合肥軌道交通4、6號線信號系統拆分方案

劉 龍

(合肥市軌道交通集團有限公司, 230001, 合肥∥高級工程師)

合肥軌道交通4號線西起青龍崗站,東至綜保區站,定位為市區骨干線;6號線西起青龍崗,東至賓樂北路站,定位為城區快線。青龍崗站至北雁湖站5個車站將與4號線同期建設并貫通運營,當4號線南延伸段和6號線一期建設時,將青龍崗站至北雁湖站的1號站臺和2號站臺(含科學城車輛段)拆分給6號線貫通運營;4號線南延伸段和4號線北雁湖站以東部分貫通運營組成新的4號線。本文主要研究4、6號線信號系統的拆分方案。

1 4、6號線信號系統拆分需求分析

合肥軌道交通4、6號線線路拆分示意圖如圖1所示。

圖1 合肥軌道交通4、6號線線路拆分示意圖

合肥軌道交通4、6號線拆分線路長度為7.7 km,包含5個車站、1個車輛段、1條試車線和1個維修中心。需要拆分的線路比較長,所涉及的設備比較多。為了保證未來進行拆分時青龍崗站至北雁湖站及科學城車輛段不停運,4號線設計時必須預留充分的拆分條件(包括駁接的接口要求、倒切測試條件、線纜敷設預留、設備安裝空間及機柜擴展空間等),也為未來拆分時6號線的系統升級改造、功能測試和拆分割接等不影響既有線運營奠定基礎。

拆分段軌旁設備的布置需要同時兼容4號線列車80 km/h最高運行速度和6號線列車100 km/h最高運行速度的要求,信號系統性能滿足拆分前后的設計需求。拆分段信號系統需要按照互聯互通規范進行設計,兼容未來6號線信號系統需求,包含且不限于軌旁設備布置、拆分分界點位置、控區配置、DCS(數據通信系統)的配置、系統容量等內容。

4號線信號系統為CBTC(基于通信的列車控制)系統,6號線信號系統為全自動運行信號系統,青龍崗站至北雁湖站及科學城車輛段預留全自動運行系統升級條件,在4、6號線拆分后,保證不停運平滑地升級至全自動運行系統。

北雁湖站為4、6號線拆分車站,拆分后4、6號線在北雁湖站同站臺換乘,因此需要解決北雁湖站LTE(長期演進)網絡干擾問題。

綜合上述分析可知,該工程的關鍵是,在進行4號線設計時需提供完善的4、6號線拆分設計方案,以此保證拆分前4號線的工程實施和開通運營,同時為未來6號線建設時進行4、6號線拆分提供依據,保證拆分及相關系統升級的順利完成。

2 4、6號線信號系統拆分方案

2.1 拆分段正線軌旁設計方案

4號線信號系統控制區域(以下簡稱“控區”)包括正線9個控區和科學城車輛段控區,其中拆分段信號系統控區包括正線3個控區(ZC1、ZC2、ZC3)和科學城車輛段控區。拆分段車站編號為獨立編號,并預留未來拆分后兩端延伸線車站編號。按照線路規劃,青龍崗站編號為07,拆分后為6號線北雁湖站編號為11,4號線北雁湖站編號為21,相應的軌旁設備名稱在4號線建設時即按照拆分后車站編號原則設計,保證拆分后不再修改設備名稱。

為了方便未來拆分,4號線設計時,將青龍崗站至北雁湖站分為2個控區,控區1(ZC1)包括青龍崗站(集中站)、方興大道站(非集中站)和長寧大道站(非集中站),青龍崗站預留繼續向西延伸的線路條件。控區2(ZC2)和控區3(ZC3)為軌旁設備拆分區域。拆分前,控區2(ZC2)僅包括創新大道站;拆分后,控區2(ZC2)包括創新大道站和北雁湖站的1號站臺和2號站臺。控區3(ZC3)包括北雁湖站和玉蘭大道站。規劃時,北雁湖站已預留了4號線和6號線控區設備房,為了方便拆分,控區2(ZC2)和控區3(ZC3)室內設備均安裝于北雁湖站,拆分后控區2(ZC2)成為6號線北雁湖站控區,控區3(ZC3)成為4號線北雁湖站控區。

為了解決拆分前后最高列車運行速度變化的問題,拆分段室外信號設備按照兼顧100 km/h和80 km/h兩種列車最高運行速度設置,設備安裝位置、防護區段距離及行車間隔按照兩種列車最高運行速度進行計算,保證未來拆分時不再移動和增減室外設備。

在4號線建設時,拆分段需滿足拆分接入6號線的全自動運行系統功能及互聯互通功能需求;拆分車站預留 SPKS(人員防護開關)按鈕和站臺門隔離接口;終點站青龍崗站預留清客按鈕;完成預留硬件設備的安裝和電路連接,不開通相應的軟件功能;軌旁設備布置、軟件設計、硬件設備及DCS網絡接口等均按照未來升級全自動運行系統要求和互聯互通規范進行設計。

2.2 北雁湖站拆分設計方案

北雁湖站為4、6號線的拆分車站,是拆分工程的關鍵。為了在拆分前對北雁湖站進行統一控制,北雁湖站4個站臺全部由北雁湖站控區控制,控區邊界劃分點在北雁湖站至創新大道站區間。在拆分后,北雁湖站外側2個站臺及相應軌旁設備劃歸6號線控制,4、6號線控區間通過聯絡線接口聯結。拆分前后北雁湖站控區劃分示意圖如圖2所示。

a) 拆分前

4號線建設時,北雁湖站控區和創新大道站控區范圍內室內信號設備(包括組合柜、計軸機柜和LEU(軌旁電子單元)機柜等)由4號線管轄,而6號線建設時需拆分給6號線的拆分設備,在2個控區信號設備室同時配置。將室外信號設備先連接到6號線北雁湖站信號設備室分線柜,再連接至4號線北雁湖站信號設備室分線柜,通過切換開關連接2個控區的室內控制設備,方便將來拆分階段的切換測試和割接。

拆分完成后,4、6號線信號系統室外設備的分界點設在兩條單渡線的中點,外側屬于6號線北雁湖站控區控制,內側屬于4號線北雁湖站控區控制,拆分后這兩條單渡線為4、6號線轉線作業的聯絡線。在4號線建設時,預留所有聯絡線接口需要設備的硬件電路和聯鎖輸入輸出條件,拆分時不再增加額外接口設備。

北雁湖站4、6號線信號設備室配置和室外信號設備線纜接入分成以下兩部分:

1) 拆分后,北雁湖站屬于4號線控制的室外信號設備(信號機、道岔、ESB(緊急停車按鈕)、PSD(站臺門)、DTI(發車計時器)、RRU(射頻拉遠單元))以及IBP(綜合后備盤),通過室外電纜連接至4號線信號設備室的分線柜A,然后接入4號線北雁湖站控區系統。

2) 拆分前,北雁湖站屬于4號線控制,拆分給6號線控制的室外信號設備(信號機、道岔、ESB、PSD)以及IBP盤,通過室外電纜連接至6號線信號設備室的分線柜B,并通過倒接箱接入4號線北雁湖站信號設備室的分線柜B,接入4號線控區系統。拆分給6號線的計軸磁頭,采用共享計軸磁頭的方式,從磁頭輸出的2路數據信號分別接入4、6號線信號設備室的分線柜B和計軸機柜。由于4號線開通時,只在4號線計軸機柜軟件中為這些磁頭進行了輸入配置,因此從這些磁頭輸入的數據信號只對4號線可用,不影響6號線計軸功能。有源應答器先接入6號線信號設備室的分線柜,并聯到4號線信號設備室的分線柜,然后再接入4號線LEU柜,預留有接入6號線LEU柜的連接條件,待調試時一次性接入6號線LEU柜。北雁湖站信號設備連接示意圖如圖3所示。

圖3 北雁湖站信號設備連接示意圖

6號線北雁湖站信號設備室安裝倒接箱,4號線開通時,倒接箱接通4號線北雁湖站控區的組合柜,實現4號線正常運營的所有信號系統功能。

6號線調試時,4號線北雁湖站控區僅需要在運營結束后,將倒接箱接通6號線北雁湖站控區的組合柜,實現6號線北雁湖站信號室外設備的倒接。調試結束后,將倒接箱切換至4號線的組合柜,將軟件退回原版本,回歸測試后即可投入運營。拆分段為全自動運行系統提供了預留,因此6號線進行全自動運行系統調試時,其他車站只需要進行軟件升級,不需要增加硬件和進行硬件倒切。

6號線開通割接時,與調試步驟一樣,拆分站通過倒接箱快速切換,可避免硬件錯誤連接的風險。

2.3 科學城車輛段拆分設計方案

科學城車輛段與4號線正線青龍崗站接口,拆分前屬于4號線信號系統控制,拆分后由6號線信號系統控制。

科學城車輛段設置了冗余計算機聯鎖設備、ATP(列車自動保護)/ATO(列車自動運行)設備、ATS(列車自動監控)設備、DCS設備、MDS(監測診斷系統)站機及終端、電源屏、UPS(不間斷電源)和電池等,設備配置與正線一致,因此拆分后升級到全自動運行時不需要再進行系統改造。

4號線建設時,科學城車輛段即具備自動化場段功能,預留了SPKS按鈕、自動洗車接口和喚醒信標安裝位置。拆分時,通過安裝喚醒信標、升級軟件即可實現全自動化車輛段功能。車輛段內設置了一條試車線,在拆分調試時可以提前升級試車線系統,使其具備全自動試車功能。

2.4 DCS子系統拆分設計方案

DCS子系統網絡設計遵循易于拆分及倒回測試的原則,并盡可能減少對信號系統的影響。

在拆分之前,4號線和6號線采用各自獨立的骨干網,包括2個ATP骨干網、2個ATS骨干網、2個LTE骨干網和1個MDS骨干網。考慮到前期4號線和6號線的信號設備需要進行數據交互,因此DCS在北雁湖站信號設備室設置A/B網三層交換機用于連通兩條線的骨干網。其中三層交換機A負責連通骨干網A,三層交換機B負責連通骨干網B。北雁湖站骨干網設計示意圖如圖4所示。

圖4 北雁湖站骨干網設計示意圖

三層交換機連通兩條線的骨干網,主要實現如下功能:

1) 割接的便利性:在需要做兩條線路的網絡割接測試及進行正式割接時,只需要轉動網絡切換器從一側撥到另一側即可,相比使用光纖跳接要簡單很多,避免了光纖及光模塊的損壞,不容易發生人為操作錯誤。

2) 接入的便利性:使用三層交換機對接6號線延伸線網絡,可適應6號線延伸線的各種網絡構架,能避免使用純二層環網時因各家交換機廠商的私有環網保護協議不兼容而造成的接入技術障礙。

在對接點北雁湖站,調試過程中,撥動網絡切換器檔位至6號線延伸線側,即可斷開三層交換機與4號線網絡連接,將4、6號線共線部分網絡與6號線延伸線聯通。

調試結束后,撥動網絡切換器檔位至4號線側,即可斷開三層交換機與6號線延伸線網絡連接。北雁湖站調試過程中網絡切換示意圖如圖5所示。

a) A網切換至6號線測試

拆分割接之后,4號線和6號線采用物理隔離的骨干網,并可在合適的時間將網絡切換器完全拆除,此后4號線網絡即與4、6號線共線部分完全斷開。新組建的6號線網絡與4號線網絡在骨干網層面徹底斷開,互不影響。

3 4、6號線LTE系統抗干擾方案

3.1 同站臺抗干擾方案

拆分后,4號線與6號線在北雁湖站同站臺換乘,因此需要考慮4號線與6號線的LTE系統之間可能存在的同頻干擾問題。針對此問題提出的無線抗干擾方案的核心思想是工程與系統相結合,主要使用空間隔離的方案實現抗干擾。

4號線與6號線同站臺換乘的站臺足夠寬,因此可采用空間隔離方案抗干擾。對4號線和6號線的LTE系統發射信號,采用等電平配置來解決干擾問題。此時空間隔離的干擾裕量為20 lg(D/d)(D和d分別為站臺兩側漏纜天線至車載接收天線的距離), 如果d=2 m、D=10 m,則20 lg(D/d)=14 dB。設計時,可以考慮將車載天線安裝位置降低到站臺下方,或安裝到車頂上方隧道頂部,有效利用站臺地面、天花板、站臺門、車體等障礙實現空間隔離,一般情況下隔離度可以達到10～15 dB,總體上的隔離度可以達到25 dB,滿足LTE系統對CINR(載波干擾噪聲比)裕量的要求。

3.2 拆分站臺LTE網絡布置方案

為了實現4號線和6號線拆分后LTE系統網絡相互獨立,在北雁湖站布署LTE系統基站時,兩線使用不同的基站設備(BBU(基帶處理單元)+RRU),兩線獨立敷設漏纜。BBU和RRU設置示意圖如圖6所示。

圖6 北雁湖站LTE系統基站BBU和RRU設置示意圖

初期兩條線貫通運營的時候,6號線的LTE系統基站(BBU+RRU)接入4號線的核心網;后期2條線路獨立運營時,將6號線的LTE系統基站從4號線LTE系統核心網斷開,轉接到6號線新建的LTE系統核心網,不涉及室外設備改造。此時,由于4號線和6號線的LTE系統無線網絡分屬于不同的核心網,需要考慮彼此之間的干擾問題。

4號線2股軌道位于兩個站臺之間,如果在軌道上方部署兩根漏纜,4號線與6號線的漏纜之間都相隔一個軌道和一個站臺(大于15 m),根據前文同站臺LTE系統干擾情況分析可知,相互間的干擾不影響車地通信,因此4號線和6號線的LTE系統可以使用相同頻率組網。

4 結語

合肥軌道交通4、6號線信號系統拆分工程的關鍵點在于前期的預留和拆分方案設計。在4號線設計和建設階段考慮得越全面,拆分時對既有線運營的影響就越小。4號線于2021年12月26日全功能開通運營,為拆分預留的設備均已完成安裝,軌旁和室內設備兼容4號線和6號線信號系統。6號線建設時,拆分段信號設備可以完全利用,避免資源浪費。拆分倒切設計方案,可減少拆分測試階段硬件變更錯誤造成運營的風險,能確保拆分方案的順利實施。4、6號線拆分方案經過多輪的討論和驗證,并通過了行業專家的評審。合肥軌道交通4、6號線拆分方案對此類工程的實施有借鑒作用。