面向远期改造的信号与车辆接口条件预留方案探讨

张楚潘 袁雪源 王伟康

城市轨道交通信号系统设备的生命周期一般为15～20年，对于国内城市轨道交通发展较早的北京、上海、广州、香港等地，部分线路已进入改造周期［1］。

车辆与车载信号系统是城市轨道交通工程中最重要、最关键的2个设备系统，共同担负着运输乘客、指挥列车运行、保证行车安全、提高运输效率的重要任务［2］。车载信号系统的更新改造涉及车辆与信号的接口，通常采用以下2种实施方式。

1）列车分批次扣车下线，信号与车辆接口改造完成后，再上线投入运营。要求线路具备足够数量的列车保证正常运营。

2）在维持既有信号与车辆接口不变的前提下，新安装一套车载信号系统，通过系统切换装置实现新旧系统切换。正常运营时间段使用既有系统，结束运营后切换至新系统开展调试，新系统调试完成后上线运营。

由于既有线路车辆数量有限，车辆扣车下线对于运营组织影响较大，为保证信号系统改造不影响正常运营，通常采用安装新信号系统的方式，实现信号与车辆接口改造。这样就要求列车具备足够安装空间，并且既有车辆电气接口、数据接口与新信号系统具备良好兼容性。

然而，信号系统更新改造时不一定继续沿用既有系统，而且各供应商提供的信号系统设备安装尺寸、接口方式均不相同，如果在设计阶段，统筹考虑各家信号系统车载设备接口要求，为远期信号车载设备改造预留接口条件，可大大降低系统改造难度。

为此，本文提出在车辆设计阶段，整合主流信号系统供应商对信号与车辆接口的需求，预留机械接口、电气接口远期改造条件，提高适配能力，降低改造难度，节省改造成本。

1 车载信号系统构成

车载信号系统主要包括车载信号主机、加速度计、速度传感器、接近传感器、信标天线、无线通信单元及天线、司机显示单元、信号系统按钮、测速雷达、中继器等［3］。

1）信号主机是车载信号系统核心设备，接收轨旁设备发送的移动授权，计算列车运行的目标速度，从而控制列车运行。

2）司机显示单元用于向司机提供各类列车运行信息，包括驾驶模式、实际速度、目标速度、目的地、车门/屏蔽门状态等。

3）信号系统按钮包括自动折返按钮、ATO启动按钮、驾驶模式按钮等［4］，由于供应商信号系统驾驶模式建立机制不一致，按钮的设置差异较大。

4）速度传感器是用于测速测距的关键设备，包括转速计、编码里程计等。通常分别安装在每列Tc车（拖车）2个独立的非驱动轴上［5］。

5）加速度计用于检测列车运行的加速度/减速度，辅助判定列车运行中的空转/打滑，部分车载系统无此设备。

6）信标天线用于检测轨旁布置的无源信标和有源信标，以进行列车定位，属于列车定位的关键设备。常用的包括美式信标天线、欧式信标天线等，其中欧式信标天线在我国应用较为广泛。

7）接近传感器用于检测轨旁站台区域布置的接近盘，属于自动停车对准设备，部分车载系统无此设备。

8）中继器对线路上的信号具有放大再生功能，在局域网环境下，用来延长网络传输距离。若列车布线距离超过100 m，则信号设备贯穿线缆需配置信号中继器［6］。

综合考虑主流信号系统供应商系统方案，以及信号系统设备国产化趋势，上述车载信号设备可能共用的情况见表1。

表1 车载信号设备共用的可行性

2 车载信号系统设备比较

以广州地铁X号线为例，该线列车编组方式为4动2拖编组B2型车，车载信号系统可选择的供应商有3家，分别为供应商1、供应商2和供应商3。3家供应商设备对比情况见表2。

3 接口条件预留方案

由于各家供应商车载信号设备存在一定差异，因此在供应商确定后，需基于既有接口规范，在设计联络阶段根据需求对信号与车辆的接口进行深化设计。为了最大限度降低信号系统改造成本，规避信号供应商招标不确定性带来的风险，有必要在增购车项目、新线项目等车辆与信号系统设计时，对主流信号系统供应商车载信号设备机械接口、电气接口远期改造条件进行规划并预留。信号系统供应商根据各自设备的技术规格、安装工艺、安装尺寸等，建立统一标准，便于车辆预留接口条件；车辆厂家根据统一标准，预留设备安装空间、安装位置、电缆路径等机械条件，以及供电、贯穿线缆、信号输出模式等电气接口条件［7］。

通过对比研究，针对3家信号系统供应商的车载信号设备特点，制定了远期信号与车辆接口改造条件预留方案，包括机械接口和电气接口。

3.1 机械接口

对于有条件进行规格统一的信号设备，可实现设备共用，远期改造时沿用既有规格即可；对于不可共用的设备，则由车辆厂商预留安装位置和安装空间。

3.1.1 信号主机柜

由于各供应商信号系统所采用设备和技术均不相同，信号主机尺寸大小、进出线接口、供电需求不同，因此主机柜不可共用，需在既有信号机柜旁，按照最大尺寸预留新机柜安装位置及安装接口。

3.1.2 司机显示单元

各供应商司机显示单元硬件均为定型产品，差异主要为显示软件。由于司机控制台空间有限，考虑司机显示单元共用，统一安装尺寸，并针对不同系统开发相应显示软件。在信号系统改造时，新、旧系统可使用同一个司机显示单元，正常运营时使用既有显示软件，调试时使用新系统显示软件。统一后的相关参数如下。

1）显示器：外形尺寸不大于340 mm×250 mm×90 mm。

2）安装孔尺寸统一为325 mm×180 mm。

3）驾驶室主控台开孔尺寸大于310 mm×234 mm。

4）显示器接地线截面积不小于6 mm。

表2 车载信号设备对比

3.1.3 车顶LTE天线

根据3家供应商安装技术规格，各家LTE天线的无金属区范围以及天线间距均不相同，取最大公约数建立安装标准，车辆预留安装接口。统一的安装规范如下。

1）列车单端车顶中心线安装2个车顶鱼鳍天线，呈前后位置部署，2根天线前后间距大于1 200 mm。

2）在以天线为中心的500 mm范围内，不应有超过天线2/3安装高度的金属物。

3）LTE电缆长不超过10 m。

4）鱼鳍天线底部与车顶呈水平方向安装。

5）鱼 鳍 天 线 与 其 他800 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz天线间隔不小于1 000 mm。

安装位置示意图见图1。

3.1.4 车底LTE天线

除供应商3外，供应商1和供应商2信号系统无车底天线，则需以供应商3车底LTE天线安装要求为基准，预留车底天线安装条件。

图1 车顶天线安装位置示意图

天线放置在列车的两端，车头、车尾车厢的外底部区域，每节车厢安装2个。车底LTE天线尺寸需不大于300 mm×250 mm×70 mm。车辆在车底预留安装C型槽，安装天线时根据实际情况设计安装支架，车辆预留安装接口。安装示意图见图2。

图2 车底天线安装位置示意图

车底LTE天线线缆长度要求不超过10 m，基于线缆长度要求，车底LTE天线需安装在信号柜附近。

3.1.5 速度传感器

速度传感器安装于车轴轴端，由于各家传感器的安装尺寸不一致，在改造阶段，新供应商的速度传感器与既有安装孔存在不匹配问题。需要根据新旧传感器安装尺寸，定制转接适配器，车辆在车轴轴端预留与适配器的安装接口。

车辆在制造阶段，轴端端盖暂不预留与速度传感器的安装接口，待速度传感器确定后，再对轴箱端盖进行改造或更换，以满足速度传感器安装需求。

此外，由于传感器电缆支架至信号主机柜间的电缆需要预先布放，应统一供应商电缆型号。转向架至车体支架电缆连接器需统一，同时预留车体支架安装位置。

3.1.6 中继器

由于列车为6辆编组，网线长度可能会超过100 m，因此需要在列车中部车厢（第3节或第4节）安装网络中继交换机。

3家供应商的中继器安装尺寸也各不相同，以最大尺寸为基准建立安装标准，车辆预留安装空间及接口，在安装前根据设备设计安装支架。

3.1.7 信标天线

各家天线与电缆均为配套定型产品，且传输的数据格式并不一致，需要统一电缆标准。根据3家供应商安装技术规格，取最大公约数建立安装标准，车辆预留安装接口，信标天线安装于车辆中心线、B车（带受电弓的动车）转向架2中部。安装位置示意图见图3。

图3 信标天线安装位置示意图

3.1.8 信号按钮

供应商2和供应商3信号按钮的设置与供应商1均不相同。其中有部分可实现共用，另一部分需在现有基础上进行新增。信号按钮配置情况见表3。

表3 信号按钮对比情况

由于司机控制台空间有限，应尽可能考虑统一信号按钮制式，沿用既有系统控制模式（3位驾驶模式旋钮+ATO模式按钮），在既有基础上根据运营需要进行深化设计，便于车辆设计逻辑电路。

3.1.9 测速雷达

除供应商3外，供应商1和供应商2信号系统无测速雷达。按照供应商3技术标准，统一规定测速雷达安装于车头防爬器下方车体安装位置，预留安装条件。

3.1.10 加速度计

除供应商1外，供应商2和供应商3信号系统均无此设备。既有供应商1信号系统加速度计安装在设备机柜中靠近车辆中心线的位置。由于供应商1信号系统进行了升级，加速度计数量需增加1个，因此考虑由车辆预留1～2个加速度计安装位置及接口，满足供应商1系统安装需求。

3.2 电气接口

车辆除了要为信号系统改造预留车载设备机械接口外，还需预留电气接口，包括继电器、接线端子等，同时信号系统供应商需统一信号输入/输出模式、信号电缆型号。重点研究非安全输入信号、非安全输出信号、安全输出信号、安全输入信号、系统切换开关等。

3.2.1 安全输入/输出信号

安全输入/输出信号见表4。

表4 安全输入/输出信号

输出信号方面，供应商1和供应商2均要求除门使能信号外，输出有源110 V电平信号（并联）；供应商3要求采用2组干接点（串联）输出无源信号。

输入信号方面，供应商1和供应商2均要求车辆输入有源电平信号（并联）；供应商3要求车辆提供2组干接点信号（串联），提供DC24V电源。

统一后的方案为，对于3家供应商均具备的输入/输出信号，车辆厂家根据信号系统功能设计2套接口电路；对于非共有的输入/输出信号，车辆厂家根据具体项目进行接口电路设计。

3.2.2 非安全输入/输出信号

由于各供应商独有的非安全输入/输出信号数量种类较多，若车辆完全兼容，适配多种模式的信号，将导致车辆控制逻辑电路极其繁琐，故障点显著增多，不利于现场维护。建议非安全输入/输出信号采用列车控制与管理系统TCMS与ATC间网络进行传输，某些特殊信号（如按钮信号、自动折返按钮和开关门模式等），根据具体项目情况进行设计。

3.2.3 系统切换开关

由于车辆已预留了远期信号系统改造的车载设备机械接口、电气接口，在车载信号系统改造时，可同时存在2套信号系统，既有系统用于正常运营，新系统用于系统调试。

新旧系统的倒切涉及大量线缆拔插、核对等工作，为提高新旧系统倒切效率，应设置一个系统切换开关，进行车辆逻辑控制电路以及TCMS软件的切换。原则上切换电路只对信号系统主机电源进行切换，系统切换实现方案有待进一步研究细化。根据既有线信号系统改造实施经验，通过切换装置可显著减少新旧系统倒接时间。

4 总结

本文对3个不同供应商车载信号系统设备与车辆的机械接口、电气接口现状进行了分析总结，对面向远期改造的接口条件预留方案进行了初步研究，将在后续信号系统改造项目、增购车项目中进行落地实践，以在车辆设计阶段实现兼容多种车载信号设备的接口，实现车辆与车载信号系统接口的统一化。