基于城轨车辆升级扩容的信号系统方案研究

汪 沛

（卡斯柯信号有限公司，北京 100070）

随着同一城市轨道交通线路的规模化建设和网络化运营，地铁客流量大幅度增长，部分地铁线路前期购置车辆的载客能力和运营间隔逐步无法满足客流的增长需求，车辆升级扩容势在必行。由于升级扩容车辆与既有车辆设计参数往往不同，这对信号系统设计提出了新的要求，在满足保障运营安全、提高运营效率、不影响轨旁设备布置的前提下兼容既有车辆与升级扩容车辆的参数特征。本文梳理了信号系统对车辆参数变化的系统性设计，供后续增车项目参考，同时也对车辆方的车辆设计提出建议。

1 项目概况

以北京某线车辆升级扩容项目为例，某线已运营超过10年，既有列车10列，升级扩容新车8列，考虑在运营过程中发现的既有列车的不足，车辆方重新设计了升级扩容列车。

本文基于通信的列车自动控制系统(Communi cation Based Train Control System，CBTC)，研究升级扩容列车的参数变化对既有信号系统设计的影响，以便车辆方进行方案的制定选择，同时为信号系统和车辆接口提供帮助。

2 升级扩容车辆对信号系统的影响

典型的CBTC系统：轨旁部分主要有计算机联锁子系统（CI）、列车自动监控子系统（ATS）、数据通信子系统（DCS）、维护子系统（MSS），列车自动防护子系统和列车自动运营子系统合称为列车自动控制子系统（ATC）[1]。ATC子系统含轨旁区域控制器（ZC）、轨旁线路控制器（LC）、定位信标和车载信号设备。

信号系统设计包括总体设计和子系统设计。总体设计是整个信号系统的设计基础，为后续的子系统设计提供参考输入[2]。子系统设计主要包含ATC、ATS、CI、DCS、MSS等方面，它们直接影响着项目的硬件设备和软件数据。升级扩容列车设计的变化，均会影响到信号系统的相关设计。

1）对列车自动控制子系统ATC的影响

ATC直接与车辆进行信号车辆接口，包括硬线接口和网络接口，同时ATC子系统还会结合总体设计中的定位信标、停车点等相关内容进行车辆的精确停车控制。为满足信号需控制车数增加的需求，轨旁ATC设备的ZC和LC需要进行软件扩容，同时根据升级扩容列车新的车辆参数，重新对轨旁设备布置进行分析，确认轨旁设备是否兼容新的车辆设计。

2）对ATS的影响

ATS子系统主要根据列车运行时刻表对全线列车进行集中监控，对运营实施控制，控制联锁区范围内的进路和信号[3]，车数的增加也会导致ATS的软件扩容。

3）对CI的影响

CI主要负责信号机、道岔、计轴、站台门的联锁控制，车数的增加也会导致CI的软件扩容。同时新增车辆的开关门时延会影响车门屏蔽门的同步，车载信号系统需与CI综合设计，以满足升级扩容车的车门屏蔽门开关门同步的需求。

4）DCS和MSS根据新增车辆数量对软件进行扩容

该矿体是槐树坪金矿区主要的矿体之一，严格受F29断裂控制，沿走向控制长度760m，沿倾向控制最大斜长710m，埋深约0～684m。走向330°～350°，倾向北东，倾角75°～87°，矿体最高金品位达9.06×10-6，平均品位为4.00×10-6，品位变化系数为68%，属均匀型，品位随倾向和埋深呈低-高-低特征；厚度为0.46～9.11m，平均厚度1.54m，厚度变化系数为110%，属较稳定型，其变化特征为倾角变陡，厚度变厚，倾角变缓，厚度变薄，沿倾向随着深度变化矿体呈薄-厚-薄特征；矿体形状总体呈不规则状，多处无矿边界为港湾状。

综上分析：对于新增车辆项目，轨旁的信号系统子系统均需进行软件扩容以满足信号系统控车的需求。在信号系统的初期设计中，建议信号系统提前核算在满足最大运营效率前提下需求的列车数量，在轨旁软件设计中提前进行容量的预留。该建议可以保障在新增车辆与既有车辆参数完全一致的情况下，不影响既有轨旁子系统，直接实施升级扩容项目。

3 信号系统设计实施

列车升级扩容一般采取两种方案：一是与既有车完全保持一致；二是为了满足现代化、实用性、舒适性等需求，对升级扩容的车辆进行重新设计[4]。某线升级扩容项目为方案二，配合新车升级扩容，信号系统设计需要进行相应变动以满足需求。针对重新设计的列车，信号系统需与车辆重新进行接口谈判，根据新的车辆参数和车辆设计重新进行信号系统设计，基于保障运营安全和保障运营效率的需求，对于升级扩容新车项目，信号系统要求升级扩容车辆不影响轨旁信号系统设备布置。

3.1 车辆参数

在升级扩容列车的信号系统设计中需重点考虑到列车的车长车重等物理特性、列车的紧急制动等性能特性、信号车辆的接口方式等各类参数，具体如表1所示。

表1 影响信号系统设计的车辆参数Tab.1 Vehicle parameters affecting signaling system design

3.2 方案设计

3.2.1 停车点设计

停车点的设计主要考虑车体中心与站台中心对齐，保证每一个车门都能与屏蔽门对齐，不影响乘客乘降。对于增车项目，需不影响既有布置，此处需考虑车长和车载设备中信标天线安装位置这两个因素。

对于升级扩容车与既有车车长一致的情况，停车点可按既有配置实行，无需进行停车点的变更，此时只需考虑信标天线的位置。如图1所示，对于列车头尾冗余定位及精确停车，信号会根据列车停车后的信标天线位置布置第二接近信标、第一接近信标以及确保列车精确停车的精确停车信标。精确停车信标距离信标天线的距离为1～1.5 m，故新增车为了满足精确停车的功能，需保证停车后信标天线满足该安装范围，此处需车辆方进行车下设备布置时综合考虑。

图1 信标、停车点、信标天线位置Fig.1 Location of beacon, parking point and beacon antenna

对于升级扩容车与既有车车长不一致的情况，信号系统设计需按两种车型最长车长考虑，将短车在设计层面虚拟成长车，保障列车停车后在软件逻辑层面匹配同一个停车点。车辆方需根据信号系统提供的停车点，核算停车后的信标天线与精确停车信标之间的距离，设计信标天线的安装位置，如图1所示。

3.2.2 紧急制动时间影响

图2 紧急制动时间参数示意Fig.2 Time parameters of emergency braking

紧急制动各参数主要影响信号系统的保护区段长度[7]、EOA距离、保护区段解锁时间、紧急进路解锁时间、紧急制动距离，时间参数越大，信号系统各相应的设计参数就会越大[8]，最终影响信号系统轨旁设备布置以及运营效率。

某线车辆升级扩容项目中，车辆方最初给出的紧急制动时间参数远大于既有车，经信号系统核算后不满足既有轨旁信号设备的布置需求，同时极大地影响运营效率。经信号方和车辆方沟通后，车辆方重新进行了设计，最终给出满足需求的参数。

3.2.3 车门和屏蔽门的同步开/关

屏蔽门的开、关控制由车载信号设备来实施，它们之间的接口通过联锁子系统实现，联锁子系统作为车载设备与站台屏蔽门中间桥梁，将车载的开、关门命令输出到屏蔽门。

车门的开、关控制也由车载信号设备实施，它们之间的接口通过硬线实现。

升级扩容车相对于既有车，由于门控器和车门的区别，车门的开/关门延时存在一定的差异，信号层面是可接受的。为满足车门和屏蔽门同步打开和关闭的需求，信号系统需要根据车辆方提供的车门开/关门延时进行软件配置。以车门屏蔽门完全打开到位为例，开/关门时序如图3所示。列车进入站台区域停准停稳后，为满足车门屏蔽门同步打开到位的需求，信号输出屏蔽门开门命令，经时延后输出车门开门命令（一般为2 s的脉冲信号），保证车门屏蔽门最终同步完全打开。关门同理。该时延需根据车门的开/关门延时进行考虑。

图3 车门屏蔽门同步开/关门时序Fig.3 Time sequence of synchronous opening and closing of train doors and platform screen doors

某线车辆升级扩容项目，车辆门控器逻辑与既有车存在区别，信号系统根据新的车门开/关门时延参数重新设计车载信号软件，最终满足车门屏蔽门同步的需求。

3.2.4 接口总线变化

CAN总线是一种串行通信协议，传输速率根据传输距离的不同而不同，最高可达1 Mbit/s，能够满足短编组运营车辆TCMS数据的传输需求。MVB总线同样是一种串行通信协议，属于总线仲裁型网络，传输速率为1.5 Mbit/s。MVB总线及协议相对CAN总线规定要更加严苛，能够满足各种车辆运营工况下TCMS的数据传输需求。这也保证了MVB在城市轨道交通车辆运用中的稳定性[9]。

基于既有车辆CAN总线造成的种种困扰，某线车辆升级扩容项目将总线方式更换为MVB，信号与车辆TCMS的网络接口也变更为MVB。信号与车辆的TCMS接口信息中，电制动使能信号、液压制动使能信号、牵引制动级位信号为信号ATO控车的主要信号[10]，接口方式的变化会导致车辆牵引制动响应的变化。信号方通过测试，最终确认了不同电制动等级之间的响应延时、不同液压制动等级之间的响应延时、电制动转液压制动的响应延时、不同牵引等级之间的响应延时，重新建立新的车辆模型，实现信号ATO精确控车，保障ATO模式下的舒适度和停车精确度。

4 结束语

某线车辆升级扩容项目，所有设计、软件均通过评审，完成了室内外测试，已进入载客运营阶段。本文对初期的信号设计提出建议，轨旁设备为增加车辆做好容量预留，同时结合项目情况对车辆参数进行分析，在满足既有信号系统轨旁设备和保障运营的前提下，明确对车辆参数的需求，要求新增车辆进行设计时，需同步考虑信号系统设计，避免影响整个信号系统的安全。同时也从信号系统设计角度评估可接受的车辆设计变化，根据新的车辆参数进行信号软件的优化，有效减少设计、安装、调试的工作量，减少全生命周期成本，降低对运营的影响。