彭曉璐

（中鐵通信信號勘測設(shè)計院有限公司，北京 100000）

1 工程概況

青島市地鐵5 號線是位于東岸城區(qū)核心區(qū)的骨干線路，全線運營范圍從麥島站到沙子口站，線路長約40.04 km。5 號線分為一期工程和二期工程。其中，一期工程起于麥島路站，止于云嶺路站，線路長約32.65 km，設(shè)鎮(zhèn)平路車輛段1 座，從環(huán)灣大道站接軌，主用控制中心設(shè)于遼陽東路控制中心，備用控制中心設(shè)于車輛段內(nèi)。5 號線一期工程初期配屬39 列車，車輛采用B 型車，初、近、遠期均采用6 輛編組（4M2T），最高運行速度80 km/h，初期平均旅行速度33 km/h，近、遠期大交路平均旅行速度35 km/h、小交路平均旅行速度33 km/h。采用雙線、全封閉運營線路，右側(cè)行車制，麥島站到云嶺路站方向為上行方向，云嶺路園站到麥島站方向為下行方向。本文將針對青島市地鐵5 號線一期工程信號系統(tǒng)設(shè)計展開探討。

2 青島地鐵5 號線工程信號系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案比選

目前，青島地鐵已開通及在建項目的信號系統(tǒng)均采用移動閉塞制式，從技術(shù)的角度出發(fā)，移動閉塞能夠滿足工程建設(shè)需求，但為了提高信號設(shè)計水平，本工程將基于移動閉塞方式的ATC 系統(tǒng)（CBTC 系統(tǒng)）和列車自主運行系統(tǒng)（TACS）作為方案比選的主要對象。

CBTC 系統(tǒng)以地面設(shè)備為列車運行的控制核心，通過車地通信實施傳遞列車信息，控制列車運行，即前車將定位信息發(fā)送到地面，根據(jù)位置信息結(jié)合其他安全數(shù)據(jù)，判斷后車運行安全，發(fā)送移動授權(quán)。

TACS 系統(tǒng)則不同，能夠利用無線通信技術(shù)，實現(xiàn)車車通信，列車之間直接建立通信，后車可以獲取前車相關(guān)信息，自主判斷線路狀態(tài)，計算移動授權(quán)和防護曲線。TACS 系統(tǒng)能夠?qū)鹘y(tǒng)的車地兩層分布式列車控制系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等高度融合，不再以地面控制設(shè)備為核心，而是基于車載控制平臺，實現(xiàn)列車自主前進、自主調(diào)整、自主防護等效果。

考慮到運營模式和自動化水平方面，青島地鐵5 號線按完全無人自動運行模式GOA4（UTO）設(shè)計，而TACS 系統(tǒng)能夠很好地支持該模式，在通信質(zhì)量、效率、安全、成本、智能等方面優(yōu)勢明顯。除了理論上的可行性，還要加強實踐驗證，根據(jù)已完成TACS 試驗線的系統(tǒng)測試、 既有線青島1 號線正線測試、TACS 產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)布，驗證了TACS 系統(tǒng)的安全性、可靠性、可用性。綜合以上因素，本工程信號設(shè)計擬采用列車自主運行系統(tǒng)（TACS）。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

TACS 將傳統(tǒng)CBTC 中的設(shè)備進行了集成，在系統(tǒng)架構(gòu)、復(fù)雜程度等方面，實現(xiàn)了化繁為簡的優(yōu)化效果，減少了軌旁設(shè)備的應(yīng)用，降低了建設(shè)、運營成本。列車自主運行系統(tǒng)將原信號系統(tǒng)與牽引、 制動、 車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及防撞系統(tǒng)進行融合，主要由牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)（含既有ATO）、車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)、車載信號子系統(tǒng)、軌旁O(shè)C 子系統(tǒng)、ATS 子系統(tǒng)、DCS 子系統(tǒng)、MMS 子系統(tǒng)以及軌旁基礎(chǔ)設(shè)備共同組成，整體架構(gòu)劃分為列控系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及防撞系統(tǒng)5 部分。TACS 系統(tǒng)設(shè)計將提高列車性能、控制壽命周期成本作為主要目標，更多的是從列車全系統(tǒng)的角度出發(fā)，實現(xiàn)了系統(tǒng)化、一體化設(shè)計，將各種子系統(tǒng)有機整合，通過一體化平臺進行統(tǒng)一控制、管理。融合設(shè)計思路主要體現(xiàn)在車載網(wǎng)絡(luò)融合、 硬線電路融合、HMI 與DMI 融合、 測速融合、ATO 融合等方面[1]。

2.3 列控系統(tǒng)

青島地鐵5 號線一期工程列控系統(tǒng)作為列車自主運行系統(tǒng)（TACS）的重要組成部分，主要包括車載子系統(tǒng)、軌旁子系統(tǒng)、ATS 子系統(tǒng)、DCS 子系統(tǒng)、維護監(jiān)測子系統(tǒng)5 個子系統(tǒng)。

車載控制子系統(tǒng)包含車載列控及車地通信等設(shè)備，將所有列車控制相關(guān)設(shè)備作為節(jié)點納入TCMS 網(wǎng)絡(luò)進行管理，具備資源管理、車載ATP、車載ATO 等主要功能。

軌旁子系統(tǒng)主要包含OC 及軌旁基礎(chǔ)設(shè)備。OC 設(shè)備主要完成列車注冊以及通信狀態(tài)管理、列車位置登記與查詢、資源登記與查詢、實體資源的驅(qū)動與采集、通信故障列車持有資源的回收、非通信車固定閉塞追蹤管理等功能。

ATS 系統(tǒng)對整個地鐵線路的運行進行監(jiān)督和控制，提供調(diào)度管理級別必需的自動控制功能。ATS 監(jiān)視并顯示實際運營的列車位置，并能進行人工操作控制。ATS 系統(tǒng)設(shè)置中央和備用服務(wù)器，正常情況下，控制中心ATS 控制全線，如果控制中心ATS 發(fā)生故障，會自動切換到備用服務(wù)器，有效降低設(shè)備故障產(chǎn)生的負面影響。

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）實現(xiàn)的功能主要包括TACS 各子系統(tǒng)之間雙向與可靠數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)管理和維護。

結(jié)合青島市智慧地鐵的規(guī)劃，本工程新設(shè)置信號智能運維子系統(tǒng)，實現(xiàn)TACS 列控系統(tǒng)設(shè)備的在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、智能維護。線路級信號智能運維子系統(tǒng)的功能定位為線路級信號智能運維系統(tǒng)，應(yīng)具備就地監(jiān)測和遠程報警、遠程日志實時下載、數(shù)據(jù)存儲和處理等功能。

2.4 牽引系統(tǒng)

牽引控制子系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，經(jīng)受流器輸入的DC1500V 直流電由VVVF 逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動機供電，當剛性接觸網(wǎng)電壓在1 000~1 800 V 變化時，主電路能正常工作，并方便地實現(xiàn)牽引—制動的無接點轉(zhuǎn)換。牽引系統(tǒng)主要由司機控制器、牽引逆變器系統(tǒng)（VVVF）、牽引控制單元（DCU）、牽引電動機、傳感器、列車電氣連接器、主電路電器等組成。牽引控制子系統(tǒng)接受來自列車網(wǎng)絡(luò)與硬線的信號，通過內(nèi)部邏輯運算，實現(xiàn)對列車牽引子系統(tǒng)的控制，最基本的功能包括牽引控制功能和電制動控制功能。前者又包括牽引力施加、緊急牽引、救援、洗車模式、防空轉(zhuǎn)等功能，制動控制功能主要包括電制動力施加和防滑行功能[2]。

2.5 制動系統(tǒng)

在制動控制子系統(tǒng)設(shè)計時，每列車頭尾的第一個轉(zhuǎn)向架各安裝1 臺融合了ATO 功能的主閥，這兩臺主閥設(shè)備互為冗余，正常工作時，只有1 臺主閥能夠成為主控制主閥，負責(zé)整列車的制動管理與控車工作，當主控制主閥發(fā)生故障時，另1臺主閥將自動成為主控制主閥，其他轉(zhuǎn)向架各安裝1 臺輔閥，輔閥不具有ATO 板卡，其他硬件與主閥相同。整列車設(shè)定為一個制動控制單元，主閥接收輔閥以及自己的狀態(tài)信息進行制動管理，輔閥接收主閥的指令信息進行制動的施加與緩解，以及防滑控制工作。為了防止主輔閥之間數(shù)據(jù)交互不穩(wěn)定，主輔閥均預(yù)留了MVB 總線接口，當現(xiàn)車驗證發(fā)現(xiàn)主輔閥之間通信不穩(wěn)定并且短時間內(nèi)無法解決時，制動系統(tǒng)將考慮采用MVB 總線進行制動內(nèi)部數(shù)據(jù)交互。主輔閥均有硬件輸入輸出接口，用于控制緊急制動施加、遠程緩解等工作。制動控制子系統(tǒng)具有制動控制功能和ATO 控車功能，其中，制動控制功能是主閥根據(jù)制動指令對列車實施制動，包括制動指令管理、制動力分配、制動控制、防滑控制等子功能，并分為電制動、空氣制動以及電空復(fù)合制動幾種不同形式；ATO 控車功能是主閥根據(jù)當前的車輛狀態(tài)、軌道線路情況等信息，對車輛進行相應(yīng)控制，可以進一步分解為列車運行控制、運行等級調(diào)整、全自動運行、全自動折返、站臺扣車、跳停、列車精準停車、門管理、自動發(fā)車等子功能。

2.6 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)依據(jù)相關(guān)規(guī)范標準設(shè)計，采用冗余傳輸思路，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、穩(wěn)定性、可靠性。車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（簡稱TCMS）中，對控制網(wǎng)和列控系統(tǒng)網(wǎng)進行并網(wǎng)處理，可以達到多網(wǎng)融合的目的，提供獨立的工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)。列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)包括車載硬件、控制軟件、操作系統(tǒng)、監(jiān)視軟件、診斷軟件、維護工具等。車輛各設(shè)備與TCMS 系統(tǒng)之間采用網(wǎng)絡(luò)通信或硬線連接，對于與行車安全有關(guān)的輸入輸出信號，采用網(wǎng)絡(luò)加硬線的冗余設(shè)計，即網(wǎng)絡(luò)冗余加硬線的連接，當某些列車級控制發(fā)生故障，通過冗余的硬件電路，使列車能夠維持安全運營至終點站。TCMS 主要負責(zé)完成牽引和制動控制、列車運行信息采集、主要設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視和列車診斷，為相關(guān)人員進行操控、維修提供支持，可進一步分解為網(wǎng)絡(luò)通信、入網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)督、牽引系統(tǒng)管理、輔助系統(tǒng)管理、制動系統(tǒng)管理、空調(diào)系統(tǒng)管理、列車檢查管理等子功能。

2.7 防撞系統(tǒng)

青島地鐵5 號線采用的是列車自主運行系統(tǒng)（TACS），當車載信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障或車地?zé)o線通信失效時，故障列車和故障區(qū)域內(nèi)的列車將不能正常運行，此外，當發(fā)生區(qū)域或全線車地?zé)o線通信出現(xiàn)故障時，中心ATS 系統(tǒng)僅能通過軌旁計軸設(shè)備獲得列車的位置信息，不能識別同一個計軸區(qū)段內(nèi)有多個列車的場景。因此，采用TACS 系統(tǒng)的地鐵線路，應(yīng)該采用必要的技術(shù)手段確保上述故障場景下，故障列車能夠順利地退出運營，故障區(qū)域內(nèi)的列車可順利地導(dǎo)出，全線故障時能夠提供基本的應(yīng)急運行。

青島地鐵5 號線TACS 配置列車防撞系統(tǒng)，車載ATC 故障的列車、車載ATC 被切除的列車、無線通信故障的列車可利用防撞系統(tǒng)檢測本車與前車之間的距離，并結(jié)合列車速度，對綜合運營人員進行預(yù)警或報警，并輸出緊急制動。列車防撞系統(tǒng)由車載設(shè)備、軌旁設(shè)備、中心設(shè)備共同組成，其作為信號系統(tǒng)的后備系統(tǒng)，當信號系統(tǒng)發(fā)生故障時，防撞系統(tǒng)會自動啟動。防撞系統(tǒng)通過TCMS 獲得列車速度，并結(jié)合速度對前后車距進行安全評估，系統(tǒng)將按照常用制動率、最大常用制動率、緊急制動率生成3 種不同制動條件下的預(yù)警曲線。影響曲線的因素有列車速度、列車制動率、前車距離、司機反應(yīng)時間、測距誤差、測速誤差、制動力建立時間、安全余量、線路坡度等，當車距“觸碰”到任一預(yù)警曲線時，系統(tǒng)均將輸出報警。

3 結(jié)語

綜上所述，地鐵在青島交通系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。隨著工程建設(shè)規(guī)模的持續(xù)擴張以及建造技術(shù)的不斷成熟，地鐵設(shè)計水平越來越高。在青島地鐵5 號線一期工程信號設(shè)計中，列車自主運行系統(tǒng)體現(xiàn)出更好的適用性，能夠充分發(fā)揮信號系統(tǒng)功能，實現(xiàn)與相關(guān)專業(yè)的協(xié)調(diào)工作，滿足全自動運行系統(tǒng)要求，提高地鐵自動化、智能化運行水平。