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 4  4  CBTC Technology  4.1 CBTC Equipment  As defined in FTA Report No. 45, CBTC is a train control system   “using  two‐way communications between  intelligent  trains and wayside computers. An  intelligent  train is defined as a train that can determine its own location and that calculates and enforces safe  operating  speeds without  the use of  track  circuits or wayside  signals.  In CBTC  systems,  the exact  position of a train  is known more accurately  than with  track circuit‐based signaling systems. CBTC  systems also offer opportunities  for  improved  safety and operational performance,  in addition  to  reduced life cycle cost.”  From the definition of CBTC comes the four primary components:  • Train‐borne equipment • Wayside equipment • Data communications equipment • Automatic Train Supervision (ATS) equipment 4.1.1 CBTC Train‐Borne Equipment  CBTC train‐borne equipment consists of one or more processor‐based controllers, associated odometry  and data  communications devices,  and  location determination  sensors.  It  interfaces with major  train  subsystems, wayside, and the ATS equipment via the data communications equipment. It is responsible  for train  location determination, the enforcement of permitted speed and movement authority  limits,  and other allocated train‐borne automatic train protection (ATP) and Automatic Train Operation (ATO)  functions.  4.1.2 CBTC Wayside Equipment  CBTC  wayside  equipment  consists  of  a  network  of  processor‐based  wayside  controllers  installed  at  central  and/or  wayside  locations.  Each  wayside  controller  interfaces  with  the  CBTC  train‐borne  equipment and ATS equipment via the data communications equipment. CBTC wayside equipment also  interfaces  with  external  interlockings,  unless  interlocking  functions  are  included  within  the  CBTC  wayside  equipment.  The  wayside  intelligence  for  CBTC  related  ATP  functions—such  as  movement  authority settings based on the tracking of both CBTC equipped and unequipped trains, as well as other  allocated wayside ATP, ATO, and ATS functions—resides in the CBTC wayside equipment. Train location  determination is a train‐borne function for CBTC equipped trains and a wayside function for unequipped  trains. CBTC wayside equipment also includes any track‐based equipment necessary to provide a unique  absolute positioning reference to the CBTC train‐borne equipment.  4.1.3 CBTC Data Communications Equipment  CBTC  data  communications  equipment  includes  equipment  located  at  the  control  center,  wayside  locations, and onboard the train to support the wayside‐to‐wayside, wayside‐to‐train, train‐to‐wayside,  and  train‐borne  data  communications.  Onboard  equipment  can  also  support  trainline  data  communications for applications featuring multiple carborne controllers. Such data links are capable of  bidirectional  data  transfer  and  feature  sufficient  bandwidth  with  low  latency  needed  to  efficiently  support  all  defined ATS, ATP,  and ATO  functions.  The  communications  protocols  support  timely  and  secure delivery of vital train control messages. 

SECTION 4 – CBTC TECHNOLOGY  5  4.1.4 CBTC ATS Equipment  CBTC ATS equipment  includes equipment  installed at the control center and/or wayside  locations. This  equipment  handles  ATS  (non‐vital)  functions  such  as  identifying,  tracking,  and  displaying  trains,  providing  manual  and  automatic  route  setting  capabilities,  regulating  train  movements  to  maintain  operating  schedules,  and  initiating  temporary  speed  restrictions  and work  zones. ATS  also  interfaces  with other systems such as passenger information systems which indicate when the next train is arriving  at a station.  4.2 CBTC Train Control Modes  Modern  CBTC  can  operate  on  several  different  levels  of  automation  and  control  modes,  typically  tailored  to  specific  preferences  of  a  given  operating  agency.  The  level  of  control  ranges  from  full  automatic  to  manual  operation  with  protection.  This  section  discusses  commonly  adopted  control  modes of CBTC equipped trains.   4.2.1 CBTC Control Modes  The following are the most common CBTC control modes:  Full automatic operation  Whether  fully driverless operation or with  an  attendant present onboard,  the CBTC onboard  system  controls  all  operations,  including  train  movement  and  door  operation.  No  manual  intervention  by  attendant is necessary for normal operations.   Partial automatic operation  An onboard attendant manually initiates train movement by depressing a start button. Upon validation  of  required departure  conditions,  the onboard  controller  controls  the  train movement until  the next  stop. The next stop might be in between stations, behind other trains, or at the next station platform.   Manual driving under CBTC protection  An onboard driver manually controls the train movement while the CBTC system provides ATP, including  speed enforcement. The driver uses  the master  controller of  the  train  to  control  the propulsion  and  brake systems.   4.2.2 Non‐CBTC Control Modes  The following non‐CBTC control modes apply to an individual train and not necessarily to several trains.  The behavior of the following train is not dependent on the control mode of a train. When the train in  non‐CBTC control mode  is  localized by the CBTC system, the following train can close up to  it, as  if the  non‐CBTC control mode train were in CBTC mode.  Manual driving at slow speeds without CBTC protection (Restricted Speed mode)  When  dealing  with  CBTC  system  failures  or  other  specific  operational  conditions,  driver(s)  may  be  authorized  to  move  affected  train(s)  without  CBTC  protection  but  under  enforced  fixed  speed.  The  speed restriction might be enforced by the CBTC system, if available, or by the rolling stock equipment.  Speed  is  limited  to  less  than 25 mph. On systems where STD/PS cannot support  revenue service,  this  mode would be  the only authorized control mode  in  the event of a CBTC  failure.  In  such cases,  train  movement  is  handled  by  operating  procedures  where  there  is  no  desire  to  reach  revenue  service  speeds. 

SECTION 4 – CBTC TECHNOLOGY  6  Manual driving without CBTC protection (bypass mode)  When operating in bypass mode, the attendant has full control of the train, with no speed enforcements  by CBTC. Operation  is  in accordance with the STD/PS,  if there  is one available. Otherwise, this mode  is  for recovery and emergency train movement.  4.2.3 Other CBTC Control Modes  Yard operation  Where yards are under CBTC control but not  fully automated,  train movements can be performed by  manual driving under CBTC protection or manual driving at slow speed without CBTC protection.  Manual driving without CBTC protection – out of CBTC territory  Upon detection that the train has  left the CBTC territory, an onboard controller may be able to switch  over  to  manual  mode  without  the  manual  intervention  by  the  driver.  The  train  control  consists  of  manual driving without CBTC protection.   Manual driving under civil speed enforcement  To mitigate the effect of CBTC system failures or because of a particular CBTC design  in some areas of  the  line,  the  non‐communicating  onboard  controller may  operate  in  a  type  of  degraded mode,  still  capable of enforcing civil speed limits.  4.3 Trends in CBTC Projects Around the World  The CBTC technology has evolved over the past four decades, mainly due to an  increasing demand for  alternatives to address aging signaling infrastructure and to achieve better operational performance. In  addition to greenfield applications, many existing mass transit operations were forced to re‐signal legacy  infrastructure.  Thus,  over  the  past  decade,  brownfield  projects  surpassed  the  amount  of  greenfield  applications.   CBTC brownfield projects currently represent the majority of the CBTC applications (except in Asia)  CBTC  technology  emerged  in  the  1980s  and was mostly  used  for  greenfield  projects  until  the  early  2000s, when brownfield projects become more prevalent. Brownfield projects are highly complicated  and  can  last  for  almost  a  decade  before  completion.  Often,  the  CBTC  architecture  for  brownfield  projects can be influenced by the choice of migration method to CBTC, resulting in the 1.A Category. In  contrast, the use of STD/PS on greenfield type projects is occasional. When used, the STD/PS capabilities  are limited to the 1.B Category.   Axle counter popularity is increasing  As a standalone detection system, axle counters have been in use since the 1960s, mainly in Europe and  parts of Asia, Africa and Australia, but  rarely on North American  transit  systems. Most CBTC  systems  don’t include an STD/PS, and those that do almost exclusively incorporate a track circuit based STD/PS.  It was only recently that axle counter based STD/PS found its way into CBTC projects.   One of the reasons for this original overwhelming preference for track circuit based STD/PS is related to  early diffusion of CBTC  technology  and  target markets.  Two out of  the  three original CBTC  suppliers  were  based  in  France,  a  rail  market  which  has  a  strong  preference  for  track  circuits  and  very  few  networks  equipped with  axle  counters.  The  third original CBTC  supplier, based  in Canada, has had  a  completely different approach to that of  its European counterparts—a CBTC system without STD/PS— and later was the first CBTC supplier to introduce an axle counter based STD/PS. 

SECTION 4 – CBTC TECHNOLOGY  7  The  axle  counters  are  commonly used on brownfield CBTC  type projects  to  facilitate migration  from  legacy systems to CBTC, as those can be fitted and operated independently of existing track circuits. This  eases the conversion process and thereby minimizes the risk of service disruptions.   The industry opts for reduced levels of STD/PS functions  Deploying  a  CBTC  system,  especially  in  a  brownfield  project without  interrupting  passenger  revenue  service,  is very challenging. Despite the experience acquired by suppliers over the past decades, there  have been examples all over the world of projects being delayed or scaled down. The overall complexity  of the system  is one of the main reasons for the difficulties to deploy  it. Eliminating or minimizing the  level of STD/PS is a method to limit re‐signaling project complexity.   In addition, there have been projects where CBTC operates very reliably and thereby reduces the real  use of STD/PS, though transit agencies still ought to maintain it and bear an upkeep cost.   For these reasons, users opt to select an STD/PS with reduced capabilities, able to manage a single non‐ CBTC train but unable to support peak or off‐peak revenue service.  Driverless systems are becoming more popular  There  is  a  recent  trend  around  the  world  for  driverless  systems,  either  greenfield  or  brownfield.  Driverless systems are  less  favorable  to having STD/PS mainly because of  the need  to send personnel  onboard the train to recover from a failure. Though not all new driverless projects are without STD/PS,  one can expect that the proportion of projects without STD/PS will grow along with the progression of  driverless projects.  CBTC suppliers have limited CBTC experience without STD/PS  All industry leading CBTC suppliers have project experience featuring an STD/PS, both with track circuits  and  axle  counters.  However,  not  all  suppliers  have  experience  with  mass  transit  projects  without  STD/PS. There have been only a dozen of such projects without STD/PS in the world.   The survey revealed that, to date, all brownfield CBTC projects feature some form of a STD/PS. In other  words, only greenfield projects have been implemented without STD/PS so far.