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 6  17  STD/PS Considerations  6.1 Consequences of Having an STD/PS  Below are the consequences of a secondary system in a CBTC project:  6.1.1 Investment Effort  A secondary system requires a significant investment effort to deploy. In comparison to deploying CBTC  without STD/PS, a CBTC project with STD/PS requires a higher capital cost and a longer schedule due to:  • More effort to design the STD/PS and the added complexity of integrating the STD/PS with CBTC. • More equipment to purchase and install. Installation is usually the major cost and could be a major impact on the schedule for signaling upgrade projects. • More  tests  in  the  field, with more  issues  to  fix,  in particular at  the  interface between STD/PS and CBTC. • More agency oversight with both CBTC and STD/PS skills with a wider range of expertise. 6.1.2 Maintenance Effort  The  inclusion of STD/PS adds  to  the overall  life cycle cost. Additionally, maintenance  required  for  the  STD/PS throughout the operating life of the new CBTC project is an added expense.  Note  that  one  of  the  arguments  in  favor  of  deploying  CBTC  technology  is  that  CBTC  requires  less  equipment on the track and therefore less maintenance actions by roadway workers. This is also seen as  a method to improve safety for agency personnel. Having an STD/PS which needs maintenance actions  on the track lower this CBTC benefit.   6.1.3 Impact on CBTC Operation Availability  Transit  agencies  have  increased  focus  on  reliability  and  system  availability  during  acquisitions  and  project  development.  The  goal  is  to  achieve  high‐reliability  performance  to  minimize  the  impact  of  equipment failures on revenue service. An  increase  in devices may  include components on or near the  track, which  are  subject  to  adverse weather  conditions  or  damage  by  other maintenance  activities.  Increasing  equipment  count  and  complexity  inherently  implies  more  probable  failures  and  adverse  effects on the availability of the signaling system. The impact on availability can be assessed analytically  using reliability and availability methods. The negative impact on the CBTC operation availability appears  to be one of the most important considerations by transit agencies for limiting the level of STD/PS.  6.1.4 Example of Technical Challenges for Integrating STD/PS in CBTC Project  This section presents some of the reasons why  integration of an STD/PS  in a CBTC project  is complex.  One  of  the  primary  reasons  for  implementing  CBTC  technology  is  to  improve  system  capacity  by  enabling more trains to operate on the same infrastructure. Technically, conventional signaling systems  could be designed to meet performance close to CBTC performance, but it would require a large amount  of wayside equipment to have similar capabilities.  Conventional  signaling  systems  are based on  fixed blocks  and  assume  that  the  train  is  running  at  its  maximum authorized  speed when  calculating  the  safe distance between  two  trains. Block  layout and  signal spacing are based on the worst‐case conditions and therefore the system is generally not optimal  for  operation  under  normal  conditions.  On  the  other  hand,  CBTC,  using  the  exact  location  and 

SECTION 6 – STD/PS CONSIDERATIONS  18  instantaneous speed of the trains, continuously calculates the varying safe separation which results  in  minimum possible distance between two trains at all times.  The conventional signaling system may be capable of enforcing signals at stop, via devices mounted on  the  roadbed. The  train  stop arm activating a  tripcock which opens  the emergency brake  lines on  the  train is one such example. To have the CBTC system provide its optimal train separation, allowing trains  to be closer to each other than the conventional system, the conventional train separation enforcement  system must not affect CBTC trains. The transit agency may also want to avoid the issue of having CBTC  trains passing non‐proceed signals, even if those signals are dedicated for the non‐CBTC trains.  In rare cases, transit agencies have decided that CBTC trains should respect the conventional signaling  system with non‐optimal train separation.  There are several methods to avoid the conventional signaling system impeding on CBTC performance:   • Disable the enforcement system and have a separation signal which is clearly only for the non‐CBTC trains, such as a particular color. • Have  the CBTC  system override  the  enforcement  system  and override  the  signals  so  that  signals present an aspect different  for  the CBTC  trains  than  for  the non‐CBTC  trains. For example, a solid green  indicates  STD/PS  proceed  and  a  flashing  green  indicates  CBTC  proceed.  This  approach increases  not  only  the  complexity  of  the  CBTC  itself  but  also  the  complexity  of  the  secondary system. 6.1.5 Evaluating the Adverse Consequences of STD/PS  One undisputed benefit of having an STD/PS  is  that  it allows operators better management of  trains  during CBTC failures. More sophisticated STD/PS will in turn have the most impact on the baseline CBTC  system, such as:  • High capital investment with deployment of the new/replacement signaling system • Higher maintenance efforts and life cycle cost • Impact on overall  system availability. Having an STD/PS allows continuing  train operation without CBTC or in restricted CBTC modes and therefore it could be said to increase the complete signaling system availability. However, having an STD/PS whose failures affect CBTC operation decreases the probability of continuing to run in CBTC mode. As part of the assessment process, agencies should also consider not having an STD/PS, described in the  next section, and rely on:  • Operating procedures in case of CBTC failure • Equipping work trains with CBTC Depending on  the CBTC  system, operating procedures may  also be needed  to manage  some  STD/PS  failures.  However,  failures  of  STD/PS  are  local  to  a  specific  geographical  area  around  the  failed  equipment, whereas management of failures of the CBTC system implies using operating procedures to  safely move one or more trains over a large portion of the territory.   Table  4  provides  an  example  of  an  evaluation  of  the  impacts  of  an  STD/PS.  The  impacts  are  similar  whether an STD/PS is track circuit or axle counter based. For each type, the STD/PS category is evaluated  using zero percent (0%) where there  is no STD/PS and one hundred percent (100%) where a complete  conventional  signaling  system  capable  of  peak  service  operates.  Note  that  due  to  the  need  for  integration  between  STD/PS  and  CBTC,  the  effort  of  a  complete  conventional  signaling  system  as  a  secondary system to CBTC is higher than only having a complete conventional signaling system alone.  Transit  agencies  considering  a  CBTC  project  may  apply  a  similar  evaluation  approach  based  on  its  experience. Points noted in Table 4 are illustrative and might vary for each transit agency. 

SECTION 6 – STD/PS CONSIDERATIONS  19  Table 4: Examples of STD/PS Drawbacks (percentages are illustrative and will vary depending on system characteristics)  Type  Category  Sub‐category  Investment  effort  (%)  Maintenance  effort  (%)  Impact on  CBTC  operation  availability (%)  Avg  (%)  Systems with  STD/PS  1.A Secondary System capable of revenue service  1.A.1  Secondary System capable of peak revenue service  100  100  100  100  1.A.2  Secondary System capable of off‐peak revenue service  80  80  80  80  1.B Secondary System designed to handle a single non‐CBTC  train  1.B.1 Capable of one train per interstation  40  30  40  36  1.B.2 Capable of one train in between two interlockings 1.B.2.1 With secondary detection method everywhere  40  30  30  33  1.B.2.2 With secondary detection method only at interlocking  20  10  10  13  1.B.3 Without territory specific headway performance  30  30  30  30  Systems  without  STD/PS  2 0  0  0  0  The following chart helps visualize the consequence of implementing an STD/PS for each CBTC category: 

SECTION 6 – STD/PS CONSIDERATIONS  20  Table 5: Level of Consequences of STD/PS – Average effort of deployment and impact on maintenance  and operation (percentages are illustrative and will vary depending on system characteristics)  This graph shows the comparative level of effort required for each type of secondary system.   1. The  difference  between  1.B.2.2 with  detection  equipment  only  at  interlocking  and  the  group  of 1.B.1, 1.B.2.1, and 1.B.3 with detection equipment everywhere  is  relatively  important due  to  the difference  in  the  amount  of  the  equipment  used  for  detection.  The  benefit  of  having  detection equipment everywhere  is  that non‐equipped  trains can be  tracked with accuracy while  in 1.B.2.2, non‐equipped trains can only be tracked with blocks as large as the distance between interlockings. 2. The difference in the level of efforts between 1.B.2.1/1.B.3 and 1.B.1 is low. This explains why there are  few projects  in  the  1.B.2.1/1.B.3 Categories.  For  the  similar  amount of  effort,  the  secondary system can manage a non‐equipped train per interstation with minimal operating procedure. 3. The gap between 1.B.1 and 1.A.2 is significant and explains why it is important to only implement a system capable of peak or off‐peak revenue service when absolutely needed. In summary, the proposed generic example may explain why most new CBTC projects around the world,  greenfield  and  brownfield,  are  selecting  Category  1.B.1.  For  transit  agencies  unwilling  to  operate  without a secondary system, this option allows managing a single train with CBTC failure and work trains  with a relatively low investment on the secondary system.   Though  the  drawbacks  of  STD/PS  are  important  during  the  selection  process,  they  are  not  always  directly influencing the choice of a CBTC system. One of the reasons may be the difficulty in quantifying  the negative impacts.  0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1.A.1 ‐ System capable of peak service 1.A.2 ‐ System capable of off peak service 1.B.1 ‐ System capable of one train per interstation 1.B.2.1 ‐ System capable of one train in between two interlockings ‐ System with detection devices everywhere 1.B.2.2 ‐System capable of one train in between two interlockings ‐ System with detection devices only at interlocking 1.B.3 ‐ Without territory specific headway performance 2 ‐ No Secondary System Average Negative Effects  (Effort of deployment ‐ Impact on operation and maintenance)

SECTION 6 – STD/PS CONSIDERATIONS   21  6.2 Consequences of Having No or Minimal STD/PS  Not having an STD/PS could have the following impacts during initial deployment phases and during  revenue service.   6.2.1 Relying Heavily on Operating Procedures  Handling  of  non‐CBTC  equipped  trains,  and  trains with  CBTC  failure  have  been  very  challenging  for  systems without STD/PS  in  terms of  the  impact on  system availability and operations. For equipment  failures,  as  an  example,  location  tracking  of  trains  with  CBTC  failure  is  not  possible,  which  makes  automatic protection unlikely. In such cases, one must manually ensure:  • Protection of the non‐equipped train or train with CBTC failure from the other CBTC trains. • Protection of CBTC trains from the non‐equipped train or train with CBTC failure. These protections are accomplished at the control center by the ATS system operator. The protections  rely on the ATS operator and train driver managing operating procedures.   Note  that  even  in  projects  with  STD/PS,  handling  trains  with  CBTC  failure  always  requires  relying  partially  on  the  secondary  system  and  partially  on  operating  procedures.  The  level  of  operating  procedure is very minimal in project Categories 1.A and increases in projects in 1.B.1, 1.B.2, and 1.B.3.   Finally, operating procedures  to handle  trains not detected by  the STD/PS  should always be  in place.  Non‐shunting  vehicles,  which  may  include  hi‐rail  vehicles,  for  example,  are  managed  entirely  by  operating procedures, whether an STD/PS is present or not.  6.2.2 Equipping Work Trains  Another consequence of not having STD/PS at all (Category 2) or having projects with low STD/PS level  (Category 1.B.2)  is that the need  for equipping work trains may be more  important. Section 8 – Work  Trains presents the different methods of equipping work trains.