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 5  8  Secondary Train Detection/Protection  Systems   In  the  context of CBTC, a  secondary  train detection/protection  system  (STD/PS)  is a  signaling  system  comprised of, but not limited to:   • A secondary train detection system only, or • Both secondary train detection and secondary train protection systems. As defined in IEEE 1474.1‐2004 – IEEE Standard for CBTC Performance and Functional Requirements, an  STD/PS, also referred to as an auxiliary wayside system, is:  “A back‐up or secondary train control system, capable of providing full or partial ATP for trains not  equipped with train‐borne CBTC equipment and/or trains with partially or totally inoperative train‐ borne CTBC equipment. The auxiliary wayside system may include train‐borne equipment and may  also provide broken rail detection.”  STD/PS  can  support  both  vital  functions  (e.g.  train  separation)  and  non‐vital  functions  (e.g.  route  selection). It is what is usually thought of as “conventional” signaling.  The  term  “secondary”  is  a misnomer,  as  STD/PS usually provides  “primary”  safety  functions  that  are  relied upon by CBTC.  In addition  to  the vital  safety  functions, CBTC may  rely on STD/PS  for non‐vital  functions, such as route selection.  Wayside  systems have  a  long history with  varied  implementation. A  typical  implementation  includes  track circuits, wayside signals, wayside logic, and enforcement devices. A rapid transit application might  include alternating current  track circuits, color‐light  signals,  relay‐based  logic, and wayside  trippers  to  enforce red signals. Variations from this basic application includes:  • Mechanical interlocking machines • Processor‐based wayside logic • Coded  track  circuits  for  cab  signaling  with  onboard  speed  enforcement,  in  which  case  wayside signals and trippers might only be located at interlockings or not at all • Audio frequency track circuits, in which case insulated joints might be eliminated • Axle counters Careful consideration goes into the layout and spacing of STD/PS blocks and signals to achieve safe train  separation and a desired headway based on train performance and authorized speeds. Signals may be  spaced far apart with long blocks where speeds are higher and headways longer; or they may be spaced  closer with shorter blocks where speeds are  lower and headways shorter. For signaling modernization  projects using CBTC, the existing STD/PS may be kept as  is or modified to provide some semblance of  normal service. A modified STD/PS with CBTC may provide longer headway than under full CBTC. This is  usually acceptable since operating under STD/PS‐only operation is a back‐up during CBTC failures or for  unequipped  work  trains,  and  is  not  expected  to  provide  maximum  throughput  under  these  circumstances.  For brownfield projects, the industry survey showed that there have been existing wayside systems that  have remained as is, some that have been modified, and some that have been completely replaced with  the installation of CBTC.   Among the legacy systems replaced by CBTC technology, one finds two systems: conventional signaling  systems which do not use any onboard electronics; and cab signaling which is another type of advanced 

SECTION 5 – SECONDARY TRAIN DETECTION/PROTECTION SYSTEMS  9  train control system using onboard electronics and train‐wayside communications such as coded track  circuits. So far, there have been very few projects  in the world where a CBTC system was replaced by  another, but it is expected to be more frequent as the first CBTC systems reach their end of life. Due to  problems  such  as  space  on  board  the  trains,  obsolescence,  and  availability  of  onboard  electronic  equipment, the secondary systems considered in CBTC projects are conventional signaling systems and  not cab signaling or other type of ATC.   5.1 Detection Systems  5.1.1 Track Circuits  Regardless of the technology used to implement safety principles of STD/PS, the foundation of STD/PS is  train detection, and traditionally this has been the track circuit. The Association of American Railroads  defines a track circuits as:  “An electrical circuit of which the rails of the track form a part.”  A track circuit is a section of track with a source of energy connected across the running rails at one end  of the track section (the “feed” end) and a device that is operated by this energy at the other end of the  track  section.  The  device  has  traditionally  been  an  electromechanical  relay,  so  this  end  of  the  track  circuit is called the “relay” end. Under normal conditions, there is no train or other vehicle occupying the  track section. The energy at the feed end energizes the detection device at the relay end using the rails  as conductors;  the circuit  is closed and  the energized detection device  indicates vacancy of  the  track  circuit. When a train enters the section,  its metal wheels and axles provide a  low‐resistance path from  rail  to  rail  for  the  feed energy, greatly  reducing or eliminating energy at  the  relay end  that would be  available  for  the detection device. The device  then becomes de‐energized and  indicates occupancy of  the  section. The  track  circuit  status  is used by  the  signal  system  to provide  safe  separation between  trains and other safety functions.  Note that under failure conditions, such as a broken wire, disconnected wire, missing feed, blown fuse,  broken  rail,  etc.,  the  circuit  opens.  The  detection  device  de‐energizes  and  indicates  occupancy  even  though  there may not be a  train present. This  is a  safe  failure  since  it will be assumed by  the  signal  system that there is a train occupying the section, keeping other trains a safe distance away.  A track is divided into a continuous sequence of track circuits arranged end‐to‐end. Each circuit may also  be  referred  to  as  a  track  section,  or  section.  One  or  more  track  sections  comprise  a  block  whose  entrance  is governed by a signal. Track circuits are physically and electrically  isolated  from each other  with  insulated  joints  in one or both  rails at each end.  If  insulated  joints are  in both  rails,  impedance  bonds are needed at  track circuit boundaries  to allow  traction  (vehicle motor)  return current  to  flow  unimpeded around the insulated joints.  Early track circuits were powered by batteries and thus used direct current. On electrified railroads, the  running rails of the track are used as the traction current return path to the substation.  If the traction  current is direct current, the track circuit will be alternating current to minimize interference. Instead of  a battery feeding the track circuit, a transformer is used to step‐down the utility supply voltage.  Types of track circuits:  • Direct current  (dc): early  track circuits and  in  remote  locations where utility alternating current  is not available. • Alternating current (ac): where dc traction is used.

SECTION 5 – SECONDARY TRAIN DETECTION/PROTECTION SYSTEMS  10  • Coded: The  steady energy used  in  the non‐coded  track  circuit  is modulated  at  certain  rates. The modulation rates represent wayside‐to‐train  information sent  from  the  feed end  toward receiving equipment on a train for transmission of information such as speed codes in conjunction with non‐ CBTC automatic train control and onboard speed enforcement. • Audio frequency (AF): can eliminate insulated joints. Track circuits are periodically tested by placing a shunt of a certain value across the rails at each end of  the track circuit to ensure that the detection device  indicates occupancy. A typical value of the shunt,  and the value required to be used by Title 49 of the Code of Federal Regulations (CFR) § 236.56, is 0.06  ohms.  Operation  and  adjustment  of  track  circuits  are  affected  by  the  environment, most  notably  the  track  structure  itself. There are electrical  leakage paths between  the  rails  through  the  ties and ballast and  distributed  throughout  the  track  circuit.  This  is  usually  referred  to  simply  as  “ballast  resistance.”  To  energize  the  detection  device  under  vacant  conditions,  a  track  circuit  adjusted  with  low  ballast  resistance  (high  leakage) will need to be driven hard to account for current  lost through the ballast.  If  conditions  change  and  the  ballast  resistance  increases,  the  same  circuit will  be  over‐driven  and  the  detection device may not respond to an occupied condition; this  is an unsafe failure since an occupied  block may  indicate as vacant. A possible  remedy  is  to adjust  the  track circuit under dry  (low  leakage)  conditions.  If  leakage  increases,  the  track  itself may become enough of a  load  to  falsely  indicate  the  presence of a train, but this is a safe‐side failure.  Track circuits can only reliably detect certain types of broken rail.  If the break  is sufficient to separate  the ends of the rail or to introduce sufficient resistance in the rail, the track circuit will open and indicate  occupancy to the signal system. This will set approaching signals to red to protect an approaching train  from  an  incident.  This  is  an  important  feature  of  track  circuits,  especially  when  compared  to  axle  counter detection systems. Reports suggest that most kinds of rail defects still allow sufficient current to  flow and will not be detected by the track circuit.  Title 49 C.F.R. § 236.51 requires track circuits to detect broken or missing rail, in addition to occupancy  by  trains. This  regulation also  recognizes  that some breaks will not be detected, such as between  the  end of rail and the track circuit connector or where bypassed by a rail joint bond.  Unlike  axle  counters  which  require  a  special  initialization  process,  track  circuits  report  the  correct  occupancy  status  immediately and  continuously after being powered up, assuming  they are adjusted  properly and all components and connections are intact.  5.1.2 Axle Counters  Whereas track circuits provide “continuous” detection of trains while any axle is within the section, the  operation of axle counters is “intermittent.” That is, physical detection of trains takes place by detecting  and counting the passage of wheels at the entering and leaving end of the track section or block.  Assuming  the normal state,  the axle counting equipment presumes a given section  to be vacant. As a  train  enters  the  section,  train  wheels  are  detected  and  counted,  and  the  section  now  indicates  as  occupied. When  the  same  number  of wheels  are  detected  leaving  the  section  as  have  entered  the  section,  the  section  indicates  as  vacant.  If,  for  example,  a  car  is  left  behind,  the  number  of wheels  leaving  will  be  less  than  the  number  of  wheels  entering,  and  the  section  will  still  be  considered  occupied.  Wheel  detectors  can  be  installed  in  pairs  to  detect  travel  direction  of  a  train.  This  supports  a  train  reversing movement in the axle counter block and allows exiting the way it entered. Average speed can  be derived by measuring the detection time between two sensors at a known distance apart. 

SECTION 5 – SECONDARY TRAIN DETECTION/PROTECTION SYSTEMS  11  Compared to track circuits, there are few restrictions on the placement of axle counters. Track circuits  use the rails as part of the circuit; axle counters do not. The rails are only used for mechanical mounting  of the wheel detectors. Therefore, there is no concern for ballast leakage or rail resistance; little concern  for traction current interference; no need for modifying the rail (or compromising its structural integrity)  for insulated joints or to connect track wires and impedance bond cables.  Since axle counters do not know  the absolute state of  their  track section when  they are powered up,  there must be an initialization process which involves intervention of humans who know the state of the  section. This must be done only when the section is truly clear and may require field confirmation. This  may  also  require  the  first  train  after  reset  to enter  and  leave  the  track  section—while  sweeping  the  section visually—before accepting the axle counter state as valid.  Manual  intervention might also be needed  in  the case of a disturbed  section, as might happen  if  the  number  of  leaving  wheels  is  more  than  the  number  of  entering  wheels  since  there  cannot  be  a  “negative” number of wheels left behind in the section.  5.2 Protection Functions  Train detection  lays the foundation for train protection. A train being detected  is vitally mandatory for  protection  from a  following  train. An occupied block prevents  the clearing of  signals approaching  the  occupied block. In  interlockings, detection additionally effects certain types of  locking to provide route  integrity, locking of movable rail in the route and under the train, and preventing release of said locking  before it is safe to do so. The following summarizes some of these functions.  5.2.1 Automatic Block Signal System  Between  interlockings, STD/PS provides protection where each signal’s control  is arranged such that  it  will display red if a block in advance is occupied. The spacing between the red signal and the beginning  of the occupied block is sufficient to provide safe braking distance if a train ignores the red and passes it  at maximum speed. The signal will display yellow if the block in advance is vacant, but the next signal in  advance  is red.  It will display green  if the next signal  is permissive (green or yellow); that  is, there  is a  minimum number of blocks  in advance that are vacant such that the train need not reduce speed nor  prepare to reduce speed.  Automatic block signals may also include timers for Grade Time and Station Time controls. Grade Time  controls enforce a maximum average speed in areas of descending grades and curves and is a means of  overspeed protection using conventional signaling technology. Station Time controls support closing‐in  moves  and  allow  signals  in  approach  to  occupied  stations  to  clear  sooner  than would  otherwise  be  permitted,  if  the approaching  train’s average speed  is  low enough.  In CBTC systems, where STD/PS  is  used, the Grade Time and Station Time controls are usually not used.  5.2.2 Interlocking  Where there are controlled signals and movable switches,  interlocking circuits ensure that all switches  are  aligned  properly  and  locked  for  the  desired  route  before  signals  may  be  allowed  to  clear;  no  conflicting routes may be established; no conflicting signals may be cleared; and a cleared signal locks all  switches in the selected route.   • Approach  locking.  In effect when a signal  is requested to clear. Activates route  locking. Delays the release of  route  locking when  the  signal  is  cancelled with  a  train  in  approach.  This prevents  the hazard of a signal being cancelled  in advance of a moving train with the  intention of changing the route and the approaching train not being able to stop before reaching the interlocking. • Route locking. Locks all switches in the requested route. Keeps them locked while a train movement is in progress over the route.

SECTION 5 – SECONDARY TRAIN DETECTION/PROTECTION SYSTEMS  12  • Detector  locking.  Locks  a  switch  while  the  track  section  that  includes  the  switch  is  occupied. Prevents  movement  of  the  switch  where  such  movement  could  cause  a  derailment.  Release  of detector locking is usually delayed to prevent premature unlocking due to momentary loss of shunt across the track circuit. • Traffic  locking. Where  a  single  track  between  two  interlockings  is  used  for movements  in  both directions,  traffic  locking  prevents  conflicting  (head‐on)  movements  into  the  track  against  the established direction. To change the traffic direction, every track section within the traffic territory must be vacant. When  used  with  CBTC,  STD/PS  functions  simultaneously  and  provides  these  safety  functions  for  all  trains,  even  equipped  and  communicating  trains.  CBTC  is  an  overlay  on  STD/PS  and  provides  the  enhanced operations with  closer headway  and  automatic  train operation with  speed  and movement  enforcement. Hence,  parts  of  STD/PS  are  not  quite  “secondary;”  they  are  required  to  provide  basic  interlocking protection  for all  trains, both CBTC and non‐CBTC.  In automatic block  territory,  for CBTC  trains,  the  STD/PS  following‐move  protection  is  overridden  by  the  CBTC  overlay  to  provide  closer  headways and onboard enforcement of train separation.  5.2.3 Methods of Enforcement of STD/PS  Mass transit conventional signaling systems often include a method to stop the train, in case a manually  driven train overruns a signal at stop. The method may be a mechanical device on the roadbed, called a  train stop or tripper. An arm on the roadbed device  is raised when  its associated signal  is at stop. The  raised arm engages a  tripcock on a  train which causes  the  release of brake air pressure on  the  train,  causing an irrevocable emergency stop. The same function may be implemented using a radio frequency  transponder or a magnetic device in the roadbed and a receiver device on the train.   Both  types  of  enforcement  require  equipment  onboard,  underneath  the  train.  Equipping  every  train  with such a device  is a burden that only transit agencies already using the device  in the  legacy system  are willing  to  accept.  The  same method  of  enforcement may  be  used  to  enforce  average  speed  by  incorporating  a  timer  that  represents  an  approach  time  at maximum  authorized  speed.  If  the  train’s  average speed is higher, the train reaches the stopping device before the timer disables it and a stop is  enforced.  For  cab  signaling  systems  the  communication  of  the  authorized  speed  is  through  the  rails  and  is  continuous;  the enforcement  is an onboard  function,  so no other wayside device  is necessary. Trains  using cab signaling may or may not have an additional system able to enforce signals at stop, when the  cab signal is not used. There have been examples of both cases in North America.  5.3 STD/PS Implementations  5.3.1 Categories of Secondary Systems  Based on the industry survey conducted as part of this research, CBTC projects can be grouped into two  major categories: systems that feature STD/PS (Category 1) and systems that do not (Category 2).  Among  the  systems with STD/PS,  there are  two major  subcategories  from a  functional point of view,  those  capable  of  handling  some  level  of  revenue  service  (Category  1.A)  and  those  designed  only  to  handle a single non‐CBTC train (Category 1.B). Non‐CBTC trains can be trains with CBTC failure or trains  not equipped with CBTC, such as work trains.  Within Category 1.A, there are two subcategories. One  identifies STD/PS systems able to manage peak  revenue service (Category 1.A.1) in case of complete CBTC system unavailability or to manage non‐CBTC  equipped trains with revenue service headway performance. The second sub‐category includes systems 

SECTION 5 – SECONDARY TRAIN DETECTION/PROTECTION SYSTEMS  13  capable of an off‐peak level of revenue service (Category 1.A.2), where a reduction in service is possible  during a complete CBTC failure or to manage non‐CBTC equipped trains.  Category  1.B  includes  STD/PS  designed  to  handle  a  single  non‐CBTC  train.  There  are  also  different  subcategories  based  on  performance  desired  when  handling  a  single  non‐CBTC  train.  The  first  sub‐ category  allows  one  single  train  per  interstation  (Category  1.B.1).  Another  sub‐category  includes  managing a single non‐CBTC  train  in between  two  interlockings  (Category 1.B.2).  In  this sub‐category,  there  are  projects  with  secondary  detection  devices  on  the  entire  line  that  allow  tracking  of  non‐ equipped  trains  (Category  1.B.2.1),  or  train  tracking  only  in  the  interlocking  area  (Category  1.B.2.2).  Finally, there is Category 1.B.3 without territory specific headway performance where a non‐CBTC train  is tracked by the CBTC system to allow operation of other CBTC trains around it.   In summary:  Table 3: STD/PS Functional Categories  Type  Category  Sub‐category  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 between two interlockings  1.B.3 Without territory specific headway performance  Systems without  STD/PS  2  No Secondary System  Finally, each sub‐category  is divided  into projects using track circuits and projects using axle counters.  For projects with axle counters, it is common that in addition to the axle counters at an interlocking or  around a  station,  there are  some axle counters used by  the CBTC  system  for  technical  reasons or  for  mitigating a  safety hazard. The axle  counters are usually  located at a wayside controller boundary  to  facilitate  handover  between  controllers  and  at  the  transition  between  non‐CBTC  territory  and  CBTC  territory to detect a non‐CBTC train entering the CBTC territory.  From the industry survey, it can be noted that there was no project with a secondary system capable of  revenue  service  (Category  1.A),  peak  or  off‐peak,  which  was  using  axle  counters.  There  was  no  greenfield project in the Category 1.A with a secondary system capable of revenue service, peak or off‐ peak. Only greenfield projects have CBTC without STD/PS. Greenfield projects do not have the challenge  of  transitioning  to CBTC and  since  they provide a new  service  they are  less  concerned with having a  back‐up  system  to  run  revenue  service,  relying  instead  on  the  high  availability  of  the  CBTC  system  elements.  5.3.2 Graphical Representation  To visualize the type of secondary system layout for each category of project, simplified typical layouts  are presented in this section. Signals are present to show accuracy of control of the trains running under  STD/PS. For the sake of simplicity, enforcement devices are not represented in the following figures.  Category 1.A.1 – Secondary system capable of peak revenue service  • Signals present at interlockings, around stations, and in between stations

• For tr • Secon Category  • Signa • For tr • Less e • Secon Category  per inters • Signa • For tr • Secon Dependin signals on 1.A.2). ains operatin dary detectio 1.A.2 – Secon ls present at  ains operatin quipment in  dary detectio 1.B.1 – Secon tation  ls at interlock ains operatin dary detectio g on  the  tra ly at station g under STD/ n system pre dary system interlockings, g under STD/ between sta n system pre dary system ings and at s g under STD/ n system pre ck  layout  (di s and around PS, signals ar sent everyw Figure  capable of o  around stati PS, signals ar tions than in  sent everyw Figure  designed to tations  PS, signals m sent everyw Figure stance betwe   interlocking SECTIO 14  e usually aut here   1: Category  ff‐peak reve ons, and in b e usually aut Category 1.A here   2: Category   handle a sin ay be autom here   3: Category  en  stations  s may be su N 5 – SECONDAR omatically en 1.A.1  nue service etween stati omatically en .1  1.A.2  gle non‐CBTC atically enfor 1.B.1  and  location fficient  to ru Y TRAIN DETECTIO forced  ons  forced   train, capab ced  s of  the  inte n off‐peak h N/PROTECTION S le of one tra rlockings), h eadway  (Cat YSTEMS  in  aving  egory 

Category  between  • Signa • For tr • Secon Category  between  • Signa • For tr • Secon Category  specific h • No sig • Secon 1.B.2.1 – Sec interlockings ls at interlock ains operatin dary detectio 1.B.2.2 – Sec interlockings ls at interlock ains operatin dary detectio 1.B.3 – Secon eadway perf nals  dary detectio ondary syste , with second ings  g under STD/ n system pre ondary Syste , with second ings  g under STD/ n system pre dary System ormance  n system pre m designed t ary detectio PS, signals ar sent everyw Figure  m designed  ary detectio PS, signals ar sent only at  Figure   designed to sent everyw Figure SECTIO 15  o handle a s n method ev e usually not here  4: Category 1 to handle a s n method on e usually not interlockings 5: Category 1  handle a sin here   6: Category  N 5 – SECONDAR ingle non‐CB erywhere   enforced au .B.2.1 ingle non‐CB ly at interlo  enforced au   .B.2.2 gle non‐CBTC 1.B.3  Y TRAIN DETECTIO TC train, cap tomatically  TC train, cap ckings  tomatically   train, witho N/PROTECTION S able of one t able of one t ut territory  YSTEMS  rain  rain 

SECTION 5 – SECONDARY TRAIN DETECTION/PROTECTION SYSTEMS  16  Category 2 – No STD/PS  • Systems without STD/PS • No secondary detection system Switch position indicators showing the position of switches to manual drivers are usually used when no  interlocking signals are present; however, they are not represented in the following figure.   Figure 7: Category 2