葉敬賢

(廈門軌道交通集團有限公司，福建廈門 361004)

1 概述

目前，國內(nèi)城市軌道交通信號CBTC系統(tǒng)普遍采用分線控制方式，各線獨立控制，互不干擾，列車跨線時須降級運行。盡管互聯(lián)互通需求隨著城市規(guī)模擴大及地鐵線路增多出現(xiàn)增長的趨勢，但基于高效、簡捷的優(yōu)勢，單線建設、單線運營依然是絕大部分線路建設及運營模式的首選。

然而，隨著地鐵線路的不斷增多，需要考慮線路間的資源共享問題，或者實現(xiàn)一定程度上的互聯(lián)互通，以減輕設備投資及運營維護的壓力。

本文結合廈門市軌道交通1號線、2號線的線路/設備特點，對不同線路采用同一廠家相同型號信號系統(tǒng)實現(xiàn)列車跨線調(diào)用的技術方案進行分析和探討，實現(xiàn)車輛的互通互換，以減少車輛的配屬數(shù)量，從而減少可能的車輛重復投資。

2 列車跨線調(diào)用的基礎條件及運營場景

2.1 基礎條件

列車跨線調(diào)用離不開相關條件的支撐，這些條件主要包括以下幾個方面。

1）線路條件：兩條線路的線路最大設計坡度、站臺長度、存車線長度、軌道結構形式、線路允許最高運行速度一致。

2）限界條件：兩條線路的限界標準統(tǒng)一，具備兩線列車互相通行的限界條件。

3）站臺門條件：兩條線路的站臺門布局一致，滑動門的凈開度相同。

4）車輛條件：兩條線路的列車車門布局一致，但列車結構參數(shù)和性能參數(shù)存在一定的差異，包括列車長度、列車空載/滿載重量、列車旋轉質(zhì)量、列車牽引/制動特性、列車最大開/關門時間等。在信號系統(tǒng)采用包容性設計的情況下，上述差異不影響兩條線路之間列車的跨線調(diào)用及運營。

5）牽引供電條件：兩條線路的牽引供電制式統(tǒng)一，均采用接觸網(wǎng)DV1 500 V供電方式。

6）信號系統(tǒng)條件：兩條線路信號系統(tǒng)具備以下基本技術條件，主要包括3點。

a.兩條線路均采用卡斯柯信號有限公司生產(chǎn)的相同型號的信號系統(tǒng)（CBTC），車地無線通信均采用WLAN方式。

b.兩條線路的系統(tǒng)設備選型、系統(tǒng)設計原則、通信協(xié)議、列車控制方式、車載無線/信標天線布置位置、軌旁設備布置原則保持一致。

c.兩條線路分線控制、獨立運營，且不貫通運營。

分析以上技術特點，1、2號線具備列車跨線調(diào)用的可行性。

2.2 跨線運營場景

1、2號線之間并無聯(lián)絡線存在，兩線之間的轉線作業(yè)須需由3號線進行。1、2號線轉線路徑示意如圖1所示。

圖1 1、2號線轉線路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of crossover path between Line 1 and Line 2

由于1、2號線間的轉線作業(yè)需經(jīng)由3號線正線進行，因此1、2號線既無法實現(xiàn)貫通運營，也無法在運營時間內(nèi)為應對突發(fā)客流而采取跨線調(diào)用空閑列車以增大運力的辦法，故本文僅分析在如下兩種運營場景下實現(xiàn)列車跨線調(diào)用的技術方案。運營場景一：在非運營時間內(nèi)列車從一條線轉至另一條線車輛段/停車場，更換車載軟件方可實現(xiàn)列車的跨線運營；運營場景二：在非運營時間內(nèi)列車從一條線轉至另一條線車輛段/停車場，不更換車載軟件即可實現(xiàn)列車的跨線運營。

3 列車跨線調(diào)用技術方案分析

3.1 信號系統(tǒng)整體方案

1、2號線信號系統(tǒng)采用CBTC系統(tǒng)，型號相同，均為卡斯柯公司提供的Urbalis888系統(tǒng)。該系統(tǒng)由列車自動監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)、列車自動防護/運行（ATP/ATO）子系統(tǒng)、聯(lián)鎖（CBI）子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸（DCS）子系統(tǒng)、維護監(jiān)測（MSS）子系統(tǒng)等構成。系統(tǒng)結構如圖2所示。

1、2號 線 的 ATS、ATP/ATO、CBI、DCS、MSS各子系統(tǒng)均單獨設置，2條線路各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫均獨立配置，任何一條線路的某子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫改動不影響另一條線路的子系統(tǒng)。

3.2 車載VOBC方案

在運營場景一下，列車跨線后更換車載軟件，車載軟件按照當前所在線路的數(shù)據(jù)配置，車載電子地圖僅包含當前所在線路的線路數(shù)據(jù)、軌道區(qū)段數(shù)據(jù)、軌旁設備數(shù)據(jù)、通信協(xié)議數(shù)據(jù)等。該列車僅可被當前所在線路的軌旁和中央系統(tǒng)設備識別，并不再被跨線前所在的線路信號系統(tǒng)識別。

在運營場景二下，列車需要具備被兩條線路識別的能力。為此，列車車載電子地圖需將兩條線路按照整體配置，即所有軌旁對象（包括線路、軌道區(qū)段、信標、信號機、車檔、ZC、CI、ATS、維護網(wǎng)絡、DCS等）應統(tǒng)一按照單條線路的編號原則進行編號，保證這些對象在電子地圖中的唯一性。同時，地面信號系統(tǒng)對上述物理及邏輯對象的編號也應是唯一的，并且與車載電子地圖一致。

圖2 應答器系統(tǒng)結構原理圖Fig.2 Schematic diagram of balise system

VOBC可以根據(jù)列車位置，依據(jù)車載電子地圖定義的通信區(qū)域確定通信對象。列車轉線后停靠于車輛段/停車場，在停車列檢庫與地面設備進行通信，實現(xiàn)自檢作業(yè)，轉換軌完成初始化后進入正線。

車載控制器（CC）與地面其他子系統(tǒng)/設備的連接示意如圖3所示。

圖3 CC與其他子系統(tǒng)/設備的連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of connection between CC and other subsystems/devices

3.3 ATS子系統(tǒng)方案

列車跨線后，ATS子系統(tǒng)與兩種不同型號車輛的CC分別建立通信，CC向ATS系統(tǒng)報告列車狀態(tài)、列車位置、車輛動作命令、列車識別號、計劃到達時間、到達車站時間，ATS向CC報告列車識別號設置、發(fā)車時間和下一站到達時間、車站跳停/扣車命令等信息。

在運營場景一下，兩條線路的ATS數(shù)據(jù)庫只需包括本線路的列車ID編號（列車ID編號包含列車的信息數(shù)據(jù)）。

在運營場景二下，兩條線路的ATS數(shù)據(jù)庫需要包括兩條線路所有的列車ID編號，使兩條線路的ATS能夠根據(jù)列車ID編號識別并管理兩條線路的所有車輛。

3.4 地面ATP/ATO子系統(tǒng)方案

列車跨線后，ATP/ATO子系統(tǒng)與兩種不同型號的車輛CC分別建立通信，CC向ZC報告列車速度、列車位置等，ZC向CC報告列車的移動授權、前方線路區(qū)段變量信息等，CC向LC報告時間同步請求、數(shù)據(jù)版本信息等，LC向CC報告時間同步狀態(tài)、數(shù)據(jù)版本授權信息、臨時限速信息等。

在運營場景一下，兩條線路的ZC/LC數(shù)據(jù)庫只需包括本線路的列車ID編號。

在運營場景二下，兩條線路的ZC/LC數(shù)據(jù)庫需要包括兩條線路所有的列車ID編號，使兩條線路的ZC/LC能夠根據(jù)列車ID編號識別并管理兩條線路的所有車輛。

3.5 CBI子系統(tǒng)方案

列車跨線后，CBI子系統(tǒng)與兩種不同型號的車輛CC分別建立通信， CC向CBI報告站臺門開關門命令等，CBI向CC報告站臺門狀態(tài)信息等。

在運營場景一下，兩條線路的CBI數(shù)據(jù)庫只需包括本線路的列車ID編號。

在運營場景二下，兩條線路的CBI數(shù)據(jù)庫需要包括兩條線路所有的列車ID編號，使得兩條線路的CBI能夠根據(jù)列車ID編號與兩條線路的所有車輛進行通信。

3.6 DCS子系統(tǒng)方案

車地無線網(wǎng)絡通過服務識別號SSID來進行區(qū)分，軌旁無線AP產(chǎn)生周期性的識別消息，其包含無線網(wǎng)絡的SSID、自身的MAC地址以及最大傳輸速率等附加信息，車載無線單元尋找符合SSID標示的無線網(wǎng)絡，與無線網(wǎng)絡相關的接入點進行授權和握手，握手成功后進行數(shù)據(jù)通信。

DCS車地無線安全防護采用基于動態(tài)密鑰的用戶身份驗證和基于高級加密標準算法的無線通信加密技術。軌旁DCS系統(tǒng)定期將密鑰下發(fā)給車載無線單元。通信時車載無線單元被定義一個無線授權的密碼，以被授權與軌旁無線AP點進行連接，該密碼可以通過軌旁無線AP識別。車地無線數(shù)據(jù)交換采用無線幀加密，加密將確保數(shù)據(jù)不能被未授權用戶閱讀或修改。

在運營場景一下，本線列車車載無線單元可獲得軌旁無線AP的SSID，通過本線軌旁無線AP的身份驗證，車地之間可建立通信，并對數(shù)據(jù)進行加密/解密處理。

在運營場景二下，列車車載無線單元應可被兩條線路的軌旁無線AP識別。為此，列車車載無線單元應獲得兩條線路的軌旁無線AP的SSID及加密密鑰。由于兩條線路相距較遠，且無聯(lián)絡線存在，因此不會出現(xiàn)列車車載無線單元錯誤關聯(lián)至另一條線路軌旁無線AP的情況發(fā)生。另外網(wǎng)絡管理系統(tǒng)需包括跨線列車車載DCS設備的配置數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對車載DCS設備的狀態(tài)監(jiān)測及維護管理功能。

3.7 MSS子系統(tǒng)方案

列車跨線后，MSS子系統(tǒng)與兩種不同型號的車輛CC分別建立通信， CC向MSS報告車載設備狀態(tài)及報警信息。

在運營場景一下，兩條線路的MSS數(shù)據(jù)庫只需包括本線路的列車ID編號。

在運營場景二下，兩條線路的MSS數(shù)據(jù)庫需要包括兩條線路所有的列車ID編號，以收集兩條線路的列車車載設備狀態(tài)及報警信息。

4 信號系統(tǒng)的包容性設計

4.1 包容性設計原則

1、2號線列車長度、列車空載/滿載重量、列車旋轉質(zhì)量、列車牽引/制動特性、列車最大開/關門時間等參數(shù)存在一定的差異。

硬件無需改動，部分軟件要進行修改。根據(jù)列車參數(shù)的不同，在設計時制作兩種不同的車載軟件和地面軟件。列車車載設備與地面設備建立通信后，地面設備識別列車型號，根據(jù)不同的列車參數(shù)采用不同的數(shù)據(jù)模型進行處理。列車根據(jù)自身的列車參數(shù)應用相應的數(shù)據(jù)模型進行控制。

4.2 列車長度差異及處理措施

差異：1號線列車車長118.9 m，2號線列車車長119.8 m，相差0.9 m。兩種列車的差異如圖4所示。

圖4 列車車長、車門位置、信標天線位置示意圖Fig.4 Train length, door location and beacon antenna location

處理措施：列車長度將影響列車停車點、列車安全包絡線。由于兩種列車長度差異不大，影響較大的是列車在站臺精確停車的停車點SSP。列車長度不同，存在兩種不同的SSP。地面信號系統(tǒng)根據(jù)運行列車的型號記錄精確停車時的SSP，車載VOBC根據(jù)列車參數(shù)應用相應的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)列車在站臺區(qū)域的精確停車、車門與站臺門聯(lián)動、啟動自動折返功能。

4.3 列車重量差異及處理措施

差異：1號線列車空載208 060 kg，2號線列車空載204 000 kg；1號線列車滿載335 492 kg，2號線列車滿載327 720 kg。1號線列車旋轉質(zhì)量17000 kg，2號線列車旋轉質(zhì)量17100kg。

處理措施：列車重量、旋轉質(zhì)量作為列車速度監(jiān)督曲線的輸入數(shù)據(jù)，參與構建列車速度監(jiān)督曲線模型。根據(jù)列車重量、旋轉質(zhì)量為車載VOBC配置相應數(shù)據(jù)模型。旋轉質(zhì)量主要影響列車制動距離，列車旋轉質(zhì)量不同，列車制動曲線不同。列車重量、旋轉質(zhì)量還會影響信號VOBC與車輛的接口數(shù)據(jù)，與列車何時牽引、惰行、制動有關。兩條線路的地面信號系統(tǒng)將采用兩種列車的列車重量、旋轉質(zhì)量相對較差的參數(shù)進行系統(tǒng)設計，預留必要的保護距離。

4.4 牽引/制動差異及處理措施

差異：1號線和2號線列車的牽引/制動特性有一定差異。

處理措施：列車牽引/制動特性是編制信號車載控制軟件的基礎數(shù)據(jù)，根據(jù)牽引/制動特性為車載VOBC配置相應的數(shù)據(jù)模型。兩條線路的地面信號系統(tǒng)將采用兩種列車的牽引/制動特性相對較差的參數(shù)進行系統(tǒng)設計，預留必要的保護距離。

4.5 列車最大開/關門時間差異及處理措施

差異：1號線車門最大開關門持續(xù)時間為4.55 s，2號線車門最大開關門持續(xù)時間為6 s，兩者相差1.45 s。

處理措施：為實現(xiàn)車門與站臺門聯(lián)動，車門與站臺門的開/關門時機應匹配。車門開/關門由車載ATO向車輛發(fā)送開/關門命令或車輛檢測到開/關門按鈕被按下時啟動動作，站臺門開/關門由車載ATO發(fā)送站臺門開/關門命令或檢測到開/門按鈕被按下并經(jīng)由地面信號系統(tǒng)與站臺門系統(tǒng)的接口啟動動作。站臺門開/關門動作時間一般比車門開/關門動作時間晚，因此車載ATO向車輛發(fā)送的開/關門命令延時參數(shù)、車輛檢測到開/關門按鈕被按下時的動作延時參數(shù)應設置合理，并經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試驗證，以實現(xiàn)在自動開/關門、半自動開/關門、手動開/關門三種模式下車門與站臺門的聯(lián)動功能。

5 列車跨線調(diào)用實施分析

工程實施的流程包括接口設計、系統(tǒng)設計、設計驗證、數(shù)據(jù)制作、室內(nèi)測試、現(xiàn)場調(diào)試等階段。

由于1號線已經(jīng)通車試運營，要實現(xiàn)2號線列車在1號線運行，可利用2號線列車開展車載軟件的設計，先期在1號線試車線進行部分功能調(diào)試。1號線地面信號系統(tǒng)相關軟件重新設計，并在非運營時段更換軟件，開展2號線列車在1號線線路上的調(diào)試作業(yè)。在1號線運營時間開始前重新更換回原運營軟件。調(diào)試和管理的工作量大。

2號線還未開通運營，正處于系統(tǒng)設計階段。實現(xiàn)1號線列車在2號線運行將增加一部分系統(tǒng)設計和軟件修改的工作量。1、2號線列車在2號線試車線、正線上開展調(diào)試工作。2號線同時調(diào)試兩種類型的列車，將增加調(diào)試時間和工作量。

6 結束語

在不同線路采用同一廠家相同制式信號系統(tǒng)情況下，只要線路、限界等相關專業(yè)滿足要求的情況下，信號系統(tǒng)設計均能實現(xiàn)列車的跨線調(diào)用。最好在線路設計之初，就預留相關條件，各線路信號系統(tǒng)按實現(xiàn)列車跨線調(diào)用的目標設計。若在部分線路信號系統(tǒng)未預留條件且已經(jīng)開通運營的情況下，要實現(xiàn)列車跨線調(diào)用，就涉及到對既有開通線路的車載及地面信號系統(tǒng)的改造工作，設計、調(diào)試及管理的工作量較大。若管理不當，則具有一定的運營風險，信號系統(tǒng)的包容性設計可能會降低乘客舒適度。