基于城軌車輛升級擴(kuò)容的信號系統(tǒng)方案研究

汪 沛

（卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

隨著同一城市軌道交通線路的規(guī)模化建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，地鐵客流量大幅度增長，部分地鐵線路前期購置車輛的載客能力和運(yùn)營間隔逐步無法滿足客流的增長需求，車輛升級擴(kuò)容勢在必行。由于升級擴(kuò)容車輛與既有車輛設(shè)計(jì)參數(shù)往往不同，這對信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求，在滿足保障運(yùn)營安全、提高運(yùn)營效率、不影響軌旁設(shè)備布置的前提下兼容既有車輛與升級擴(kuò)容車輛的參數(shù)特征。本文梳理了信號系統(tǒng)對車輛參數(shù)變化的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，供后續(xù)增車項(xiàng)目參考，同時(shí)也對車輛方的車輛設(shè)計(jì)提出建議。

1 項(xiàng)目概況

以北京某線車輛升級擴(kuò)容項(xiàng)目為例，某線已運(yùn)營超過10年，既有列車10列，升級擴(kuò)容新車8列，考慮在運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)的既有列車的不足，車輛方重新設(shè)計(jì)了升級擴(kuò)容列車。

本文基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(Communi cation Based Train Control System，CBTC)，研究升級擴(kuò)容列車的參數(shù)變化對既有信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，以便車輛方進(jìn)行方案的制定選擇，同時(shí)為信號系統(tǒng)和車輛接口提供幫助。

2 升級擴(kuò)容車輛對信號系統(tǒng)的影響

典型的CBTC系統(tǒng)：軌旁部分主要有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)（CI）、列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）、維護(hù)子系統(tǒng)（MSS），列車自動防護(hù)子系統(tǒng)和列車自動運(yùn)營子系統(tǒng)合稱為列車自動控制子系統(tǒng)（ATC）[1]。ATC子系統(tǒng)含軌旁區(qū)域控制器（ZC）、軌旁線路控制器（LC）、定位信標(biāo)和車載信號設(shè)備。

信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)是整個(gè)信號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，為后續(xù)的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考輸入[2]。子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含ATC、ATS、CI、DCS、MSS等方面，它們直接影響著項(xiàng)目的硬件設(shè)備和軟件數(shù)據(jù)。升級擴(kuò)容列車設(shè)計(jì)的變化，均會影響到信號系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)。

1）對列車自動控制子系統(tǒng)ATC的影響

ATC直接與車輛進(jìn)行信號車輛接口，包括硬線接口和網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)ATC子系統(tǒng)還會結(jié)合總體設(shè)計(jì)中的定位信標(biāo)、停車點(diǎn)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行車輛的精確停車控制。為滿足信號需控制車數(shù)增加的需求，軌旁ATC設(shè)備的ZC和LC需要進(jìn)行軟件擴(kuò)容，同時(shí)根據(jù)升級擴(kuò)容列車新的車輛參數(shù)，重新對軌旁設(shè)備布置進(jìn)行分析，確認(rèn)軌旁設(shè)備是否兼容新的車輛設(shè)計(jì)。

2）對ATS的影響

ATS子系統(tǒng)主要根據(jù)列車運(yùn)行時(shí)刻表對全線列車進(jìn)行集中監(jiān)控，對運(yùn)營實(shí)施控制，控制聯(lián)鎖區(qū)范圍內(nèi)的進(jìn)路和信號[3]，車數(shù)的增加也會導(dǎo)致ATS的軟件擴(kuò)容。

3）對CI的影響

CI主要負(fù)責(zé)信號機(jī)、道岔、計(jì)軸、站臺門的聯(lián)鎖控制，車數(shù)的增加也會導(dǎo)致CI的軟件擴(kuò)容。同時(shí)新增車輛的開關(guān)門時(shí)延會影響車門屏蔽門的同步，車載信號系統(tǒng)需與CI綜合設(shè)計(jì)，以滿足升級擴(kuò)容車的車門屏蔽門開關(guān)門同步的需求。

4）DCS和MSS根據(jù)新增車輛數(shù)量對軟件進(jìn)行擴(kuò)容

該礦體是槐樹坪金礦區(qū)主要的礦體之一，嚴(yán)格受F29斷裂控制，沿走向控制長度760m，沿傾向控制最大斜長710m，埋深約0～684m。走向330°～350°，傾向北東，傾角75°～87°，礦體最高金品位達(dá)9.06×10-6，平均品位為4.00×10-6，品位變化系數(shù)為68%，屬均勻型，品位隨傾向和埋深呈低-高-低特征；厚度為0.46～9.11m，平均厚度1.54m，厚度變化系數(shù)為110%，屬較穩(wěn)定型，其變化特征為傾角變陡，厚度變厚，傾角變緩，厚度變薄，沿傾向隨著深度變化礦體呈薄-厚-薄特征；礦體形狀總體呈不規(guī)則狀，多處無礦邊界為港灣狀。

綜上分析：對于新增車輛項(xiàng)目，軌旁的信號系統(tǒng)子系統(tǒng)均需進(jìn)行軟件擴(kuò)容以滿足信號系統(tǒng)控車的需求。在信號系統(tǒng)的初期設(shè)計(jì)中，建議信號系統(tǒng)提前核算在滿足最大運(yùn)營效率前提下需求的列車數(shù)量，在軌旁軟件設(shè)計(jì)中提前進(jìn)行容量的預(yù)留。該建議可以保障在新增車輛與既有車輛參數(shù)完全一致的情況下，不影響既有軌旁子系統(tǒng)，直接實(shí)施升級擴(kuò)容項(xiàng)目。

3 信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施

列車升級擴(kuò)容一般采取兩種方案：一是與既有車完全保持一致；二是為了滿足現(xiàn)代化、實(shí)用性、舒適性等需求，對升級擴(kuò)容的車輛進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[4]。某線升級擴(kuò)容項(xiàng)目為方案二，配合新車升級擴(kuò)容，信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行相應(yīng)變動以滿足需求。針對重新設(shè)計(jì)的列車，信號系統(tǒng)需與車輛重新進(jìn)行接口談判，根據(jù)新的車輛參數(shù)和車輛設(shè)計(jì)重新進(jìn)行信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于保障運(yùn)營安全和保障運(yùn)營效率的需求，對于升級擴(kuò)容新車項(xiàng)目，信號系統(tǒng)要求升級擴(kuò)容車輛不影響軌旁信號系統(tǒng)設(shè)備布置。

3.1 車輛參數(shù)

在升級擴(kuò)容列車的信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮到列車的車長車重等物理特性、列車的緊急制動等性能特性、信號車輛的接口方式等各類參數(shù)，具體如表1所示。

表1 影響信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)的車輛參數(shù)Tab.1 Vehicle parameters affecting signaling system design

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1 停車點(diǎn)設(shè)計(jì)

停車點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要考慮車體中心與站臺中心對齊，保證每一個(gè)車門都能與屏蔽門對齊，不影響乘客乘降。對于增車項(xiàng)目，需不影響既有布置，此處需考慮車長和車載設(shè)備中信標(biāo)天線安裝位置這兩個(gè)因素。

對于升級擴(kuò)容車與既有車車長一致的情況，停車點(diǎn)可按既有配置實(shí)行，無需進(jìn)行停車點(diǎn)的變更，此時(shí)只需考慮信標(biāo)天線的位置。如圖1所示，對于列車頭尾冗余定位及精確停車，信號會根據(jù)列車停車后的信標(biāo)天線位置布置第二接近信標(biāo)、第一接近信標(biāo)以及確保列車精確停車的精確停車信標(biāo)。精確停車信標(biāo)距離信標(biāo)天線的距離為1～1.5 m，故新增車為了滿足精確停車的功能，需保證停車后信標(biāo)天線滿足該安裝范圍，此處需車輛方進(jìn)行車下設(shè)備布置時(shí)綜合考慮。

圖1 信標(biāo)、停車點(diǎn)、信標(biāo)天線位置Fig.1 Location of beacon, parking point and beacon antenna

對于升級擴(kuò)容車與既有車車長不一致的情況，信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)需按兩種車型最長車長考慮，將短車在設(shè)計(jì)層面虛擬成長車，保障列車停車后在軟件邏輯層面匹配同一個(gè)停車點(diǎn)。車輛方需根據(jù)信號系統(tǒng)提供的停車點(diǎn)，核算停車后的信標(biāo)天線與精確停車信標(biāo)之間的距離，設(shè)計(jì)信標(biāo)天線的安裝位置，如圖1所示。

3.2.2 緊急制動時(shí)間影響

圖2 緊急制動時(shí)間參數(shù)示意Fig.2 Time parameters of emergency braking

緊急制動各參數(shù)主要影響信號系統(tǒng)的保護(hù)區(qū)段長度[7]、EOA距離、保護(hù)區(qū)段解鎖時(shí)間、緊急進(jìn)路解鎖時(shí)間、緊急制動距離，時(shí)間參數(shù)越大，信號系統(tǒng)各相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)就會越大[8]，最終影響信號系統(tǒng)軌旁設(shè)備布置以及運(yùn)營效率。

某線車輛升級擴(kuò)容項(xiàng)目中，車輛方最初給出的緊急制動時(shí)間參數(shù)遠(yuǎn)大于既有車，經(jīng)信號系統(tǒng)核算后不滿足既有軌旁信號設(shè)備的布置需求，同時(shí)極大地影響運(yùn)營效率。經(jīng)信號方和車輛方溝通后，車輛方重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終給出滿足需求的參數(shù)。

3.2.3 車門和屏蔽門的同步開/關(guān)

屏蔽門的開、關(guān)控制由車載信號設(shè)備來實(shí)施，它們之間的接口通過聯(lián)鎖子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，聯(lián)鎖子系統(tǒng)作為車載設(shè)備與站臺屏蔽門中間橋梁，將車載的開、關(guān)門命令輸出到屏蔽門。

車門的開、關(guān)控制也由車載信號設(shè)備實(shí)施，它們之間的接口通過硬線實(shí)現(xiàn)。

升級擴(kuò)容車相對于既有車，由于門控器和車門的區(qū)別，車門的開/關(guān)門延時(shí)存在一定的差異，信號層面是可接受的。為滿足車門和屏蔽門同步打開和關(guān)閉的需求，信號系統(tǒng)需要根據(jù)車輛方提供的車門開/關(guān)門延時(shí)進(jìn)行軟件配置。以車門屏蔽門完全打開到位為例，開/關(guān)門時(shí)序如圖3所示。列車進(jìn)入站臺區(qū)域停準(zhǔn)停穩(wěn)后，為滿足車門屏蔽門同步打開到位的需求，信號輸出屏蔽門開門命令，經(jīng)時(shí)延后輸出車門開門命令（一般為2 s的脈沖信號），保證車門屏蔽門最終同步完全打開。關(guān)門同理。該時(shí)延需根據(jù)車門的開/關(guān)門延時(shí)進(jìn)行考慮。

圖3 車門屏蔽門同步開/關(guān)門時(shí)序Fig.3 Time sequence of synchronous opening and closing of train doors and platform screen doors

某線車輛升級擴(kuò)容項(xiàng)目，車輛門控器邏輯與既有車存在區(qū)別，信號系統(tǒng)根據(jù)新的車門開/關(guān)門時(shí)延參數(shù)重新設(shè)計(jì)車載信號軟件，最終滿足車門屏蔽門同步的需求。

3.2.4 接口總線變化

CAN總線是一種串行通信協(xié)議，傳輸速率根據(jù)傳輸距離的不同而不同，最高可達(dá)1 Mbit/s，能夠滿足短編組運(yùn)營車輛TCMS數(shù)據(jù)的傳輸需求。MVB總線同樣是一種串行通信協(xié)議，屬于總線仲裁型網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為1.5 Mbit/s。MVB總線及協(xié)議相對CAN總線規(guī)定要更加嚴(yán)苛，能夠滿足各種車輛運(yùn)營工況下TCMS的數(shù)據(jù)傳輸需求。這也保證了MVB在城市軌道交通車輛運(yùn)用中的穩(wěn)定性[9]。

基于既有車輛CAN總線造成的種種困擾，某線車輛升級擴(kuò)容項(xiàng)目將總線方式更換為MVB，信號與車輛TCMS的網(wǎng)絡(luò)接口也變更為MVB。信號與車輛的TCMS接口信息中，電制動使能信號、液壓制動使能信號、牽引制動級位信號為信號ATO控車的主要信號[10]，接口方式的變化會導(dǎo)致車輛牽引制動響應(yīng)的變化。信號方通過測試，最終確認(rèn)了不同電制動等級之間的響應(yīng)延時(shí)、不同液壓制動等級之間的響應(yīng)延時(shí)、電制動轉(zhuǎn)液壓制動的響應(yīng)延時(shí)、不同牽引等級之間的響應(yīng)延時(shí)，重新建立新的車輛模型，實(shí)現(xiàn)信號ATO精確控車，保障ATO模式下的舒適度和停車精確度。

4 結(jié)束語

某線車輛升級擴(kuò)容項(xiàng)目，所有設(shè)計(jì)、軟件均通過評審，完成了室內(nèi)外測試，已進(jìn)入載客運(yùn)營階段。本文對初期的信號設(shè)計(jì)提出建議，軌旁設(shè)備為增加車輛做好容量預(yù)留，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目情況對車輛參數(shù)進(jìn)行分析，在滿足既有信號系統(tǒng)軌旁設(shè)備和保障運(yùn)營的前提下，明確對車輛參數(shù)的需求，要求新增車輛進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需同步考慮信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免影響整個(gè)信號系統(tǒng)的安全。同時(shí)也從信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度評估可接受的車輛設(shè)計(jì)變化，根據(jù)新的車輛參數(shù)進(jìn)行信號軟件的優(yōu)化，有效減少設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的工作量，減少全生命周期成本，降低對運(yùn)營的影響。