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 12 59 Case Studies 12.1 Port Authority of New York & New Jersey, AirTrain JFK Case Study 12.1.1 AirTrain JFK The AirTrain, operating at John F. Kennedy International Airport (JFK), in New York City, is an 8.1âmile (13 km) driverless fully automated light rail system that provides intraâairport transportation as well as connection between JFK Airport and New York Cityâs mass transit system with stations in Jamaica and Howard Beach, Queens, New York. The system operates a 24/7 service over three lines using 32 Bombardier Innovia light rail cars operating in one to fourâcar trains, and carries about 22 million passengers per year. The project was developed by the Port Authority of New York and New Jersey (PANYNJ), the operator of JFK Airport, and is currently operated by Bombardier Transportation under a maintenance and operations contract. 12.1.2  Background of the Project Construction of the AirTrain JFK commenced in 1998 following the award of a DesignâBuildâOperateâ Maintain (DBOM) contract to a consortium of four firms operating as the AirRail Transit Consortium. The system opened for service in December 2003.  Bombardier Transportation built and supplied the rolling stockâ32 Innovia MKâII single carsâwhereas the signaling system was supplied by Alcatel Canada, now known as Thales Rail Signaling Solutions (TRSS). The rolling stock and signaling system technologies were modelled after the SkyTrain in Vancouver, BC, Canada and the Kelana Jaya Line in Kuala Lumpur, Malaysia. The use of CBTC technology was the preferred and only choice, including a decision not to use any secondary train detection system.  ⢠Award date: May 1998 ⢠Type of project: New line ⢠Revenue service date: December 2003 ⢠Secondary detection system: None ⢠Signaling system supplier: Thales Rail Signaling Solutions 12.1.3  Legacy System AirTrain JFK was a new line that did not replace another rail transportation system. 12.1.4  CBTC System Thalesâ signaling technology used for this project was an evolved version of its first generation of CBTC systems, which has been around since the 1980s, originally developed for the Vancouver SkyTrain. Designed for moving block and full ATO operation, the system relies on continuous trackâmounted inductive loops for communication between carborne and wayside CBTC equipment. Wire cables forming a loop are mounted along the running rails with a transition every 82 feet (25 meters) where carborne equipment detects a phase change. The distance traveled between the phase changes is calculated by a carborne odometry system. Accumulated positioning error is reset at each phase change. The data transmission between loop and carborne CBTC is inductively coupled at 36 kHz and 56 kHz. Unlike the CBTC communication over the radio that has been deployed on many recent CBTC projects, the closed architecture of inductive loops makes any unauthorized access and intrusion to itsÂ
SECTION 12 â CASE STUDIES 60 communications components very difficult; however, their installation and maintenance can be very challenging. In general, inductive loops have limited data communications capacity, and any information other than signaling data cannot be easily added, unlike more recent CBTC projects. At the core of the carborne equipment is the Vehicle Onboard Controller (VOBC). Each car is equipped with one VOBC and antennas which serve as a communications interface to wayside loops. Each VOBC has a dual Control Processing Unit (CPU) that requires both units to agree before commands to the train can be issued. With coupled cars forming a train consist, local VOBCs act independently, but only one assumes control of the train, while others remain in standby mode. Should the active VOBC fail, the system will switch to a standby VOBC which will automatically take control of the train. Other than connections to train lines, there is no communication between train VOBCs. The Vehicle Control Center (VCC) is the wayside portion of the ATC system responsible for handling train movements (via VOBCs) and ensuring safe spacing between the trains. The VCC also controls the movement of switches, and enforces track closures and speed restrictions which may be set by the Control Operators. There are two VCCs, one for the mainline and one for the yard, located at the control center. The VCC communicates with each VOBC at least once per second. Each VCC has three Processing Units (PUs), operating in parallel. Those PUs are monitored by a comparator which ensures that at least two PUs agree on all pertinent safety aspects before the execution of any command.  With only one VCC handling the mainline, failures could lead to systemâwide halts and stoppage of revenue service. In cases of communications loss or a need to recover/reboot the VCC, for example, all trains on the mainline require manual reentry into ATO. This is achieved by driving each train through a designated mainline entry point. One of the recently deployed enhancements to VCC was an addition of an autoârestart feature, a function which allows systemâwide pick up of all trains back to ATO following the system reset, eliminating the need for manual recovery. This works only if no train has been moved (or subjected to other manual intervention) prior to the reboot. As VCC equipment turned out to be very reliable, this function has not been used in years. The systems also features a System Management Center (SMC), which provides a higher level of train management including oversight of VCCs. The SMC also allows the operator to interact with systemâ level service operation management.  The Station Controller System (SCS) is in communication with the VCC, and can command and control switches, platform screen doors, and platform emergency stop buttons, as well as drive switch position indicators. 12.1.5  Secondary Train Detection and Protection Systems AirTrain JFK has no secondary detection or protection system. The only wayside indications are switch position indicators to specify to the driver the switch position when a train is driven manually. 12.1.6  Feedback on the Deployment The project was a greenfield project. All trains started revenue service on the entire system at the same time. 12.1.7 Feedback on Operation As there is no secondary detection and protection system, the CBTC related failures are handled using operational procedures and CBTC management features.  In cases where a failed VOBC cannot be successfully recovered, the affected train must be operated manually and removed from CBTC territory. To facilitate such recoveries and manual driving, the Control Operator assigns and reserves the route which in turn protects the âmanual trainâ by inhibiting any other automatic trains from entering the reserved route. The speed of manual trains is limited to 15Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 61 mph. Given that there are no wayside signals, the driver relies on switch position indicators to confirm switch position.  However, when a failed VOBC can be successfully recovered, the affected train must be manually reentered into ATC by manual driving over âentry pointsâ (loop boundaries).  During the early stages of CBTC deployment, AirTrain JFK had experienced a few onboard controller failures which made the train unable to operate in CBTC mode, but over the years many issues and software bugs have been ironed out, which in the end led to improved overall performance and only a few onboard controller failures per year. VCC functional failures, however, result in a systemâwide halt, and trains cannot be moved until the VCC is recovered. If none of the trains were moved (manually recovered) prior to completing the reboot of the VCC, all affected trains are restored to automatic mode. However, if any train was moved manually, each train must be reentered into ATO.  12.1.8  Feedback on Maintenance Most wayside maintenance work is performed during the nighttime nonâpeak hours while singleâ tracking. The system was designed to include service patterns for trains based on the area in the track that needs repair. Given the VCC architecture, using two out of three voting logic, VCC maintenance, upgrades, and replacement of equipment could be done with minor or no impact to revenue service.  Equipping different maintenance vehicles with CBTC equipment requires the development of specific onboard controllers for each car, which calls for significant development, maintenance, and operating costs. As an alternative, AirTrain JFK designed and built VOBC equipped trailers which can be coupled to different work cars, as needed, and pulled along. The eightâfoot trailer, called a Vehicle Onboard Monitor (VOBM), features its own Uninterruptable Power Supply (UPS) and full VOBC equipment. The system reports localization of the work car which allows protection around it from other trains, confirms that work cars are within the work zone limits, and can block switches when a work car is in the interlocking area, if not already done by the route reservation. The system cannot, however, command or stop the train, as the work car movement remains under the full control of the driver. Movement of a work car is performed at low speeds.  12.1.9  Feedback on the Broken Rail Issue Over its 13 years of operation, AirTrain JFK has not experienced any broken rail events. There are several factors that have contributed to this clean record even though the guideway is elevated and exposed to weather elements throughout the year. The inspection program consists of visual inspections of the rail performed several times a month and during any other regular track maintenance activity. Also, the weight of the running rail is the same as used for heavyârail subway cars, but the stresses are much lower due to the use of light rail cars. Holes in the rails have been noted, but are attributed to negative return. However, the holes are not as numerous as found on systems using track circuits.  As part of the daily preparation for service, a revenue train is used to sweep the guideway and ensure that the system is clear for service. The âsweep trainâ runs in ATO at a reduced speed and is occupied by personnel standing at the front of the train looking outside for anything abnormal, including rail problems.  AirTrain JFK uses a specially designed test vehicle to perform ultrasonic and track geometry inspections on an annual basis. Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 62 12.1.10  Future Projects AirTrain JFK does not have any plans to add any secondary train detection and protection system. In terms of general system performance, AirTrain JFK has incorporated numerous enhancements to its originally deployed CBTC to improve revenue service and optimize the maintenance efforts.  12.1.11  Conclusion Key takeaways from this greenfield driverless airport link case study are summarized below. 1. No secondary detection and protection system. 2. There are CBTC system functions to handle train failures. 3. No broken rail incidents since the introduction of passenger service, largely because of specific system characteristics and due to an effective preventative inspection program. This may suggest that protection against broken rails may be inherent to a system design and complemented with an appropriate inspection program. 4. Reliable wayside controller (VCC) drives the system availability figure. A new feature has been added to the CBTC system which allows a restart of all trains back to ATO mode immediately after VCC reboot/recovery. 5. Recovery of trains with CBTC failure is handled through operating procedures and with the use of some CBTC features. However, handling of halted trains using those two processes is not as efficient as the use of a secondary system. 6. Despite the regular maintenance efforts, onboard CBTC equipment failures are inevitable, although the count is low. This is expected, since there is more onboard CBTC equipment than anywhere else, and because onboard CBTC equipment is subject to a harsher environment. 7. AirTrain JFK has three CBTC equipped trailers which can be attached to a maintenance vehicle before running on the line. In summary, AirTrain JFK has been operating safely and efficiently from its opening date without any type of secondary train detection and protection system. Operating procedures and CBTC features are in place and used when there is a train failure.  12.2 British Columbia Rapid Transit Company Case Study, SkyTrain 12.2.1  British Columbia Rapid Transit Company The British Columbia Rapid Transit Company, Ltd. (BCRTC) is a subsidiary of TransLink, the South Coast British Columbia Transportation Authority which oversees most of the Metro Vancouver regionâs transportation infrastructure and networks. On behalf of TransLink, the BCRTC maintains and operates the West Coast Express commuter service and the SkyTrain light rail rapid transit system.  Launched in 1986, SkyTrain was originally conceived as a legacy project of Expo 86 to showcase the fairâs theme of âTransportation and Communicationâ. The SkyTrain technology, originally known as Advanced Light Rail Transit (ALRT), was developed in the 1980s by the Urban Transportation Development Corporation (UTDC) of Ontario, Canada, now a division of Bombardier Transportation, Inc. The system incorporated driverless moving block automatic train control originally developed for the UâBahnâs Line 4 in West Berlin, Germany (supplied by SEL Canada Ltd., and now a division of Frenchâbased Thales Group) and 114 of UTDCâs light rail cars. Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 63 With successive expansions in 1990, 1994, 2002, and 2016, the agency nearly tripled its original network size to what is now a system of 39 stations and 44 miles (70 km) of revenue track linking downtown Vancouver to the regionâs northeast and south municipalities, using dedicated rightâofâway made up of bridges, tunnels, at grade, and mainly elevated corridors.  Today, SkyTrain provides service to 250,000 daily riders on the Expo, Millennium, and Evergreen Lines using a fleet of three different car generations totaling 340 CBTC equipped vehicles. These trains can operate in configurations of twoâ, fourâ, or sixâcar trains, are capable of automatic coupling/uncoupling (among same car class), and can travel at up to 55 mph (90 km/h). Full ATC operation allows reduced headways as low as 75 seconds.  The original Expo Line was deployed as a CBTC greenfield project, whereas subsequent line expansions were integrated into an existing network via a cutâover approach after rigorous testing and extensive revenue service simulation using existing fleets. Similarly, all newly delivered cars were fitted with carborne CBTC equipment and tested at the carbuilderâs facilities, an approach which allowed quick integration of new fleets into passenger service shortly after delivery.  12.2.2  Background of the CBTC Project Starting in late 1960s through the midâ1970s, local authorities carried out several studies assessing different transportation systems to address the regionâs growth and future transit needs. Some of the early planning efforts looked at the conventional subways but reports concluded that there was not enough patronage to support the large capital investment. As buses were already the backbone of the regionâs transit system, assessment reports recommended major restructuring and expansion of the bus system into the rapidly growing suburbs. Local authorities were conscious about the regionâs rapid growth, and one of its primary objectives was to create a regional rapid transit system which would link the City of Vancouver and larger regional town centers. Plans for a fullâscale light rail rapid transit (LRT) system were well underway, when in the late 1970s it was announced that Vancouver would host Expo 86, a Worldâs Fair with a transportation theme. Expo 86 needed some sort of transportation system to link its two sites on the opposite sides of downtown Vancouver. Following the evaluation of different technologies, the most promising candidate was UTDCâs Intermediate Capacity Transit System (ICTS), then under development, but which ultimately entered service first, in 1985, as an alternative to an earlier proposed light rail link in Scarborough, Ontario.  The ICTS was specifically designed to fill the gap between subway (high capacity, but expensive) and street running LRT (lower cost, but also lower capacity) systems. A fundamental component of ICTS was, therefore, the use of a separated guideway, which, to work in an urban environment, meant building a lightweight, elevated guideway structure, short stations, and use of cars capable of running over sharp curves and steep grades. The ICTS employed light rail cars equipped with Linear Induction Motors (LIM) and steerableâaxle trucks capable of such operation. These cars were initially called ALRTs and were a predecessor to the current Bombardier Innovia Automatic Rapid Transit car series.  To achieve capacity objectives with this infrastructure, it required a signaling system which would support very short headways; this could only be achieved with moving block control and full automation. The selection process involved appraisals of existing computer controlled systems, most of which relied on operators to drive trains. The opinion and preference of the local population was also taken into consideration, favoring technologies which offered automation, safe and reliable systems, and not necessarily manually operated trains. In the end, the choice was made to go with a driverless system and requirements calling for an architecture that could also allow future expansions.  Overall, the ICTS provided a shortâterm solution for Expo 86 and a longâterm solution to downtown and regional transit needs. From that point, it was a simple step to expand the Expo 86 shuttle to a fullâ fledged rapid transit line.Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 64 The contract between provincial and local government representatives and UTDC was signed in 1981 to build Phase I. After two years of planning and engineering, the construction of the system started in 1983 and finished by early 1986, six months ahead of the Expo 86 timetable.  The Expo Line was commissioned and approved for revenue service in late 1986, making it the third driverless greenfield CBTC rapid transit system after Scarborough, ON, and Detroit, MI in North America. ⢠Award date: December 1981 ⢠First revenue service date: 1986 ⢠ATO operation, driverless ⢠CBTC coverage in the yard ⢠CBTC inductive coupling provides communications between wayside and carborne ⢠Secondary system: none Phase II, featuring an expansion of 1.9 miles (3.1 km), was completed in early 1990, followed with Phase IIIâs addition of 2.7 miles (4.3 km) by spring of 1994. As part of Phase II, several enhancements were made to the system based on lessons learned and operational experience gained over the years. The most significant was the implementation of the second generation of ATC which featured newer technologies and allowed for greater flexibility in train control. In the summer of 2002, under the Millennium Line Phase IV and V expansion, an additional 12 miles (20 km) and 13 new stations were integrated into the system, together with 60 new generation MKâII cars. This addition required a complete redesign of and upgrades to the existing Operations and Control Center (OCC), including the enhancements to ATC software to handle the addition of the new MKâII cars. As part of these efforts, a very detailed cutâover plan was designed to minimize the impact on existing revenue service, as it was essential to maintain normal service levels throughout the construction and cutâover phases. To facilitate installation of new equipment to OCC, the control of the entire SkyTrain system and operations were temporarily moved to a Control Operatorâs Training Room for a period of two months. It served as an interim control room until the completion of renovations. The transition proceeded without a glitch or interruptions to passenger service. The cutâover plan also included retraining Control Operators on the new system enhancements and operating procedures.  12.2.3 Legacy System SkyTrain did not replace any legacy rapid transit system, though parts of its alignment were duplicated over the BC Electric Railwayâs decommissioned corridor, abandoned in the 1950s. 12.2.4  CBTC System  All train movements are controlled and managed from the Operations and Maintenance (OMC) center. The SkyTrain system relies on Seltrac CBTC initially supplied by Alcatel Canada. The basis of this train control system was originally developed in Germany for control of both rapid transit and conventional rail systems, however much of the enhancements for the rapid transit application were done by Alcatel, with a significant engineering component designed specifically for SkyTrain. Lessons learned on the Vancouver application have been instrumental on subsequent SkyTrainâlike ATC systems and CBTC projects in Ankara, Turkey; Kuala Lumpur, Malaysia; AirTrain JFK, New York; Las Vegas, Nevada; Beijing, China; and Yongin, South Korea.  The Seltrac CBTC relies on constant data communications between trains and wayside computers to exchange essential train data such as speed, gradient, and station locations. This information is rechecked and verified by vital software algorithms to ensure safety and reliability. The communications link between wayside and carborne controllers is accomplished through high capacity inductive loop data cables laid through the entire length of the guideway in sections averaging 1.2 miles (2 km) in length. At intervals of approximately 82 feet (25 m), the inductive loop cable is transposed to cause aÂ
SECTION 12 â CASE STUDIES 65 phase shift in the signal at each loop crossover. Using onboard antennas, the carborne equipment detects the crossovers and counts them. The information, when combined with odometry signals generated by axleâmounted tachometers, provides a safe, highly accurate train position measurement.  The system uses a moving block train separation principle to keep trains at a safe distance. Portions of track reserved for a single train are adjusted in very small units and are updated as frequently as once per second. Unlike a conventional fixedâblock system, the minimum spacing is speed dependent, with fast moving trains given more stopping room than slow moving trains. This allows maximum capacity while ensuring safety throughout the system. The wayside control is in continuous communication with all trains in all territories. The Vehicle Control Center (VCC) receives position information from each train and calculates the allowed speed and safe stopping points between consecutive trains. Moving trains are therefore constrained to stay within their envelope defined by the speed, braking rate, and available space, so that they do not exceed their respective safe stopping points. Depending on the severity of communications loss between the wayside and carborne controllers, the ATC enforces appropriate failâ safe states, i.e. command emergency braking to nonâcommunicating trains, temporary speed reduction to indirectly affected but otherwise communicating trains, or halt all trains until the issue is resolved.  12.2.5  Secondary Train Detection and Protection Systems SkyTrainâs network does not have a secondary detection or protection system nor any conventional signals on the wayside. 12.2.6  Feedback on the Deployment The original SkyTrain Expo Line and ensuing expansions are greenfield CBTC projects which had both wayside and carborne CBTC deployed at the same time. One of SkyTrain's keys to success was that its construction schedule was carefully planned from the start by transit professionals, not by contractors or vendors. This management allowed ensuing work to proceed with minimum delays. When an unforeseen issue developed during the deployment, the alternatives were carefully evaluated and implemented.  In late 2016, SkyTrain added 28 new third generation fourâcar trains to alleviate capacity needs on the Expo and Millennium Lines. The cars were delivered in time for the opening of the Evergreen extension to the Millennium Line, featuring 6.8 miles (11 km) of new track and 7 stations.  12.2.7  Feedback on Operation As part of the onboard redundancy scheme, older fleets feature a computer controller, known as a Vehicle Onboard Control (VOBC), in each car; whereas recently delivered MKâIII fourâcar trains only have two VOBCs. In a multiâcar train consist, any of the VOBCs can control the train (in the form a masterâ slave arrangement). The master VOBC is typically assigned automatically by the system upon the trainâs entry to ATO mode, but if needed the Control Operator can manually command a switchover to any other available VOBCs on that train. The master VOBC will continuously monitor and report train position, its speed, and general conditions to the VCC; in response to VCC commands, the master VOBC controls train movement by commanding acceleration, braking, direction of travel, door control, and emergency braking. When the active VOBC detects a loss of communication with VCC for more than 3.3 seconds, or longer than 56 feet (17 m), it will âhaltâ and respond in a failâsafe manner by applying emergency brakes. However, if there is an operational VOBC on any other car of the same train, before the emergency brake takes place, the system will hand over control to a standby VOBC, thereby allowing the system to resume normal operation. If emergency brakes are applied due to a halt, then manual intervention is required to reset the system, and/or drive the faulted train manually at low speed, until the automatic train control can be reestablished. Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 66 Over the years, it was found that one of the most severe disruptions to CBTC communications were those related to intermittent ground faults (arcing) on traction motors. Though infrequent, such events can generate powerful local electromagnetic interference (EMI) which in turn can disturb communications not just locally, but on other trains within range. In cases where failed or halted VOCBs cannot be successfully restored or recovered, the affected train must be operated manually and removed from the CBTC territory. Manual driving of nonâcommunicating trains is governed and enforced by recovery procedures, managed and executed by the control center and field staff. The Vehicle Control Center (VCC) is the wayside portion of the ATC system responsible for handling train movements (via VOBCs) and ensuring safe spacing between the trains. The VCC also controls the movement of switches and enforces track closures and speed restrictions which may be set by the Control Operators. There are six VCCs: four covering the Expo, Millennium, and Evergreen Lines, and two for the yard. The VCC normally communicates with each train at least once every second, with each VCC capable of controlling up to 125 trains in a variety of 2â, 4â, or 6âcar consists. During peak service, 55 trains run on an average of 108 seconds apart on the Expo Line and 324 seconds on the Millennium Line. During offâpeak hours, trains run between three to eight minutes apart depending on the line. All six VCCs are located at the OMC. Each VCC has three Central Processing Units (CPUs) operating in parallel and monitored by a comparator which ensures that at least two CPUs agree on all safety related actions before executing any commands. In the event of a discrepancy that cannot be reconciled by an elaborate set of redundancy, plausibility, and consistency checks, the conflicting CPU is automatically shut down until it can be reinitialized or repaired. If the VCC fails completely, all trains in its territory will timeout due to loss of communications and stop moving. Though this is an extremely low probability event, all trains within this VCC territory must be manually driven and reentered one by one back into the ATO which could take some time before the system is restored to normal. In recent years, the VCCâs hardware and software has been updated and enhanced to incorporate line expansions and introduce more powerful CPUs. One of the scheduled enhancements to VCC will include an autoârestart component to pick up all trains automatically following the system reset, eliminating the need for manual reentry of trains described above. The System Management Center (SMC) provides a higher level of train management and regulation, and spans all the VCCs. This includes the operation of scheduled service, incorporating automatic train launching and reduction in train service, speed regulation, and station dwell times in accordance with planned operating schedules. The SMC also drives graphic interfaces which show track, mainline status, and locations of trains. Using SMC, Control Operators can run extra trains to manage failures or emergencies, as well as command train maneuvers within the yard. The train arrivals and departures are logged to allow subsequent verification of service delivery and analysis of problems affecting service. Over time, SMC hardware and software have been enhanced to incorporate line expansions and introduce more powerful operating systems. One of the upcoming enhancements to SMC will allow separation of vital systems, so that if one system fails, the problem can be contained so that it does not impede other systems. As the industry is moving toward radioâbased CBTC, Thales Solutions proposed to SkyTrain to overlay inductive loop technology with a backâup system using radio and Zone Controllers. The two systems would work in parallel and independently, with trains picking and communicating with either one. In case of failures, for example, the system should default to the one that is healthy and available, thereby allowing uninterrupted revenue operation.  12.2.8  Feedback on Maintenance Fleet The SkyTrain utilizes standard types of railroad work cars consisting of different sizes and lengths of work trailers. None of these cars is equipped with CBTC and their movement on the mainline is exclusively handled by operating procedures. SkyTrain service shuts down late at night, and maintenance crews have a fourâhour window to access the tracks to perform necessary inspections andÂ
SECTION 12 â CASE STUDIES 67 repairs. The manually driven work cars get access to the mainline after the last revenue train has left service.  Though strictly presented as an abstract, SkyTrain has evaluated an idea of using a frequency jammer fitted to a work car which could be used near the work zone boundaries to jam CBTC communications and inhibit the operations of CBTC trains within the work zone, in case work trains need to go on the mainline during regular service.  SkyTrain does not intend to incorporate any form of CBTC to work trains, even a degraded CBTC version for tracking purposes. 12.2.9  Feedback Regarding the Broken Rail Issue SkyTrain uses a local inspection company experienced in general NonâDestructive Testing (NDT) methods to inspect its running rails. The contractor utilizes a custom built, slow moving push cart to perform ultrasonic inspection of running rail at regularly scheduled intervals every 24 months. In case of unclear or incomplete readings, technicians will recheck questionable areas using the hand scanners.  Over the last 30 years of operations, SkyTrain has had an extremely low count of running rail problems. One of the reasons is that system uses light axle loads on 115âpound rail. Historically, there was one incident of broken rail and three cases of serious cracks. The sole broken rail incident occurred early in the fourth year of the systemâs operation during a harsh winter; the fracture took place next to a thermite weld. Ensuing investigation attributed the incident to rail being laid too hot and forces pulling the rail apart (shown by the completely vertical brittleâlooking fracture). The three serious cracks identified during the regular inspections were associated with the weld repairs to rail head spalls. As part of the daily preparations for service, the very first train of the day that enters the mainline is used to âsweep the systemâ and ensure that the guideway is clear for service. The sweep train runs in ATO at a restricted speed and is occupied by SkyTrain Field Operation personnel standing at the lead end of train looking outside for anything unusual, e.g. debris and general condition of the running rail. In case of spotted abnormalities, the personnel would then activate the emergency stop button and cause the sweep train to stop.  12.2.10  Conclusion: Key takeaways from this greenfield driverless case study are the following: 1. High redundancy of CBTC carborne equipment allows SkyTrain trains to operate with minimum interruption in cases of local carborne failures. 2. A driverless CBTC architecture without STD/PS, featuring a multiple carborne redundancy scheme, ensures high system availability on one side, but adds to the projectâs overall life cycle cost. 3. SkyTrain is in the process of integrating new functions to VCC software to mitigate train recovery after VCC failures (similar to the one at JFK AirTrain). 4. Work cars are not equipped with any kind of CBTC and this seems to work fine as work cars do not enter mainline before the shutdown of revenue service. 5. Inspection of running rail is carried out through regularly scheduled inspection intervals using industry recommended test procedures and tools. Conducting daily sweeps of the mainline help with detection of track abnormalities. 6. SkyTrain does not feature any conventional wayside signals; therefore, recovery of trains with CBTC failure or systemâwide failures are strictly handled using the operating procedures. SkyTrain is generally satisfied with its CBTC signaling technology and underlying architecture. Over the years, SkyTrain incorporated several changes and enhancements to the original Seltrac system whichÂ
SECTION 12 â CASE STUDIES 68 made it more reliable and flexible. Additional specific changes are being planned to make the system more robust and service SkyTrainâs specific operating needs. An STD/PS was not part of the original technical specification nor ever considered subsequently. Given the systemâs high redundancy scheme and maintenance access to track during nightly off hours, it can be asserted that STD/PS would not bring much value for the investment, if any. 12.3 New York City Transit Case Study, Canarsie and Flushing Lines 12.3.1  New York City Transit The New York City Transit (NYCT) Subway is a heavyârail rapid transit system, connecting four New York City boroughs  ̶ Manhattan, Brooklyn, Queens, and the Bronx. NYCT Subway is a subsidiary of the stateâ run Metropolitan Transportation Authority (MTA) of New York.  NYCT Subway is the largest and busiest rail transit system in North America. The agency operates a 24/7 service on 25 lines and 469 stations with an average daily ridership of 5.7 million passengers. The system consists of tunnels under the East River, subway, and elevated corridors covering over 660 miles of revenue track. It relies on Automatic Block Signaling, using approximately 10,675 fixed wayside signals (and automatic train stops), to safely control operation of more than 6,400 revenue and nonârevenue rail vehicles.  As part of the agency's extensive modernization initiative to include new technologies in its system, in 1997 NYCT Subway approved a CBTC pilot test on the 11âmile selfâcontained Canarsie Line (L). The project was awarded to Matra Transport International, now Siemens MobilityâRail Automation (Châtillon, France). The installation and testing of CBTC began in early 2000 and was commissioned for revenue service by the end of 2006. Currently, the Lâservice on the Canarsie Line operates 25 trains an hour, an achievement that would not be possible without CBTC technology.  Subsequently, in late 2009, NYCT Subway awarded a contract to Thales Transportation Solutions (Toronto, ON, Canada) to install CBTC on the Flushing Line (7) service, which like the L line is also a selfâ contained subway line with no revenue connections to other lines. The installation of the CBTC system is ongoing and started revenue service in February 2017. Recently delivered Râ188 cars were delivered as a CBTCâready fleet to accommodate requirements for the upcoming CBTC migration project. 12.3.2  Background of the CBTC Projects NYCT Subwayâs decision to adopt CBTC technology was made after an extensive technologies assessment study which found CBTC to be one of the most suitable solutions for the agencyâs short and longâterm needs, offering shorter headways, greater operational flexibility, enhanced safety, lower life cycle costs, and minimal operational disruptions during implementation. The study also included recommendations on implementation strategies and proposed that the new signaling technology be proven through a pilot project on the Canarsie Line, one of the only two lines in the NYCT Subway system that is selfâcontained, with rightâofâway not shared with other lines. Shared routes add complexity to functional requirements, and this 11âmile long twoâtrack line, connecting 8th Avenue in Manhattan to the Rockaway Parkway station in Canarsie, Brooklyn, with its 24 stations and 7 interlockings, provided an excellent representation of the NYCT system as a whole, with elevated and subway corridors and tunnels under the East River.  Though defined as a pilot, the Canarsie Line CBTC project had multiple objectives, including reâsignaling of the line, developing new acquisition processes to better manage high tech projects, and developing the CBTC interoperability requirements for all future CBTC projects. As part of the implementationÂ
SECTION 12 â CASE STUDIES 69 strategy, NYCT shortlisted wellâestablished signaling suppliers, and asked for a demonstration of their respective CBTC technologies on a designated test track. The results of these trial tests were later used to determine technical and project management proposals, and to conduct system safety audits, as part of the efforts to select the most appropriate CBTC technology for NYCT. In December 1999, the CBTC signaling contract was awarded to several contractors, who formed a âCBTC Joint Ventureâ to design, furnish, install, test, and commission the system. Installing the new system meant mounting radio transmitters on the trains, and wayside. The Canarsie Line CBTC architecture incorporates an STD/PS. The deployment of CBTC was coordinated with procurement of Râ143 cars, which were delivered as CBTCâready cars, but had entered revenue service approximately one year before the CBTC equipment was delivered and installed. This CBTC "readiness" involved the provision of space, mounting brackets, power capacity, wiring, and cables. By the end of the project, an additional 20 Râ160 fourâcar train units were also equipped with CBTC. Currently, the service on the Canarsie Line is supported by 59 CBTC equipped train units.  The Canarsie Lineâs CBTC system was commissioned and approved for revenue service by late 2006, making it the first brownfield CBTC project to be deployed on a North American mass transit system. Canarsie Lineâs quick facts: ⢠Award date: December 1999 ⢠First revenue service date: 2006 ⢠Last revenue inâservice date: 2010 ⢠Secondary Detection Method: track circuits The modernization of the Flushing Line started in November 2012 and, at the time of writing this report, the anticipated completion date is planned for the second quarter of 2017. The Flushing Line (7) provides both local and express service (express service only during peak hours and in peak direction) between the Main Street Station in Flushing, Queens and 34th Street â Hudson Yards Station in Chelsea, Manhattan. This is a 10.8âmile long, underground and elevated corridor consisting of two and three tracks, featuring 22 stations and 6 interlockings. The 7 Line is one of NYCTâs busiest lines in terms of frequency, with more than 620 one way train trips each day, and more than half a million riders on an average weekday.  The deployment of CBTC on the Flushing Line has been coordinated with the purchase of the new Râ188 cars for the AâDivision. The 92 train units, configured as fiveâ and sixâcar units, came equipped with CBTC. Prior to signal modernization, the service on the Flushing Line was limited to 27 trains per hour, given the constraints imposed by the legacy signaling system and limitations at the Times Square terminal. However, the combination of CBTC and recent line extension (from Times Square to 34th Street â Hudson Yards station) allowed an increase in service by two additional trains per hour, or a 7% increase in capacity. Flushing Lineâs quick facts:  ⢠Award date: June 2010 ⢠First revenue service date: 2017 ⢠Secondary detection method: track circuits Both Canarsie and Flushing Line CBTC systems are integrated with an STD/PS to allow mixedâmode operation of CBTC equipped trains and operation of unequipped trains in CBTC territories using signal protection. The CBTC and STD/PS are treated as one integrated train control system, with no conflict and/or arbitration between the CBTC and STD/PS functionality during failures or degraded mode operations. Additionally, the STD/PS is also used to provide broken rail detection.  When traveling through the CBTC territories, CBTC equipped trains can operate in several modes including ATO, ATP Manual, and Yard mode. To enable an additional degree of protection, there areÂ
SECTION 12 â CASE STUDIES 70 several (degraded) operating modes available for operations that include handling of CBTC subsystem failures. When in Yard mode, for example, the CBTC enforces safe operation through powerâoperated track switches installed throughout the Canarsie and Corona yards. When traveling within CBTC territory under failure conditions, the CBTC equipped trains can be moved and operated using conventional wayside signaling, with the onboard CBTC equipment set to one of the degraded operating modes, thereby minimizing the adverse impacts on the lineâs service.  Though equipped by two different CBTC suppliers, both Canarsie and Flushing CBTC systems feature the following:  ⢠ATO and manual operation under CBTC supervision are possible ⢠CBTC coverage in the yard ⢠Brownfield projects (CBTC added to wayside signaling which remains as STD/PS) ⢠CBTC communications between wayside and carborne using 2.4 GHz cellular radio on the Canarsie Line and 2.4 GHz WiâFi on the Flushing Line. 12.3.3  Legacy System NYCT uses conventional wayside signaling with track circuits for detection and mechanical train stop enforcement of signals. Trains are operated manually on wayside signal authority.  12.3.4  Secondary Train Detection and Protection Systems As part of the technology assessment, it was recommended to retain the track circuits not only as a method of detection for the STD/PS, but to provide protection for nonâequipped revenue cars, and work fleets. Retaining the track circuits, though modified into larger blocks, and integrating them into CBTC offered a fallback system which allowed minimal interruption of revenue service in cases of CBTC, carborne, or wayside failures. The STD/PS is also used for detection of broken rail conditions. The use of axle counters was not considered, given prior NYCT difficulties with them in the 1990s. There are some fundamental differences between STD/PS used on the Canarsie and Flushing Lines. Historically, and before the CBTC deployment, the ridership on the Canarsie Line was low compared to the rest of network, with prediction of no significant future increase, which in turn influenced some of the early decisions concerning the specifics (capacity) of STD/PS as part of CBTC. However, the ridership numbers on the Canarsie Line have increased drastically over the past 10 years. Given those early decisions, most block signals north of Broadway Junction were removed, leaving larger blocks as part of the STD/PS design to handle failures. On the other hand, all the block signals south of Broadway Junction were left intact to accommodate transfer of nonâequipped trains between yards and other routes. Given the larger block size, any train failure north of Broadway Junction and subsequent recovery leads to a degraded revenue service (larger headways). There are plans, however, to introduce additional signals to reduce the size of the blocks north of Broadway Junction. The ridership on the Flushing Line is large compared to that of other network routes and thus the fallback capabilities were designed to support the CBTCâequivalent headways. STD/PS is designed for about a 5âminute headway.  Also, the Flushing Line features much narrower platforms than Canarsieâs, for example, and the fallback system of shorter headways is needed to mitigate the platform overcrowding in case of CBTC failures. Track circuit blocks are often longer on the CBTC lines than on other routes. To facilitate migration, and in particular, during testing phases, some of the track circuitsâ boundaries were kept the same, where one single track circuit replaces several previous track circuits.Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 71 The Canarsie and Flushing Lines feature relayâbased interlockings, with few exceptions for processorâ based interlockings. Most the interlockings were renewed and brought up to NYCT CBTC standards before the deployment of the actual CBTC project. 12.3.5  Feedback on the Deployment Deployment of the Canarsie CBTC involved various intermediate steps. In general, the details of the migration plan evolved as the project progressed, but the overall core cutâover strategy has remained intact: the legacy and new systems needed to work together during the intermediate stages, in which the nonâequipped trains would progressively transition into the CBTC equipped fleet, and until such time when the new control system would be able to take control over the line.  Disruptions to passenger service during the installation, testing, commissioning, and early service operation of the new system were to be kept to a minimum. To achieve this, the legacy track circuit system had to be retained to ensure train detection and protection for both nonâequipped and CBTC equipped trains. Hence, existing signals, and in some cases the addition of new ones, were used to facilitate the deployment. Eventually, signals and other assets used to support the cutâover phases were removed. The approach allowed integration of CBTC on a perâsection basis and allowed mixedâmode operation until gradually all trains were CBTC operational.  This approach also involved an option to isolate CBTC from the relayâbased interlockings. For example, the Zone Controller outputs were disconnected in the relay room until CBTC was commissioned. For testing purposes, the specific Zone Controller outputs could be connected to validate and stress the system. NYCTâs Zone Controller outputs are grouped on a perâtrack basis, so that individual tracks can be tested, thereby minimizing impact on passenger service.  As the Canarsie Lineâs CBTC was capable of mixedâmode operation, the deployment and equipping of the new Râ143 cars was handled in gradual steps. Not all trains serving the line were equipped prior to the start of CBTC operation. Additionally, to standardize future CBTC carborne interfaces, the Râ143 carbuilder and all potential CBTC suppliers had to set and agree upon carborne CBTC interfaces that could accommodate use of CBTC equipment from any of the CBTC suppliers. In the end, the main differences in the system architecture between the CBTC suppliers was in the number and the type of positioning/odometry sensors, i.e. tachometers, speed sensors, Doppler radars, transponder interrogator antennas, etc. 12.3.6  Feedback on Operation Wayside Zone Controllers are installed in technical rooms along the route, and feature full redundancy with overlapping coverage to help mitigate failures. In the event of double Zone Controller failures, i.e. complete loss of redundancy, the system is designed to default to STD/PS. In case of double Zone Controller failures on the Canarsie Line north of Broadway Junction for example, the system would switch over to an absolute block protection with no more than one train per interstation. Whereas in case of failures south of Broadway Junction, the system would switch over to STD/PS, and train movement would resume under the secondary train control protection. Double Zone Controller failures on the Flushing Line are handled by switching to STD/PS. In general, double Zone Controller failures are an extremely rare occurrence. The NYCT CBTC system features a specific function which is used to mitigate the impact of secondary system failures to the CBTC operation. This function is called Restricted Authority (RA). In case of failures involving track circuits, signals, or train stops, or in case the status of equipment becomes unavailable to the CBTC system, the ATS operator at the control center can issue the RA command which allows CBTC trains to continue operation over the failed equipment. Trains operating under RA can only be operated in manual mode under CBTC supervision and can only move at restricted speed over the affected area.Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 72 Another NYCTâspecific feature is civil speed protection used to handle cases of communications loss between carborne and wayside Zone Controller, or complete Zone Controller failure but otherwise healthy Carborne Controller (i.e. train localization is valid). Though an extremely low probability event, under such circumstances, the system can operate using the STD/PS with full civil speed protection enforced by carborne CBTC. Onboard Communications Units are installed on each train car and feature full redundancy. In the event of double Carbone Controller failures, the system drops out of CBTC and applies the emergency brakes. Though a rare occurrence, a train with CBTC failure which cannot be restored back to CBTC is switched over to Restricted Manual mode, under which train speed is limited to 10 mph, or to bypass mode which has no speed limitation. The affected train can then be moved under STD/PS. There are, however, frequent cases where CBTC issues or operational events result in an emergency brake application, but following a quick recovery procedure, the train can resume operating in CBTC. 12.3.7  Feedback on Maintenance Fleet The NYCT work cars are not equipped with CBTC, and their movement on the CBTC equipped lines is handled by STD/PS. As part of the long term planning, NYCT Subway intends to incorporate a degraded version of CBTC tracking of work trains. Currently, defining the length of the work train is the single largest problem as NYCT utilizes different train lengths. Two out of four Track Geometry Cars (TGC) are the only nonârevenue trains currently equipped with CBTC. These two TGCs have full CBTC capability except running in ATO mode. Equipping the TGCs was part of the project following the Canarsie Line CBTC. TGCs frequently run over the entire network, and as such will likely require future upgrades as the agency moves forward with the CBTC program on other routes.  12.3.8  Feedback Regarding the Broken Rail Issue NYCT Subway practices the same broken rail inspection program across its network, whether CBTC equipped or not. This consists of visual inspection every 30 days and ultrasonic and thermal imagery inspection every 90 days. The inspection program proved to be efficient and it has not needed much optimization over the years. In addition, NYCT Subway maintenance personnel perform regularly scheduled maintenance of both running rail and track circuits, which helps identify significant portions of compromised rail.  12.3.9  Conclusion Key takeaways from this case study: 1. NYCT deployed its first CBTC project on the Canarsie Line. Although defined as a pilot project, the Canarsie CBTC had achieved multiple objectives, including reâsignaling of the line, development of new acquisition processes to manage high tech projects, and development of interoperability requirements for future CBTC projects. 2. Experience gained on the Canarsie Line project, including proof of CBTC architecture featuring a track circuit based secondary system, was later carried over to other lines and subsequent CBCT projects. 3. The mixedâmode operations requirement is the primary and essential driver for STD/PS. It also serves to facilitate transition to CBTC and intermediate cutâovers over different geographical sections, and allows the same level of throughput as before CBTC. As a secondary benefit, the STD/PS also acts as a fallback system to minimize service disruption in cases of failures on a very busy network.
SECTION 12 â CASE STUDIES 73 4. On the Canarsie Line, the STD/PS is capable of supporting operation of nonâequipped trains (running in degraded service) and handling troubled CBTC equipped trains, but not full revenue service in these cases. 5. Historically, NYCT has had good experience with the use of track circuits, and therefore they were selected for STD/PS. Also, keeping the same type of equipment helped facilitate the transition to CBTC. 6. A Restricted Authority function allows continuing CBTC operation at restricted speed over failed STD/PS equipment such as track circuits, train stops, and signals. NYCT decided to have a backâup system in their CBTC project and to keep track circuits as the method of detection. The high ridership was the main reason to have a backâup system. The agency is familiar with track circuits and had no issues with them so they were kept in the new signaling system.  Even though the CBTC architecture with track circuits, train stops, and signals as fallback is the same on both CBTC lines, the depth of the STD/PS is not the same on both lines. It is not even the same on all parts of the Canarsie Line. It should also be noted that interlocking and CBTC projects are kept separated. The NYCT CBTC specification is compatible with full STD/PS capable of revenue service headway and with lower levels of STD/PS. This feature allows NYCT to adapt depending on the area and to modify the STD/PS as needed in the future.  12.4 Port Authority TransâHudson Case Study, Positive Train Control 12.4.1  Port Authority TransâHudson (PATH) The Port Authority TransâHudson (PATH) is a heavyârail rapid transit railroad which provides interstate transit service between Manhattan in New York City and surrounding New Jersey municipalities. PATH is a subsidiary of the Port Authority of New York and New Jersey (PANYNJ), a regional biâstate authority of New York and New Jersey which oversees the regionâs intrastate transportation infrastructure.  PATH operates a 24/7 service over four interwoven lines, using 350 Kawasaki Rail Car Inc. (KRC) cars configured in sevenâ or eightâcar trains, depending on the line. The 14âmileâlong system features 13 stations, tunnels under the Hudson River, elevated and at grade tracks, carrying on average of about 250,000 passengers per day. The four lines share common tracks and junction points, which complicates junction management. On board the train, there is one Train Engineer responsible for driving the train and one Train Conductor responsible for all other tasks, including door operation and passenger interaction. Though a rapid transit system, PATH is subject to FRA rules, including 49 CFR Part 236, as well as the Rail Safety Improvement Act (RSIA) of 2008, including the mandate to deploy Positive Train Control.  Recently delivered PAâ5 cars were designed as a CBTCâready fleet to accommodate installation of a CBTC system. 12.4.2  Background of the CBTC Project PATH was preparing to replace its aging signaling system (which was nearing its useful service life and becoming difficult to maintain due to obsolescence of parts) with CBTC technology when the FRA issued the Positive Train Control mandate. CBTC includes the main Positive Train Control (PTC) requirements and it was agreed with the FRA that CBTC was going to be used for meeting the PTC mandate. In December 2009, PATH awarded the signaling modernization contract to a consortium led by Siemens Mobility to install CBTC, including the ATS system at the control center.Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 74 PATH project summary: ⢠Award date: December 2009 ⢠First revenue service date: Expected in 2017 ⢠Entire Line under CBTC: Expected in 2018 ⢠Secondary detection system: track circuits ⢠Secondary protection system: signals with overlapping control lines and train stops to enforce signals, implemented with processorâbased interlockings integrated with CBTC ⢠Signaling system supplier: Siemens Mobility 12.4.3  Legacy System The legacy system is based on fixedâblock wayside signals enforced by mechanical train stops. Train detection is achieved using track circuits. Several types of signals are used to govern interlockings, provide train separation and enforce train speed at certain locations through timer logic. All switch machines and train stops are electroâpneumatic. All vital circuits are relayâbased, except those between the World Trade Center and Exchange Place. These were changed to processorâbased circuits after the September 11, 2001 attacks on the World Trade Center station caused severe damage to that portion of the system. Nonâvital circuits are a mix of relays and processors. The performance of the legacy signaling system can meet the current demands with trains as close as 2 minutes apart.  Traction power is supplied by a covered third rail at a nominal 650 VDC. Track circuits use alternating current and operate at various power frequencies: 25 Hz in the tunnel portion using the original Hudson & Manhattan Railroad 25 Hz signal power distribution system; 60 Hz for newer installations; and  91â2/3 Hz in the outdoor portion to avoid harmonic interference from the adjacent Northeast Corridor. Most track circuits are of the doubleârail type with impedance bonds. 12.4.4 Secondary Train Detection and Protection Systems PATH has selected the new signaling system with a full STD/PS capable of offâpeak revenue service on the entire system in both directions. The secondary detection and protection system uses track circuits and wayside signals, which are present at interlockings and in between interlockings for train separation.  Two different types of track circuits are used: jointless audio frequency (AF) track circuits and power frequency (PF) track circuits. AF track circuits avoid the necessity to install and maintain insulated joints and impedance bonds. Since jointless track circuits could not be implemented everywhere, PF track circuits are also used, mainly at interlockings. One of the reasons to maintain track circuits is that PATH is under FRA jurisdiction and the FRA requires broken rail detection by track circuits.  The two main reasons for requiring a full secondary system is the need for a fallback system and caution in the implementation of a new technology. The reasons for the caution toward CBTC could be that at the time of selection, there was only one heavyârail CBTC project in the entire countryâthe NYCT Canarsie Line projectâand there was not enough data to attest to the availability and reliability of such a system.  12.4.5  Feedback on the Deployment Deployment of the CBTC system on the PATH network has proven to be much more challenging than expected. There are several reasons for this, but one related to the case study is that the new secondary system did not replace the legacy signaling system in kind. The block design and the signaling principles were completely renewed during the project. The new system was designed with fewer signals and fewer track circuits than the legacy system to optimize installation and maintenance costs. Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 75 The deployment is being made section by section on the network. On the first section, almost all signals were kept to mitigate early CBTC failures. However, on other sections, some signals were removed.  Equipment for all trains will be installed before commissioning the first section. 12.4.6  Feedback on Operation At the time of the case study, CBTC operation in revenue service has not started yet. However, STD/PS in the first section is in service without CBTC. CBTC operation will be possible in automatic mode and in manual mode under CBTC supervision. Both the Train Engineer and the Train Conductor will remain on board the train after deployment of CBTC. The main yard is partially equipped with CBTC. The signaling system for most of the yard is a conventional signaling system using track circuits as the method of train detection. The secondary system will be used to track trains with CBTC failure and work trains. Detection will be made by track circuits and the wayside signals will be able to maintain a headway compatible with offâ peak revenue service. PATH will continue to operate 24/7 with about a 30âminute headway at night. The maintenance is done mostly while singleâtracking during offâpeak hours. 12.4.7  Feedback Regarding the Broken Rail Issue Because of the reasons mentioned above, including being under the jurisdiction of the FRA, PATH selected track circuits as a secondary detection system and primary active method to detect broken rails.  PATH also performs a daily visual inspection of the tracks and has recently acquired an ultrasonic inspection vehicle and handheld devices. 12.4.8  Conclusion Key takeaways from this case study: 1. Decision to implement a full STD/PS was based in part on the availability concerns related to a ânew to the United Statesâ technology. 2. The STD/PS is capable of offâpeak revenue service. 3. The secondary detection system is based on track circuits. 4. Deployment of the STD/PS turned out to be more challenging than anticipated. 5. Broken rail detection via inspection and track circuits has been considered sufficient. Recent acquisition of an ultrasonic inspection vehicle is not related to the implementation of CBTC. 6. The CBTC system will be put in service per section, with all trains being equipped and running in CBTC in one section and running without CBTC in other sections. Though a full STD/PS capable of revenue service is more difficult to deploy and may result in more frequent minor delays, this full fallback system assures PATH than there will be no major delays because of a failed CBTC system in the future, whether it is a train with CBTC failure or failed wayside equipment.Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 76 12.5 Transport for London Case Study, CBTC 12.5.1  Transport for London Transport for London (TfL) is an integrated transit authority for London, UK, responsible for managing major aspects of Greater Londonâs transportation systems. The TfLâs operational responsibilities include all major surface and underground transit operations involving London Overground, London Trams, Docklands Light Railway, London Underground and TfL Rail.  TfL is one of the largest and busiest transit authorities in the world, delivering 31 million journeys on an average day, with an annual ridership close to 1.5 billion passengers.  To accommodate growing passenger demands and achieve significant increase in train running capacity, the TfL rail lines required a significant overhaul and upgrades to its signaling system. CBTC was first deployed on the Docklands Light Railway, followed by London Undergroundâs Jubilee and Northern Lines. Most recently, the Victoria Line has been converted to CBTC (different technology and supplier to that of its predecessor). In turn, the conversion to CBTC allowed for a significant increase in train running capacity (shorter headways), automatic train protection, and full ATO.  Converting an existing line from conventional signaling to CBTC can be a difficult process, and London Underground (the Tube) has experienced some challenges with this upgrade. The project was performed without interrupting revenue service. Installation and testing was done during overnight nonâ revenue service hours when maintenance was also performed. This case study focuses on the CBTC implementation on the Jubilee and Northern Lines.  12.5.2  Background of the CBTC Projects at Transport for London The primary drivers for deploying CBTC on the TfL system were: ⢠Improve operating headway ⢠Improve line capacity Under the new signaling system, TfL can now operate up to 34 trains per hour and intends to increase the throughput to 36 trains per hour. In late 2003, Alcatelâs Transport Solution Division was awarded a contract to reâsignal the Tubeâs Jubilee Line and Northern Line. The Jubilee Line was the first to be reâ signaled, with both lines using similar CBTC technology and an axle counter based secondary system. The lessons learned on the Jubilee Line experience were applied to the Northern Line upgrade. Given that both projects were brownfield types, the lines were not shut down during the CBTC deployment. Despite the enormous challenges with such an upgrade, both projects were successfully completed, and objectives of improving headway and capacity have been achieved. Following are the salient highlights of these projects: Jubilee Line: ⢠Award date: 2003 ⢠First revenue service date: December 2010 ⢠Entire Line under CBTC: June 2011 ⢠Secondary detection system: axle counters ⢠Signaling system supplier: Thales Transportation Solutions Northern Line:  ⢠Award date: 2004 ⢠First revenue service date: February 2013 ⢠Entire Line under CBTC: June 2014
SECTION 12 â CASE STUDIES 77 ⢠Secondary detection system: axle counters ⢠Signaling system supplier: Thales Transportation Solutions 12.5.3  Legacy System Prior to CBTC, both the Jubilee and Northern Lines were using conventional signaling systems with track circuits used for detection and train stops used for signal enforcement. The trains were operated in manual mode under wayside signal authority. Operations with conventional wayside signals were similar to U.S. transit agencies such as NYCT or the Massachusetts Bay Transportation Authority.  12.5.4  Secondary Train Detection and Protection Systems For both these projects, the secondary detection system to support the CBTC implementation was based on axle counters. On prior projects, TfL had gained experience with axle counters deployed in one depot but not on mainline tracks. Axle counters are common in the UK; Dockland Light Rail and Network Rail used axle counters on their signaling projects. Axle counters are used primarily for: 1. Failure management: The line cannot be operated in revenue service without CBTC, i.e. with the axle counters only. Axle counters are used to track trains with CBTC failure. Operation of trains with CBTC failure is limited to 10 mph and lineâofâsight since there are no signals on the wayside. 2. NonâCBTC equipped vehicles. This is limited to nonâpassenger, night service hours. 3. Initialization of engineering vehicles when coupled with CBTC equipped cars. The axle counters are used to determine the length of the trains by counting the number of axles. Knowing the length of the train allows the train to run under a simplified form of CBTC (no ATO operation). Axle counters are not only used for block occupancy but also for train length determination. Location of the axle counters are as follows: ⢠At interlocking areas (around switches) â TfL is considering if this is necessary for future projects. Indeed, the CBTC system can know the location of the trains and would be able to lock the switches for an approaching train. ⢠One per station for tracking capabilities in case of failure â Tracking a train with CBTC failure is not only necessary for knowing the position of the train, but also for allowing other train operation around the zone affected by the train with CBTC failure. ⢠At Zone Controller boundaries for managing handoff â This is a design requirement rather than an operational requirement. TfL considers axle counters to be reliable. However, in order not to impact operation in case of axle counter failures, TfL decided to introduce a function that gives the possibility to override axle counters under certain conditions regarding other train tracking in the area. TfL used less axle counters in the second project. For future projects, TfL will consider using even less axle counters than on the Jubilee and Northern Lines. Signal enforcement consists of legacy train stops on the wayside. Though initially they were retained, train stops are mechanical devices prone to failure and therefore some are being removed from the system. 12.5.5  Feedback on the Deployment The legacy system using track circuits as a secondary detection method was decommissioned after conversion to CBTC. Migration to the new signaling system was done per geographical area, one section at a time. All trains ran in CBTC mode through converted sections, and in conventional mode whileÂ
SECTION 12 â CASE STUDIES 78 operating on nonâCBTC sections. This method required a manual transition on board the train when going from one system to the other. Before CBTC operation started on the first section, the entire fleet of trains was equipped with CBTC. There was no need for mixedâmode operation where one CBTC train runs among other nonâCBTC trains. Regarding installation, TfL indicated that axle counters were susceptible to electromagnetic interference generated by the traction power system. TfL uses a thirdâ and fourthârail system to power the train, along with traction power and negative return cables. Therefore, locations of axle counters and the layout of their cables in the field must be carefully planned with the traction power system. Also, to allow maintenance of the axle counters to be performed safely, the third rail must not impede on the space around the axle counter. The success of the CBTC projects was made possible with a robust test strategy along with a recovery plan during the deployment of the system.  12.5.6  Feedback on Operation TfL operates CBTC trains in ATO mode where the driver starts the train after each stop. Yards are not equipped with the new signaling system and manual lineâofâsight operation is used in these areas. NonâCBTC equipped work trains are not permitted during revenue service. When a nonâCBTC equipped work train is used, it operates within a dedicated area. Trains with CBTC failure are operated at slow speed using lineâofâsight. There are no signals on the wayside. Revenue service is not possible without the CBTC system. Axle counters are used to track trains with CBTC failure and only the train with CBTC failure is authorized to move in the area. TfL indicated that there were very few wayside failures since the beginning of revenue service of CBTC. The Jubilee Line has five wayside controllers and the Northern Line has eight wayside controllers. In US projects, wayside controller Mean Time Between Functional Failures are usually specified for about 100,000 hours, and based on discussion with TfL, the system put in place in London meets this requirement. When a wayside controller failure occurs, all trains in the area controlled by this controller are forced to stop. Rebooting a wayside controller only takes about 10 minutes and therefore these failures can be fixed quickly without causing major delays. Wayside controllers have a 2âoutâofâ3 architecture; if a failure on one computer occurs then the wayside controller continues operation with a 2âoutâofâ2 architecture until further maintenance can be performed at night when there is no passenger service. 12.5.7  Feedback Regarding the Broken Rail Issue Detecting a broken rail after it happens using a track circuit is too late because it dramatically impacts train operation. It is important to prevent broken rails from happening to avoid such delays. In addition, based on TfLâs own experience, track circuits are an inefficient method to detect broken rails. One reason cited was that a broken rail often happens when a train runs over the area and, since axles of the trains are shunting the rails, it is not possible to detect and slow down the train when passing over the broken rail. In addition to visual inspection, TfL is using ultrasonic inspection and a longitudinal rail stress measurement program. The program is the same on all TfL lines, whether the signaling system includes track circuits or not. The rail issue detection program put in place is efficient and did not need to be optimized since introduced.  Inspections are performed mostly at night; however, some of the revenue service trains are equipped with ultrasonic inspection and other rail issue detection equipment. The data from these trains is only available when the train comes to the yard, but since inspections have the capability to detect rail flaws before the rail break, this is not an issue.Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 79 12.5.8  Conclusion Key takeaways from this case study: 1. Secondary detection system is based on axle counters. No wayside signals are present. 2. Axle counters are deployed mostly for train failure management. STD/PS was not designed to handle wayside failure and operate revenue service. 3. CBTC availability is very good and proved that there was no need for an STD/PS capable of running revenue service. 4. Though reliable, a function to override axle counters was introduced and TfL is considering using less axle counters in future projects. 5. Protection methods such as train stops might also affect overall availability and TfL is reducing their numbers. 6. Rail issue detection through inspection has been proven to be successful. 7. The new STD/PS was not used during the transition to CBTC. In summary, CBTC has been implemented successfully and is operated very efficiently using STD/PS, based on axle counters to handle trains with CBTC failure on both the Jubilee and Northern Lines Though already light, the STD/PS might affect the overall availability of the system and TfL is working on optimizing the number of devices.  12.6 Baltimore Metro Subway Case Study 12.6.1  Baltimore Metro Subway The Maryland Transit Administration Baltimore Metro Subway is more than 15 miles in length, consisting of a twoâtrack mainline with 5.5 miles underground. The system entered service in 3 phases. Section A entered service in 1983 with 9 stations, and 7.5 miles of double track. Section B entered service in 1987 with a double track extension of approximately 6 miles, serving 3 stations. Finally, Section C was available in 1996 with an underground tunnel extension of 1.5 miles of double track serving 2 additional stations. The mainline operation is supported by a single yard and maintenance facility, and an integrated central control facility that is also responsible for other light rail and police transit services. The maintenance facility has sufficient storage for all 100 railcars. The Metro provides nearly 50,000 daily trips, operating 19 hours per weekday. Peak service is provided with 6âcar trains at 8âminute headways and 9 trains in operation. Offâpeak service is provided with 4â to 6âcar trains at 11âminute headways. 12.6.2  Background The MTA is procuring a replacement for the Metro system elements now beyond their 30âyear design life. The replacement project includes both train control and new railcars under one contract. As both major elements of the Metro are of the same age, it was concluded that obtaining replacements under a single procurement would be the most efficient, and least risky, given that significant interfaces would best be managed under a single contract. The MTA has decided that CBTC is the best solution for implementing a complete retrofit of the current signaling system, one that will permit a cutâover from the old to the new, and will provide a durable stateâofâtheâart design with a 30âyear life. In addition, the system will include complete capabilities for driverless operation, where at a point in the future, when the fixed facilities have been modified to accommodate driverless train operation, the train control and train systems will be ready.Â
SECTION 12 â CASE STUDIES 80 12.6.3  Legacy System The mainline signal system consists of AFâ400 track circuits and a cab signaling system supplied by Union Switch and Signal. There are more than 400 track circuits that provide detection throughout mainline and yard track. The yard, however, is not included in the AFâ400 system and is provided with power frequency (PF) track circuits throughout. The yard accommodates only manual movement of trains, where the trains are limited to 12 mph with an onboard generated cab signal code, when the operator places the mode selector switch to the yard position. The train control equipment is distributed along the mainline and yard among 17 train control rooms that include the audio frequency track circuit racks, the power frequency racks for the 8 mainline interlockings, and relay racks for occupancy status in the yard. The wayside network connects the train control rooms to central control as well as to a backâup control facility located in the yard tower. 12.6.4  Replacement CBTC System The CBTC replacement solution will materialize in response to the performance requirements identified in the Request for Proposal (RFP). The system design need not replicate the legacy system installation approach or locations, but rather result in a system replacement best suited to the contractorâs system approach. The contractor is expected to take advantage of modern communications and computing strategies that will likely minimize the amount of equipment needed, reducing installation locations and complexity. The desire to use proven technologies, minimize development costs, increase reliability and availability, and implement the CBTC project integrated with the railcar procurement is key to introducing both into service with minimal disruption to ongoing Metro passenger service. The CBTC system implementation with accompanying new railcars will permit the new train control system to be overlaid on the alignment in parallel with the legacy system. Additionally, this includes new railcars that will only operate with the new CBTC system, while at the same time the old trains will continue operation under the legacy train control. This overlay approach will enable the new system to be fully installed and allow new CBTC equipped trains to enter service, replacing oneâforâone the old trains. When the new trains have sufficiently replaced the old, the legacy train control system can be decommissioned and removed from the system. Any temporary equipment room facilities created to support the transition will be removed once the CBTC equipment is in the final space of the train control rooms. 12.6.5  Secondary Train Detection and Protection Systems The project requires that communicating trains and nonâcommunicating trains, including work trains, be protected. This will likely involve the use of axle counters and/or track circuits. The project does not preclude any one solution, and does not limit the solution to the above two. The requirements do not specify a level of performance in either degraded mode or when nonâcommunicating trains are operating simultaneously with communicating trains. The focus is on protecting communicating trains, nonâcommunicating trains, and work trains anywhere in the system; it is not to provide a backâup to the CBTC system. The protection blocks will be long and likely keyed to the interlocking locations. Although the Maryland Transit Administration policy is to not operate work trains while passenger trains are operating, the safety of the system depends on detection, and not policy. 12.6.6  Broken Rail Detection Although the current signaling system has, as a byproduct of the design, the ability to announce a break in the running rail, it cannot reliably indicate a rail flaw prior to a catastrophic and complete break in the rail. The Maryland Transit Administration has experienced several rail fractures in 33 years of operations, but cannot recall an instance where the track circuit system indicated a rail failure, even an incident where the break was audible. To mitigate the rail flaw hazard, the Maryland TransitÂ
SECTION 12 â CASE STUDIES 81 Administration has included options for flawed rail detection in the Railcar and Train Control Contract. Although the track circuit approach is limited to only indicate complete rail breaks, it is one of the options permitted. The second option described in the RFP is the provision of a highârail vehicle capable of not only inspecting the running rails of the Metro system using ultrasonic techniques, but also capable of the same inspection performance on the Maryland Transit Administration light rail system. For the Maryland Transit Administration, requiring the highârail alternative to also accommodate the needs of their light rail provides more utility from a valuable piece of railroad equipment. 12.6.7  Conclusion As the Baltimore Metro system replacement is in the procurement stage, the implementation of CBTC, STD/PS, and rail flaw detection have not been decided yet. With a winning bid and with a notice to proceed the technical specifics of the contractorâs proposal will begin to be finalized as part of the design review process. Nonetheless, the Maryland Transit Administration has concluded: 1. The desire to continue to track MaintenanceâofâWay work trains (nonâcommunicating) is mandatory. 2. No longer will the Maryland Transit Administration rely on broken rail detection via track circuits. 3. A proactive approach to rail flaw detection will be a part of the system replacement with the procurement of a detection system, such as ultrasonic inspection. 4. The STD/PS need not support a specific level of backâup operations performance, but rather provide vital train separation for all trains, especially nonâcommunicating trains. 5. The overlay of CBTC and its use with only the new replacement trains, with simultaneous operation of the old trains with the old signaling system, is a viable basis for the transition and cutâover.
