.  For the criteria where track circuits have an advantage:    Hazards  from  vehicles  that  enter  upon  the  track  in  the middle  of  a  section  can  be mitigated  by procedure.  The  initialization and reset procedures for axle counters are a burden during failure scenarios, and not as part of normal operation.  For broken rail detection, track circuits which can detect some of the rail breaks are more favorable than axle counters which cannot detect any break.  Another  important advantage of track circuits which  is not  listed above  is that transit agencies are familiar  with  the  function  and  maintenance  of  track  circuits.  Alternatively,  when  an  agency introduces  CBTC  technology,  new  equipment  is  being  introduced  and  it  is  an  opportune  time  to replace what is likely an aging track circuit system with a new axle counter system. Among the advantages of axle counters over track circuits, the following are the most important in CBTC  projects:  • Axle  counters  can be  installed  and operate  in parallel with existing  track  circuits.  This  is  a major factor for brownfield projects because it eases installation and can also ease the cut‐over. • Block  length can be as  long as necessary. Though  there are some  track circuits which can also be very  long (6,000 feet or more), not all types of track circuits allow block  lengths  long enough such that the layout is based only on the functional needs. Some technical factors may require more track circuits than functionally necessary. • Axle counters eliminate interaction between train detection and traction current return. • Regarding  the  life  cycle  cost, based on discussions with  suppliers  and  transit  agencies using  axle counters, track circuit procurement cost is lower than axle counter but installation and maintenance of track circuits requires more labor. Also, since axle counters have no length limitation, there may be  less equipment than with track circuits, so the overall  life cycle cost of an STD/PS  is considered less  with  axle  counters  than  with  track  circuits.  This  is  based  on  general  principles;  application specifics must  be  considered  for  each  project.  Life  cycle  cost  is  dependent  on  the  type  of  track circuits and the type of axle counters used. For this reason, life cycle cost comparison is not included in Table 14 Track Circuits vs. Axle Counters. The  comparison  is made  for  secondary  systems  in  CBTC  projects,  and  not  for  conventional  signaling  systems. Though the results seem to favor axle counters, the fact that the industry in North America is  very familiar with track circuits and not experienced with axle counters may play a more important role  with use in conventional signaling system projects.   It is possible to equip a system with both types of secondary detection. For instance, there are projects  where  the  mainline  is  equipped  with  axle  counters,  while  the  yard  is  equipped  with  track  circuits.  Although  it  is not clear why track circuits were used  in the yard and not axle counters, the benefits of  having a different method of detection based on the  location should be considered. Despite having to  maintain two different types of equipment, it may help agencies decide to not equip the yard with CBTC.  Other examples  include projects  in Category 1.B.2.2, where track circuits are used to provide detector  locking protection  in an  interlocking, and axle  counters are  implemented  for accurate  train detection  needed for flank protection. 

SECTION 10 – CHOOSING THE SECONDARY METHOD OF DETECTION  55  10.3 Industry Survey   Based on  feedback  from more  than 70 CBTC projects around  the world,  the  industry  survey  revealed  that among the projects which implemented STD/PS:   39% of projects use track circuits  61% of projects use axle counters The  few  projects  using  both  axle  counters  and  track  circuits  were  not  considered  to  derive  these  numbers. Secondary methods of detection have  shifted  from  track  circuits  to axle  counters  in  recent  decades.  All  CBTC  suppliers  can  now  provide  both  options  and  have  project  experience  using  track  circuits and axle counters.   The percentage shifted over time:  Before 2005, among projects with STD/PS:   91% of projects use track circuits  9% of projects use axle counters After 2005, among projects with STD/PS:   29% of projects use track circuits  71% of projects use axle counters Because CBTC has become the most popular technology for mass transit, the number of projects since  2005 has  increased significantly. The percentages among all surveyed projects (39% with track circuits,  61% with axle counters) are closer  to  the percentages of projects after 2005  (29% with  track circuits,  71% with axle counters) than the percentages of projects before 2005 (91% with track circuits, 9% with  axle counters).  Note  that  most  recent  projects  which  use  track  circuits  as  a  secondary  method  of  detection  are  brownfield projects.   Out of more than 70 projects which were surveyed, only three were without STD/PS, representing about  4%. Including all mass transit and airport links, an estimate of CBTC projects without STD/PS is between  5% and 10% around the world. As noted previously, brownfield projects require STD/PS more often than  greenfield projects, so  in parts of the world where brownfield projects are more frequent,  like Europe  and North America, the percentage of projects with STD/PS  is higher. With the popularity of driverless  systems which are more inclined to not use any STD/PS, the ratio is likely to change in the future.  From the  industry survey, Table 15 describes the relation between the category of a CBTC project and  the choice of secondary detection system.  

SECTION 10 – CHOOSING THE SECONDARY METHOD OF DETECTION  56  Table 15: Type of Secondary Detection Equipment in Different Categories of CBTC Projects  Type  Category  Type  Comment from the industry survey  on the detection method  Systems  with  STD/PS  1.A Secondary System capable of revenue service   1.A.1  Secondary System capable of peak revenue service  Track circuits only  1.A.2  Secondary System capable of off‐peak revenue service  Track circuits only  1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC train   1.B.1 Capable of one train per interstation  Majority with axle counters and a few with track circuits  1.B.2 Capable of one train in between two interlockings  Majority with axle counters and a  few legacy projects with track  circuits   1.B.2.1 With detection devices everywhere  Majority with axle counters and a  few projects with track circuits   1.B.2.2 With detection devices only at interlockings  Usually with track circuits or with  both track circuits and axle counters  1.B.3 Without territory specific headway  performance, with detection devices  everywhere  With axle counters and with track  circuits  Systems  without  STD/PS  2  No Secondary System